电子元器件与工艺第一章2013

电子元器件 与工艺,教学计划(一),一教学内容(理论教学部分) 1分立电子元件与表面组装元件(8学时) 电容，电阻，电感 2薄厚膜混合集成电路(HIC)(10学时) 微电子技术, IC与HIC, 薄膜元器件, 设计 3压电、热释电和铁电器件(6学时) 4光纤传感器(4学时) 5. 表面组装器件与表面组装技术(6学时),教学计划(二),一教学内容(实验教学部分) 1独石电容器的结构与性能(3学时) 2厚膜电路用电子浆料成份对电阻率的影响(综合实验)(3学时,选做) 3磁敏传感器的结构与性能(3学时),1. 分立电子元件与表面组装元件,主要包括电容器、电阻器和电感器 1.1 电容器(第一节、第三节节选) 一何谓电容器：由介质隔开的两块金属极板构成的电子元件，广泛用于储能和传递信息。 二主要参数 . 标称容量和允许误差 容量：容量大表示电容器储存电荷的能力大,误差：实际容量与标称容量之差除以标称容量 精度分为八个等级： 常用: 级(5%) II级 (10%) III级(20%) 电解电容器： 可能达20%，甚至高达100%30%,. 额定电压 规定温度范围内，电容器长期可靠地工作所允许的最高直流电压，若工作在交流电路中，则交流电压的峰值不能超过额定电压。 . 绝缘电阻 指电容器两极之间的电阻(1081010) 用绝缘电阻与电容量之积(时间常数)衡量电容器绝缘性能的优劣 电解电容器：绝缘电阻较小，用漏电流来衡量其绝缘性能,. 电容器的损耗 介质部分的损耗：漏导损耗(漏电流引起) 极化损耗(极性介质) 电离损耗(气体电离引起) 金属部分的损耗：引出线(片)的损耗 接触电阻损耗 极板的损耗 衡量指标： 交流电压与通过的电流之间的相位差不是/2 ，而是稍小于/2，其偏角为损耗角,通常以tan 表损耗大小,. 其他参数 频率特性 温度系数 稳定性 可靠性 ,三电容器的主要种类与型号 . 主要种类 无机介质电容器 有机介质电容器 电解电容器 双电层电容器(超级电容器),8.3 电容器介电材料的分类及结构特性 一.分类,无,1.分类：,2.无机介质电容器 1 瓷介电容器 A. 特点: 介电常数高,介质损耗角正切小，电容温度系数范围宽，可靠性高，寿命长 .按介质特性分类： I 类高频瓷介电容器(CC型) II类低频铁电瓷介电容器(CT型) III类半导体瓷介电容器(CS型边界层),.按使用性能特点分类： I类低压小功率高频瓷介电容器； II类低压低频瓷介电容器； III类半导体瓷介电容器； I类高压高功率瓷介电容器； 中高压瓷介电容器(包括I和II类)； 交流瓷介电容器(容量电压特性好的II类瓷作介质)； 片式瓷介电容器 2 云母电容器 综合性能极佳，也分为高功率和低功率两类,.有机介质电容器 .分类： 以天然纤维材料为介质(纸介电容器)； 以人工合成的高分子化合物为介质(聚丙烯膜介质)； 以复合材料为介质； B.优点： 电容量范围大，绝缘电阻(时间常数)大，工作电压高(范围宽)，温度系数互为偿，损耗角正切值小，适合自动化生产 C.缺点： 热稳定性不如无机介质电容器 化学稳定性差, 易老化 具有不同程度的吸湿性,.电解电容器 .结构：,B.分类： 按电解质形式：固体和非固体； 按介质材料性质或类别：钽电解和铝电解 按阳极电极形式：光箔电极、腐蚀箔电极等 按极性性质：有极性和无极性 按性能和用途：普通极和长寿命极 C.主要特点： 比电容大 体积小、质量轻 有自愈特性,5. 型号 由四个部分组成： 第一部分：主称 C(表电容) 第二部分：材料 (表低频瓷) 第三部分：分类： 数字 主要表外形 字母 主要表功能 第四部分：序号 例如：CCGI：高频高功率瓷介电容器 CJ3-400V-0.01-II：密封金属化纸介电容器 400V额定电压，0.01F电容量，允许误差为II级 (10%),四发展趋势 小型化、微型化、片式化 高性能化 3 组合化、集成化 例如： 独石电容器 将介质与电极烧结连成一体 双电层电容器 利用电极与电解质接触后,在其表面形成稳定而符号相反的双层电荷,称之为双电层,特点:容量提高3-4个数量级,具有电压记忆特性,比率体积特别小,但单元额定电压低.,五部分产品一览 1.电力电容器:SCH系列 大电流、高频谐振电容器可用于频率高达100 kHz，有效电压700 Vac，可采用风冷。 高有效电流处理能力，长寿命。,2. 黑金刚（NCC）全系列铝电解电容,3.固体钽电解电容器,4.云母电容器,电容量的计算,平行板电容器 C=0A/d A-面积; d-厚度 2) 管形电容器 C=b/(1.8ln(1+d/r1) (pF) b-长度, r1-管子内径, r2-管子外径, d=r2-r1,电容量的计算,3) 卷绕型电容器 由于双层介质材料卷绕,电容量将增加一倍, C=A/(1.8d) (pF) d=r2-r1 4) 电解电容器 金属氧化物膜与电极结合为一体,电极面积难以计算.没有简单的公式.,电容器的等效电路,Z1: 边电容器芯子. r1& L1: electrode Z2: 保护结构 R2, C2: protection medium r2, L2: leading part Z3: 引出部分 R3,L3: external leading part,电容器的介电强度,击穿电压的获得: Weibull distribution F(x)-cumulative failure at diff. x. 边沿击穿. 表面击穿,如空气,湿气等. 电离性老化击穿: 空气, 水气等成(物理性) 电解性老化击穿. (化学性) 缺陷的影响. PZT陶瓷: (kV/cm),电容器瓷料,1. 低介瓷(10): 莫来石(3Al2O32SiO2),滑石(3MgO4SiO2H2O),氧化铝等 2. 高介瓷(12200): 热补偿:金红石,碳酸钙;热稳定: 金红石+稀土氧化物,钛酸镁,锡酸钙,镁镧钛等. 3. 铁电瓷(40006000): 钛酸钡掺锶,铅,锆等. 4. 低温烧结独石电容器瓷料: 高稳定性:铌铋锌系,铌铋镁系;高介:铌镁酸铅等驰豫型铁电体. 5. 半导体瓷: 表面型: BaTiO3, (SrBa)(TiSn)O3; 晶界层: 施主参杂钛酸锶钡. 6. 高压电容器瓷: 钛酸锶等.,瓷介电容器工艺,1). 陶瓷工艺 称料混合球磨干燥过筛预烧磨碎过筛加粘合剂压片排胶烧结被电极烧电极测试. 2). 焊接 钎料: 锡基,锌基,铝基等 助焊剂: 松香 焊接方法: 电烙铁; 挑焊; 浸焊; 波峰焊; 红外焊; 电子束焊. 3). 防潮保护 被釉: 工艺与被银类似,但要高温处理,少采用 涂覆: 涂漆,如酚醛清漆,有机硅磁漆等 包封: 树脂,填料,固化剂,触变剂.,1.2 电阻器(第一节的第一至三小节) 一何谓电阻器：具有吸收电能作用的电子元件，可使电路中各元件按需要分配电能,稳定和调节电路中的电流和电压。 二主要参数 . 标称阻值和允许误差 标称阻值：常用标称阻值系列有E6(III级,20%)，12(II级, 10%)和E24(I级,5%)等系列 误差：实际容量与标称容量之差除以标称容量 不同系列具有不同的标称值，这些标称值乘以0.1,1,10,100,1000等可得到相应的阻值。应用时应按标称值系列选取。,. 额定功率 在正常大气压及额定温度条件下，电阻器长时间工作不损坏或不显著改变其性能时所允许消耗的最大功率。 一般：0.125W, 0.25W, 0.5W 少数大电流场合：1W, 2W, 5W 3. 额定电压 4. 噪声,三. 电阻器的类型与型号(一),四主要类型与特点 金属膜电阻器 薄膜电阻器 金属氧化膜电阻器 碳膜电阻器 A . 金属膜电阻器(沉积在玻璃或陶瓷基体上) 特点:稳定性高,噪声低,频率特性好. 真空蒸发膜电阻器: 性能优良,广泛用于电子仪器和通讯设备 化学沉积膜电阻器: 阻值低,经济,但膜层形成过程复杂,不易控制.,B . 金属氧化膜电阻器(沉积在玻璃或陶瓷基体上) 优点: 耐热性好 化学稳定性好 机械性能好 膜/基附着好,不易脱落 膜厚,稳定性高 缺点: 在潮湿空气中,电流电压下易还原 与其金属引线的接触电阻较大(半导体),C . 热分解碳膜电阻器(film) (沉积在陶瓷基体上,发展较早) 优点: 阻值范围宽 稳定性好 受电压和频率的影响很小 温度系数不大且是单值(负值) 工艺简单,2合金型电阻器 特点: 块状材料性质,不存在非线性和电流噪声 可达到高度稳定,温度系数很低 老化影响因素的影响很小 可用于大功率的电阻器 例如：精度 0.005%，温度系数 (115)10-6/oC 分类: 线绕电阻器 块金属膜电阻器 合成碳膜电阻器,A线绕电阻器 缺点: 高频性能差(50kHz以上)(原因：等效电路) 应力和应变影响电阻器的稳定性和均匀性 块金属膜电阻器 用电阻合金箔粘贴在绝缘基片上，然后用光刻方法腐蚀出图形 合成碳膜电阻器 性能不如薄膜型电阻器，但可靠性高(例如：型比RJ型高倍，比RT型高10 倍)，价格低，原料来源丰富，工艺简单 类型： 实芯电阻体 漆膜电阻体(coating),新品种电阻器 无帽结构电阻器 两端结构: 陶瓷基体/镍/引线(高温焊料) 棒体表面沉积碳或金属膜 激光刻槽方法刻槽 精度：0.1% B高频电阻器 减少电感：不刻螺纹槽，刻纵槽，刻无感槽 减少电容(免除介质损耗)：不涂保护层 小片式电阻器,电阻器的等效电路,1. 直流等效电路 R0-电阻体电阻, Rc-电阻体与引线之间的接触电阻,Ri-绝缘基体的分路电阻,Ri”-保护层的分路电阻,电阻器的等效电路,1. 交流等效电路 L-电阻体分布电感, C-电阻体分布电容,C0-引线之间的集总电容,引出线的电感,电阻器与底板等的杂散电容,电阻器的高频特性,非线绕电阻器的高频性能末端短路的传输线 (1). 高阻抗(RL),分布电感可忽略.等效电路为, Howe假定分布电容C是均匀的,即C=常数.则传输线的短路输入阻抗为, Z1=Z0th(leff)=R0th/. Z0=R/jC,传输线的特性阻抗; = jRC,传输系数; leff-传输线的有效长度; R0=Rleff, 直流电阻值; C=Cleff, 分布电容的总和,=CR045, 参数.,电阻器的高频特性,非线绕电阻器的高频性能末端短路的传输线 (1). 低阻抗(RL,1/C),分布电容可忽略.等效电路为, 上图左边可进一步简化为由集总参数R0=Pleff和L=Lleff相串联的等效电路, 阻抗为 Z1=R0+jL 电阻部分与频率无关, 电抗部分随频率升高而变大.,电阻器的高频特性,2. 线绕电阻器的高频性能 绕组有较大的电感和电容.其等效电路为, 电阻器的阻抗可表示为 当L/R0-CR00时阻抗是感性的,0时是容性的,0时是纯电阻的.,1. 电感器(第一节) 一何谓电感器：凡能产生电感作用的元件统称为电感器 二主要参数 . 电感量及其误差 电感量定义： 在没有非线性导磁物质存在的条件下，一个载流线圈的磁通量与线圈中的电流成正比，其比例系数称为自感系数，简称电感(单位：享利 H) 电感量的影响因素： 线圈的直径，线圈的匝数，绕制方式，磁芯材料(空心线圈的电感较小) 允许误差：振荡线圈：0.20.5% 耦合线圈(高频扼流圈)：1015%,. 线圈的品质因数 L/R(=2f-角频率) 不同的使用场合有不同的要求 固有电容 匝与匝之间，绕组与底板之间，屏蔽罩之间，多层绕组的层与层之间存在着分布电容，使值下降 采用蜂房绕法和分段绕法可减少高频线圈的分布电容 额定电流 线圈允许通过的电流 稳定性 线圈参数受温度，湿度和机械振动的影响程度,三类型 分类： 按工作特征：固定电感，可变电感 按磁导体：空气心，磁心 按结构： 单层，多层，蜂房式或特殊式线圈 有骨架，无骨架 带屏蔽，不带屏蔽 密封，不密封,主要类型： 固定电感器：电感小 可变电感器： 可大范围调节电感量(长棒状磁芯位置) 微调电感器：螺纹磁芯; 罐型磁芯;中频变压器 可调范围小 平面电感器：膜电感器, 在基片的金属平面螺线 天线线圈：电子管：空心式+可调磁芯 中波波段：多股漆包线绕在绝缘管上，成蜂房式 短波波段：较粗单股铜线， 在纸胶管或塑料骨架上绕成单层线圈 震荡线圈: 塑料骨架+铁氧体磁芯 阻流圈: 具有一定电感量的线圈, 滤波; 音频; 高频,四. 电感器的基本参数,电感量的计算 规则形状单匝线圈的电感量 L=2l(ln(4l/d)-F1)10-3 (H) l线圈周长 cm d导线直径, cm F1单匝线圈形壮系数(圆形为2.451),2. 单层柱形线圈的电感量 密绕: L=F2N2Dj10-3 (H) 间绕(N4圈时): L=F2N2Dj10-3-2Dj(K1+K2)10-3 (H) N线圈匝数 Dj线圈平均直径, cm F2线圈形状系数,与Dj/l有关 (可查手册),3. 多层线圈的电感量 L=F3N2D10-3 (H) F3-线圈形状系数 (可查手册) D线圈外径, cm 4. 环形线圈的电感量 空心圆截面环形线圈 L=2N2(D3-(D32-D02)10-3 (H),(2) 磁芯环形线圈 L=4N2S/D310-3 (H) D3=(D2-D1)/ln(D2/D1) (cm) 磁环有效磁路直径 S磁环截面积, cm2 圆形截面: S=D02/4 矩形截面: S=ah=(D2-D1)h/2 -磁环的初始磁导率, 可查手册,品质因数,Q=L/R =2f, 角频率 L线圈的电感量 R线圈的总损耗电阻(串联等效电阻) 高Q电感: 绝缘性能良好的材料做骨架 较粗镀银线或多股纹合线 间绕法或蜂房式绕法 线圈中加磁芯,1.4 表面组装三大元件(Surface Mounting components),一片式电阻器 矩形片式电阻器 矩形片式厚膜电阻器的结构：,工艺流程：,圆柱形片式电阻器 结构：,工艺流程：,3电阻网络 类型 DIP封装是双列直插封装。SOP封装是表面贴片封装,用作A/D,D/A转换电路, 及R/2R梯形网络, 分压电路,终端电路等,B小型扁平封装(SOP)型电阻网络(几种电路) (a) 独立电路; (b)并联电路; (c) 分压电路; (d) 终端电路,C芯片载体型电阻网络 制作在硅基片上，小而薄，适用于复杂电路，可高速贴装,D芯片阵列型电阻网络(阵列化的矩形电阻),4片式微调电位器 分为：敞开式电位器，只适用于再流焊接 密封式电位器，适用于再流焊和波峰焊 敞开式电位器结构示意图：,封闭式电位器结构示意图(密封薄膜片式)：,封闭式电位器结构示意图(密封剂密封式)：,二片式电容器 多层片式陶瓷电容器(MLC) 特点： A容量范围大(1pF100F)； B温度稳定性可调； C可达到较高耐压值(美国达5kV)； D金属外电极与陶瓷体有极强的附着力，不易受环境的影响，可靠性较高； EMLC的端电极为三层电极，内层为Ag电极，用烧渗法附在陶瓷基体上，中间为阻热的Ni电极，外层为Sn-Pb层电极，既有较好的可焊性，又有较好的耐焊接能力,MLC结构：,电极结构：,生产工艺：,2管式电容器 类型：I类陶瓷电容器 II类陶瓷电容器 III类陶瓷电容器(半导体陶瓷电容器) 分阻挡层型、氧化层型及晶界层型 结构：,工艺流程：,3片式铝电解电容器 外观：,工艺流程：,4片式钽电解电容器 结构模型：钽/氧化钽/二氧化