Однослойный конденсатор с бортиком 220 пФ 50 В с низким ESR, керамический COG для диапазона Ku Ka

Техническое резюме по высокочастотным технологиям

ХАСС221С15В500представляет собой высоковольтный ультраминиатюрныйОдносторонний однослойный керамический конденсатор с окантовкой (SLC)Разработан для широкополосной блокировки постоянного тока, радиочастотной связи и обходной фильтрации СВЧ в высоковольтных гибридных микросхемах, работающих в диапазонах Ku, K и Ka. Доставка220 пФ ±10%емкость сповышенный постоянный ток 50 В постоянного токаиНапряжение пробоя >125 В (номинальное 250 %), этот конденсатор упакован в15 мил × 15 мил (0,38 мм × 0,38 мм)занимаемую площадь со сверхнизким профилем0,15 мм (6 мил). Разработан для надежной работы отот 0,5 ГГц до 40,0 ГГцВ микроволновых диапазонах от УВЧ до Ka, HACC221S15V500 специально создан для развязки стокового смещения усилителя мощности GaN-on-SiC HEMT, спутниковых фильтров полезной нагрузки LEO/MEO, радиолокационных модулей с фазированной решеткой и инфраструктуры 5G mmWave, гдеОдновременно требуются рабочее напряжение 50 В с запасом пробоя >125 В и SRF миллиметрового диапазона..

Изготовлено сУльтрастабильный керамический диэлектрик класса I COG/NPO (C0G/NP0)Этот конденсатор, оптимизированный как для высокой диэлектрической прочности (>50 В/мкм), так и для температурной стабильности класса I, сохраняет емкость в пределах ±0,3% в диапазоне от -55°C до +125°C.сверхнизкая эквивалентная последовательная индуктивность (ESL <35 pH)— достигается за счет однослойной коаксиальной геометрии электрода — поднимает собственный резонанс первой серии выше 25 ГГц, обеспечивая чистый, безрезонансный обход и блокировку постоянного тока во всем Ku-диапазоне (12–18 ГГц), K-диапазоне (18–27 ГГц) и в Ka-диапазоне (27–40 ГГц) при установке перевернутого кристалла.односторонняя окантовочная архитектуракерамическая изолирующая кромка вокруг верхнего золотого электрода предотвращает подъем токопроводящей эпоксидной смолы во время крепления матрицы. Основные характеристики электродовTiW-Au с содержанием золота минимум 4,0 мкмдля соединения тяжелых проводов. Нижний электрод используетTiW-Pt-Auс диффузионным барьером из платины (Pt), который полностью нерастворим в эвтектическом припое AuSn, что исключает проблемы с удалением золота во время высокотемпературной сборки оплавлением.

Ключевые преимущества производительности

Сверхнизкое ESR/ESL и высокая собственная резонансная частота — однослойная коаксиальная архитектура

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) достигают высокой емкости за счет наложения чередующихся слоев электродов, но каждый внутренний электрод добавляет и то, и другое.омическое сопротивление(за счет тонких никелевых электродов) ипаразитная индуктивность(от змеевидного пути тока через переходные отверстия). HACC221S15V500 устраняет оба источника потерь благодаря своейоднослойная коаксиальная структура: ток течет прямо от верхней контактной площадки Au через диэлектрик COG/NPO к нижней заземляющей пластине Au — длина пути всего0,15 мм.

• ESR <0,15 Ом на частоте 1 ГГц:На порядок ниже, чем у 0402 COG MLCC эквивалентной емкости (0,5-1,5 Ом). В сети согласования выходного сигнала усилителя мощности Ku-диапазона (14 ГГц) это 10-кратное снижение ESR напрямую преобразуется вНа 0,5–1,0 дБ ниже вносимые потериза каждый соответствующий элемент. В 4-ступенчатой ​​ПА Доэрти с несколькими согласующими и обходными элементами совокупное улучшение ПАЭ превышает 2–3 процентных пункта.
• ESL <35 pH:По сравнению с pH 300-600 для MLCC 0402. Однослойный коаксиальный путь тока не имеет внутренних переходных отверстий, краев электродов и змеевидной трассы — только прямой вертикальный путь через диэлектрик. Для блокирующего конденсатора постоянного тока это означает, чтосаморезонанс первой серии возникает выше 25 ГГц, что более чем в 10 раз выше, чем у эквивалентного MLCC (2–4 ГГц).
• SRF >25 ГГц (проводное соединение), >35 ГГц (перевернутый чип):Собственная резонансная частота — это частота, на которой емкостное реактивное сопротивление равно индуктивному реактивному сопротивлению — выше SRF конденсатор ведет себя как индуктор. При SRF >25 ГГц HACC221S15V500 обеспечиваетистинное емкостное поведениево всем Ku-диапазоне (12–18 ГГц) и в K-диапазоне (18–27 ГГц). Для работы в Ka-диапазоне (27–40 ГГц) установка перевернутой микросхемы (Cu UBM с выступами под припой SnAg доступна по запросу) снижает ESL до <25 pH, расширяя SRF за пределы 35 ГГц.
• Поведение линии передачи:Ниже SRF SLC ведет себя как почти идеальный элемент последовательной связи с S21 (вносимые потери) <0,2 дБ в диапазоне 20 ГГц и S11 (обратные потери) <-20 дБ — практически прозрачен для тракта радиочастотного сигнала, обеспечивая при этом полную изоляцию по постоянному току.

Высокое напряжение пробоя и надежность TDDB — запас по напряжению в 2,5 раза, срок службы >10 лет

В сетях смещения стока усилителя мощности на основе GaN и распределении мощности полезной нагрузки спутника блокировочный конденсатор постоянного тока должен выдерживать не только номинальное рабочее напряжение (обычно 28–50 В для GaN), но ипереходные процессы напряжения, отражения от несоответствия нагрузки и пульсации питания— все при повышенной температуре перехода, приближающейся к 125°C. HACC221S15V500 разработан с консервативным подходом.2,5× запас по снижению номинальных характеристик: номинальное напряжение 50 В, пробой >125 В, 100% тестирование.

• Постоянное напряжение 50 В:Удовлетворяет потребности шин распределения питания 28 В (воздушные), 48 В (телекоммуникации) и 50 В (сток GaN HEMT) с соответствующим запасом. Стандартных конденсаторов на 16–25 В для этих приложений недостаточно — они требуют снижения номинальных характеристик устройств как минимум в 2 раза до номинального напряжения 32–50 В.
• Пробой >125 В (номинал 250%):Каждый кристалл проходит 100% производственное тестирование при 125 В постоянного тока (выдержка 5 секунд), чтобы гарантировать диэлектрическую целостность. Запас в 2,5 раза превышает стандартную практику снижения номинальных характеристик в 2 раза, рекомендованную MIL-PRF-55681 и NASA EEE-INST-002 для керамических конденсаторов космического класса.
• Срок службы TDDB >10 лет при 50 В, 125°C:Зависимый от времени пробой диэлектрика (TDDB) является доминирующим долговременным механизмом изнашивания керамических конденсаторов, работающих при высоком смещении постоянного тока и температуре. Под постоянным напряжением электрического поля и повышенной температурой дефекты атомного масштаба в диэлектрической решетке медленно накапливаются и растут, пока не образуют путь перколяции — проводящую нить, которая замыкает электроды. Диэлектрик COG/NPO HACC221S15V500 был охарактеризован с использованиемтестирование TDDB при постоянном напряжении согласно JEDEC JESD92в ускоренных условиях (повышенное напряжение и температура) и прогнозируется на срок >10 лет при 50 В/125°C с использованием E-модели (модель термохимического распада). Данные о распределении срока службы Weibull, коэффициенты ускорения и отчеты об испытаниях TDDB доступны квалифицированным клиентам в соответствии с соглашением о неразглашении.
• Нет разбивки по одному событию:Однослойная геометрия электрода без краев устраняет эффекты на внутренних краях электрода, при которых в MLCC возникает скопление электрического поля. В MLCC пробой постоянно начинается на внутренних краях электрода, где напряженность поля может быть в 3-5 раз выше, чем в объемном диэлектрике. Коаксиальная геометрия HACC221S15V500 обеспечиваетравномерное распределение электрического поля, максимизируя собственную пробойную прочность диэлектрика.

Ультраминиатюризация и низкий профиль — номинальное напряжение 50 В при занимаемой площади 15 мил

HACC221S15V500 достигаетНоминальное напряжение 50 В в корпусе 0,38 × 0,38 × 0,15 мм.— объемная плотность мощности, с которой не может сравниться ни один многослойный керамический конденсатор. Это обеспечиваетсязапатентованная формула керамики с высоким содержанием K COG/NPOкоторый одновременно обеспечивает температурную стабильность класса I, диэлектрическую прочность >50 В/мкм и достаточную диэлектрическую проницаемость для достижения 220 пФ на площади 15 мил. Однослойная коаксиальная геометрия устраняет необходимость во внутренних электродах, переходных отверстиях и краевых областях, которые занимают объем, не увеличивая емкость в конструкциях MLCC.

• Занимаемая площадь 15 млн по сравнению с 0402 MLCC:HACC221S15V500 занимает 0,14 мм² против 0,50 мм² у 0402 —Уменьшение площади в 3,6 раза. В 64-элементной фазированной решетке Ka-диапазона с 2 блоками постоянного тока и 2 байпасными конденсаторами на элемент (всего 256 конденсаторов) экономия площади платы превышает 90 мм² — этого достаточно для добавления двух дополнительных GaN PA MMIC на каждую панель.
• Высота 0,15 мм против 0,50 мм у 0402:Уменьшение высоты в 3,3 раза позволяетболее тонкие профили модулей, что имеет решающее значение для конформных фазированных решеток, полезной нагрузки БПЛА и портативных радиостанций, где высота Z сильно ограничена толщиной шасси.
• Интеграция на уровне кристалла:В отличие от SMD MLCC, которым требуются контактные площадки, переходные отверстия и трассировка печатной платы (каждая из которых добавляет 200–400 pH паразитной индуктивности), HACC221S15V500 интегрируется непосредственно в носитель MMIC или герметичную гибридную подложку, сводя к минимуму путь межсоединений для<100 мкм из связующего провода Au 25 мкм (дополнительная ESL pH <50).
• Односторонняя окантовка:Керамический край верхнего электрода физически содержит проводящую эпоксидную смолу во время прикрепления матрицы, что позволяетполностью автоматизированная высокоскоростная сборкабез риска возникновения дефектов короткого замыкания, от которых страдают конструкции безрамочных конденсаторов. Никакой ручной доработки, никакой потери производительности из-за эпоксидного мостика.

Комплексная таблица параметров

Сравнительная техническая матрица: HACC221S15V500 и отраслевые альтернативы для РЧ-байпаса 50 В

Проектирование тонкопленочной металлизации

В HACC221S15V500 используетсяасимметричная, высоконадежная система тонкопленочной металлизации методом вакуумного напылениякоторый независимо оптимизирован для верхнего (проводное соединение) и нижнего (присоединение кристалла) интерфейсов:

Руководство по проектированию и сборке S-параметров для интеграции миллиметрового диапазона волн

Epotek H20E Проводящая серебряная эпоксидная смола СОП

• Клей:Epoxy Technology H20E (или эквивалентная проводящая эпоксидная смола с наполнителем серебра).
• Дозирование:2-5 нл на штамп с использованием пневматического микродозатора. Керамический край с односторонней окантовкой на верхнем электроде физически содержит избыток эпоксидной смолы, предотвращающий капиллярное проникновение к золотой площадке.
• Размещение:Усилие цанги <50 гс с совместимым наконечником. Проверьте выравнивание матрицы в пределах ± 25 мкм с помощью автоматизированной системы технического зрения.
• Отверждение:120°C/30 мин (стандартный) или 150°C/15 мин (быстроотверждаемый). Скорость изменения <10°C/сек. Естественное охлаждение до температуры окружающей среды перед соединением проводов.

Параметры соединения золотой проволоки

• Проволока:Проволока толщиной 0,7–1,0 мил (18–25 мкм) с содержанием золота 99,99%.
• Соединение клином:20-35 гс, ультразвук 60-100 мВт, 20-50 мс, стадия 120-150°С.
• Соединение шариков:15-30 гс, ультразвук 40-80 мВт, 10-30 мс, стадия 150°С.
• Клиренс:Точка приземления клея должна находиться на расстоянии ≥25 мкм от края золотого электрода (керамической границы).
• Осмотр:50× оптический. Отбраковывайте соединения с деформацией контактной площадки >25 %, видимыми кратерами или расположением соединений в пределах 25 мкм от края электрода.

Вариант сборки перевернутого чипа (для оптимизации Ka-диапазона)

• УБМ:Химическим способом Ni/Au или Cu UBM с выступами припоя SnAg (для получения информации о вариантах с возможностью установки флип-чипа свяжитесь с заводом-изготовителем).
• Снижение ESL:Установка перевернутой микросхемы устраняет индуктивность соединительного провода, снижая общий уровень ESL до <25 pH и увеличивая SRF до >35 ГГц.
• Недополнение:Капиллярное заполнение рекомендуется для обеспечения надежности при термоциклировании. Выбирайте недостаточное заполнение с низкими потерями и низким Dk (<3,5 при 40 ГГц), чтобы минимизировать диэлектрические потери миллиметрового диапазона.
• Модели S-параметров:Два порта .s2p для передачи данных (100 МГц–40 ГГц) доступны как для проводных конфигураций, так и для конфигураций с перевернутой микросхемой в соответствии с соглашением о неразглашении.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Как HACC221S15V500 достигает номинального напряжения 50 В и 220 пФ при занимаемой площади 15 мил — есть ли компромисс?

Существует намеренный компромисс между дизайномноминальная емкость и напряжениена платформе 15 мил. В HACC221S15V500 (220 пФ/50 В) используется немного более толстый диэлектрический слой COG/NPO по сравнению с вариантом 330 пФ/25 В, при этом некоторая плотность емкости заменена на более высокую диэлектрическую прочность. Емкость обратно пропорциональна толщине диэлектрика (C = εε₀A/d), при этом напряжение пробоя масштабируется линейно (В_БД= Е_БД× г). Это намеренный выбор дизайна:220 пФ — это максимальная емкость, достижимая при номинальном напряжении 50 В на площади 15 мил.используя текущую формулу COG/NPO, сохраняя при этом запас пробоя в 2,5 раза (> 125 В DWV). Для приложений, требующих более высокой емкости при более низком напряжении, доступен HACC331S15V250 330 пФ / 25 В с той же занимаемой площадью 15 мил.

Вопрос 2: Что делает TDDB (зависимый от времени пробой диэлектрика) критическим показателем надежности для конденсаторов космического класса и как подтверждается срок службы >10 лет?

ТДДБ – этодоминирующий долгосрочный механизм отказадля керамических конденсаторов, работающих при высоком постоянном смещении и повышенной температуре — точно такие же условия в распределении мощности полезной нагрузки спутников и в сетях смещения стока GaN PA. В отличие от мгновенного тестирования (тестирование DWV), которое выявляет грубые дефекты, TDDB представляет собойявление изнашивания: под постоянным напряжением электрического поля при высокой температуре вакансии кислорода атомного масштаба в решетке COG/NPO мигрируют, накапливаются в местах дефектов и в конечном итоге образуют проводящую перколяционную нить, которая закорачивает электроды. Этостатистический процесс— устройства из одной и той же партии пластин будут выходить из строя в разное время в соответствии с распределением Вейбулла.

Методика проверки: Диэлектрик HACC221S15V500 характеризуется использованиемтестирование TDDB при постоянном напряжении согласно JEDEC JESD92. Несколько групп конденсаторов подвергаются воздействию повышенного напряжения (75 В, 100 В, 125 В) и температур (125°C, 150°C, 175°C) вплоть до пробоя. Времена отказов соответствуют распределению Вейбулла, аE-модель (модель термохимического распада)используется для извлечения коэффициента ускорения поля (γ) и тепловой энергии активации (E_а). Эти параметры затем используются для прогнозирования срока службы в условиях использования (50 В, 125°C). Прогноз >10 лет при 50 В/125°C основан наноль отказов в ускоренных условияхс 90% доверительной границей. Полные квалификационные отчеты TDDB с графиками Вейбулла, коэффициентами ускорения и параметрами электронной модели доступны в рамках NDA.

Вопрос 3. Для фазированных решеток спутниковой связи Ka-диапазона (27–40 ГГц) следует ли использовать проводную сборку или сборку с перевернутым кристаллом?

ДляРабота в Ka-диапазоне (27–40 ГГц), настоятельно рекомендуется сборка с перевернутой микросхемой. Обоснование: на частоте 35 ГГц индуктивное сопротивление соединительного провода с pH 50 составляет примерно j11 Ом, что сравнимо с емкостным реактивным сопротивлением конденсатора емкостью 220 пФ (-j21 Ом на частоте 35 ГГц). Эта дополнительная индуктивность смещает эффективную SRF вниз и вносит частотно-зависимый сдвиг фазы, что усложняет калибровку формирования диаграммы направленности фазированной решетки. Монтаж перевернутого чипа полностью исключает использование соединительного провода, снижая общий уровень ESL до <25 pH и повышая эффективный SRF до >35 ГГц, что обеспечивает чисто емкостное поведение во всем Ka-диапазоне. Для приложений Ku-диапазона (12–18 ГГц) и K-диапазона (18–27 ГГц) проволочное соединение вполне достаточно при SRF >25 ГГц. Свяжитесь с нашей командой разработчиков для получения данных сравнения S-параметров обеих конфигураций сборки на вашей конкретной рабочей частоте.