2022年10期 - 电子元件与材料

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2022年10期

研究与试制

Yb2O3掺杂对镁铝硅系微晶玻璃烧结和性能的影响
作者张平, 穆宁波, 李波.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1007-1013. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0128
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采用高温熔融法制备Yb2O3掺杂镁铝硅系微晶玻璃,探究了不同Yb₂O₃含量对镁铝硅系微晶玻璃的晶相组成、微观结构以及热学、力学、介电性能的影响,并借助烧结动力学模型和稳固度模型分别计算了烧结活化能和玻璃稳固度。结果表明,Yb₂O₃掺杂有利于a-堇青石的析出,从而降低了镁铝硅体系的热膨胀系数;Yb₂O₃能显著降低烧结活化能,促进烧结过程,使微观结构致密化,提升了力学性能;掺杂0.1%(质量分数)的Yb₂O₃可以降低玻璃的稳固度,使玻璃体系变得活跃,有利于晶相的析出,增加镁铝硅体系的结晶度。在950℃烧结下镁铝硅体系获得最佳性能:热膨胀系数为3.40×10^-6/℃;抗弯强度为182MPa;介电常数为6.18;介电损耗为1.9×10^-3。

等离子喷涂用硼化锆粉体的优化及控制研究
作者葛瑾, 张敏, 任思佳.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10):1014-1023. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0439
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由于其独特的化学键,ZrB₂具有高硬度、高熔点、高强度、高导电率和热导率等特性,被广泛应用于航空航天、核工业及超高速飞行器中的热防护领域,其中ZrB₂的热喷涂技术一直是其应用的关键。在热喷涂技术中,等离子喷涂在全世界热喷涂市场中占有量最大,其高性能涂层的制备技术一直是研究的热点,而实现该技术的关键在于需要依靠具有合适粒径、高球形度、高流动性的粉体。通常原始ZrB2粉末平均粒径较小,不具备良好的球形度和流动性,需要二次造粒以制得适合等离子喷涂使用的粉体。其中,喷雾造粒法是一种成熟的热喷涂粉末制备技术,适用于制备等离子喷涂用的ZrB₂粉体。本文针对等离子喷涂用ZrB2粉末的制备,引入了新的材料组分,系统研究了粘结剂的种类、粘结剂含量、喷头转速三个参数对粒径、形貌、真实密度和流动性的影响。研究结果表明,将质量分数为40%~50%ZrB₂微粉、45%~50%去离子水、4%~6%的聚乙烯亚胺(PEI)、8‰的柠檬酸铵加入罐磨机中球磨,

原位合成纳米银线-还原氧化石墨烯复合材料研究
作者周志敏, 黎思杏, 陈佳丽, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1024-1029. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0070
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采用改进的多元醇法,以氧化石墨烯(GO)作为石墨烯前驱体,硝酸银(AgNO₃)为银源,聚乙烯吡咯烷酮为表面修饰剂,三氯化铁为抑制剂,乙二醇为溶剂和还原剂,在溶剂热条件下原位合成纳米银线(AgNWs)-还原氧化石墨烯(RGO)复合材料,研究反应溶液中GO∶AgNO₃质量比、反应温度和时间对合成产物形貌的影响,并对AgNWs-RGO复合材料的形成机理进行了分析。研究表明:当反应溶液中GO∶AgNO₃质量比在1∶98.5~1∶32.4内,产物以AgNWs-RGO复合材料为主;当反应溶液中GO∶AgNO₃质量比在1∶15.7~1∶7.3内,产物以银纳米颗粒和RGO复合材料为主;随着反应温度从150℃增加到170℃,产物中纳米银颗粒增多,纳米银线的平均长度减小;随着反应时间从3h延长到5h,产物中纳米银线的平均长度减小,数量增多。当反应溶液中GO∶AgNO₃质量比为1∶63.5时,溶液在160℃反应3h,产物主要是AgNWs-

NrGO-RuO2复合正极对有机电解液锂空气电池性能影响研究
作者罗明浩, 李强, 孙红.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1030-1037. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0160
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动力电池作为新能源汽车最重要的部分之一,它的容量直接决定了新能源汽车续航里程的长短。随着新能源汽车的普及,具有高能量密度的锂空气电池成为了目前的研究热点之一。而高性能的空气正极对提升锂空气电池电化学性能至关重要。采用水热法制备氮掺杂石墨烯/二氧化钌(NrGO-RuO₂)复合正极,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和氮气(N₂)等温吸-脱附等测试对其晶体结构、元素组成、表面形貌和孔隙结构进行分析,并通过恒流定容充放电、深度放电、电化学交流阻抗图谱等测试分析其对锂空气电池性能的影响。研究表明:与rGO和rGO-RuO₂复合正极相比较,NrGO-RuO₂复合正极具有较高的循环、深度放电性能和较低的电荷转移阻抗。装配NrGO-RuO₂复合正极的锂空气电池,循环次数达到90次,放电深度达到4309mAh/g,电荷转移阻抗为39.27Ω·cm²。

一种厚膜片式电阻器抗硫化性能的快速评价方法
作者廖云鹏, 凌志远.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1038-1044. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0042
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为快速评价厚膜片式电阻器的抗硫化性能,提出了一种新方法。该方法以硫脲为硫源,将样品浸入一定温度的硫脲水溶液中,测试浸入前后的电阻变化率并进行评价。与目前以硫化氢、硫磺等为硫源的方法相比较,该方法在评价速度、环保性、安全性、操作便利性等方面具有明显优势。以银电极样品和抗硫化厚膜片式电阻器为对象,硫脲和硫化氢为硫源,做了两组对照实验,结果表明,硫脲溶液法的评价速度至少是传统硫化氢法的8倍。

一种用于非线性忆阻模型的通用窗函数特性研究
作者杨宁宁, 何佳婧, 吴朝俊, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1045-1052. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0138
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忆阻器作为一种新型纳米级电子器件,被广泛应用于逻辑编程电路、存储器及神经形态系统中,因此建立恰当的、逼真的忆阻模型便成为进行忆阻相关研究的重要基础。为了更加精确地模拟实际忆阻设备的特性,提出了一种通用型窗口函数,基于Matlab平台对其特性进行了分析。仿真结果表明:相比于现有的其他窗函数,本文提出的窗口函数不仅克服了边界效应、边界锁定等缺点,还实现了非线性漂移、线性与非线性模型之间的转换等功能,同时在灵活性和可调整范围方面有了较大提升。特别地,通过对参数的调整可以获得两种不同变化速度的曲线,以此实现对真实忆阻设备更为精细的拟合。

单粒子辐射导致的VDMOS体二极管反向I-V曲线蠕变现象研究
作者吴玉舟, 李泽宏, 李陆坪, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1053-1059. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0044
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单粒子辐射后,VDMOS器件体二极管反向I-V曲线发生蠕变的特殊失效现象被首次观察到。室温下,当VDMOS的栅极浮空,漏极电压加到一定值时(远低于VDMOS击穿电压),漏电流增大,体二极管I-V曲线开始漂移并最终稳定,形成电阻型曲线。通过测试VDMOS器件及其体二极管辐射后的电参数,分析漏电流的产生原因,研究体二极管反向I-V曲线发生蠕变现象的失效机制,并提出基于界面态、中性空穴陷阱,包括空穴激发、多级空穴俘获和能带隧穿机制的空穴迁移模型。基于该模型给出了单粒子辐射导致的VDMOS体二极管漏电流的表达式。此外,通过温度实验和漏极应力实验来验证空穴迁移模型。

20nm金属氧化物半导体场效应晶体管的噪声特性分析
作者贾晓菲, 魏群, 崔智军, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1060-1065. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0081
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传统短沟道的纳米MOSFET噪声主要为受抑制的散粒噪声,其次为热噪声;在建立器件的噪声模型时,并没有考虑栅极噪声源与源极噪声源二者之间的电荷耦合,其耦合效应会形成互相关噪声。实验测试了20nmMOSFET的噪声,结果分析得到短沟道MOSFET的噪声主要为散粒噪声、热噪声和互相关噪声。其次,根据MOSFET的器件物理结构及特性推导了纳米MOSFET的互相关噪声公式。在此基础上,比较受抑制的散粒噪声、热噪声和互相关噪声随沟道长度、温度、源漏电压和栅极电压的变化关系,所得结论有助于提高MOSFET器件的工作效率、可靠性及寿命。

一种高速轨到轨输出差分放大器设计
作者范国亮, 黄治华, 何峥嵘, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1066-1071. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0046
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随着电子系统对功耗和电源电压的要求日益严苛,传统差分输出放大器的输出幅度、速度和驱动能力等受到严重限制。针对该问题,提出了一种高速轨到轨输出差分放大器。通过采用“H”桥结构,在有限的功耗下可以实现大带宽和压摆率;采用静态电流精确可控的AB类输出级,实现了接近轨到轨的输出幅度和大输出驱动能力;采用三级放大结构实现100dB以上的高增益;嵌套式密勒(NestedMiller)频率补偿保证了系统的稳定性,共模反馈电路则设置了合适的静态工作点保证电路可以正常工作。测试结果表明,提出的高速轨到轨输出差分放大器实现了0.5mV量级的输入失调电压,0.2~4.8V的输出幅度,400MHz的-3dB带宽和1300V/μs的压摆率。

一种基于电流叠加型无损电流检测的升压型变换器
作者许亦云, 张利红, 阴亚东.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1072-1077. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0054
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为了满足便携式电子产品的需求,设计了一种电流叠加型无损电流检测器和基于该检测器的升压型变换器。该电流检测器采用并联于电感两端的RC网络将电感电流转换成电压信号而实现电流的无损检测,利用电压-电流转换电路将检测电压和斜坡补偿电压转换为电流进行叠加并转换成电压作为最终检测结果。与现有电流检测器相比,该电流检测器具有结构简单、功率损耗小、精度高、响应速度快等优点。基于SMIC0.18μmCMOS工艺完成了整体电路设计和版图参数提取后仿真验证。后仿真结果显示,当电感电流在0~600mA范围内变化时,电流检测器检测误差小于2.9%,功耗仅为0.05mW;当输入电压为3V时,在100mA输出电流下变换器转换效率可达92%,负载调整率和线性调整率分别为0.51%和0.23%。

Q波段宽带功率合成倍频器的设计
作者乔欣然, 刘敬, 陈振华.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1078-1084. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.1864
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提出了一款输出频率覆盖整个Q波段的高功率固态有源四倍频器模块。倍频器基于混合集成电路技术实现,采用有源二倍频—功率放大—功率分配—无源二倍频—功率合成的拓扑结构。在前级采用基于悬置带线的180°反相器进行功分器设计,以实现宽带性能以及结构紧凑性。在无源二倍频时,采用两个分立的MA4E1310肖特基二极管组成非平衡倍频结构获取其二次谐波,并通过波导双探针进行合成输出,以此突破单个二极管的功率容量制约,进而提高倍频输出功率。测试结果表明,固态倍频源模块在5.5V/0.9A的直流偏置以及5dBm的输入功率下,可以在33~50GHz全波导频率范围内获得15~19dBm的输出功率。

一种K波段小型化MIMO天线设计
作者南敬昌, 韩欣欣, 高明明, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1085-1092. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0378
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针对K波段微带天线具有体积小、方向性好等优势,设计了一款小型化多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)天线。通过对辐射贴片切角、接地板刻蚀缺陷地结构,保证天线小型化的同时拓宽带宽;通过在接地板加载多开口槽矩形寄生单元,降低中低频处耦合,刻蚀互补开口谐振环(ComplementarySplit-RingResonator,CSRR),在固定频点处产生谐振,隔离度有效提高。利用三维电磁仿真软件和矢量网络分析仪分别对该天线进行仿真与实测,结果表明:天线整体尺寸极小,仅为15mm×24mm×0.8mm,天线在17~27.2GHz(相对带宽达到46.2%)工作频段内S₁₁≤-10dB,S₂₁≤-18.3dB,包络相关系数ECC小于0.001。天线特性良好,可广泛应用于无线通信、射频识别及民用雷达等领域。

基于Tip-Loading与锥形Meander T-Match的小型化全向标签天线设计
作者刘晓毅, 贺君, 邓永和.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1093-1098. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0040
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针对现有超高频射频识别(UHF-RFID)天线存在尺寸偏大以及因全向性差而读取不稳定的问题,通过设计锥形折叠T型匹配(MeanderT-Match)和对称Tip-Loading结构,能将天线尺寸小型化至36mm×30mm×1.6mm,并达到增大E面波瓣宽度与天线增益的目的,设计了小型化全向标签天线。仿真结果表明,谐振频点为923MHz时天线反射系数S₁₁为-36.5dB,该频点处增益可达1.71dB,有效工作带宽覆盖863~936MHz(S₁₁<-10dB)且辐射全向性优异。采用差分探针测试法测试天线反射系数S₁₁,结果与仿真数据比较吻合,验证了天线阻抗匹配良好。在高增益和宽工作带宽下,小型化和优异的全向性使该天线具有潜在应用前景。

一种方向图可重构圆极化阵列天线的设计
作者陈梦玉, 孙虎成.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1099-1107. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0114
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为了实现天线波束的灵活重构和调控,提出了一种方向图可重构圆极化阵列天线。阵列天线选用L型探针耦合馈电以拓宽阻抗带宽和圆极化轴比带宽,并基于提出的相位变换器设计输出端口间相位差可调的馈电网络。通过控制馈电网络中相位变换器上各PIN二极管工作状态,实现了天线的主辐射波束指向在+40°,+15°,-15°和-40°角度间切换。实测结果表明,该阵列天线在四种工作状态下的重叠阻抗带宽约为22%(2.2~2.74GHz),重叠轴比带宽约为12.2%(2.33~2.62GHz),且圆极化峰值增益为6.48dBi。

不同表面活性剂对铜互连阻挡层CMP一致性的影响
作者魏艺璇, 王辰伟, 刘玉岭, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1108-1113. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0140
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为实现铜互连阻挡层化学机械抛光的高平坦化,研究了阻挡层抛光液中表面活性剂的作用。在抛光液中分别添加非离子型表面活性剂异辛醇聚氧乙烯醚(JFC-E)、本课题组研发的Ⅱ型活性剂以及复合表面活性剂,研究其对阻挡层CMP中铜和正硅酸乙酯(TEOS)去除速率及一致性的影响。实验结果表明,表面活性剂不仅可以改善Cu和TEOS的去除速率一致性和晶圆全局一致性,还可以降低铜表面的粗糙度,通过复配两种不同的表面活性剂,可以提高Cu和TEOS的去除速率,使Cu和TEOS的剩余厚度片内非均匀性(WIWNU)分别降低至1.39%和1.38%,铜表面粗糙度从5.25nm降至1.51nm。基于实验结果,研究并提出了表面活性剂影响抛光液润湿性,从而改善片内非均匀性和铜表面质量的机理。

电流密度对电-热耦合下微焊点界面形貌的影响
作者张宁, 周晖淳, 储杰, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1114-1118. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.1805
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针对电子封装器件中Cu/焊料/Ni焊点结构的电-热耦合效应问题,通过回流焊工艺制备Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni微焊点,在焊点电-热耦合实验平台上进行了四种电流密度下的热电应力实验。采用SEM和EDS研究了电流密度对电-热耦合下微焊点界面形貌的影响,探讨了阴极和阳极两侧电迁移行为以及IMC层生长机制。结果表明,当电子从阴极Cu端流向阳极Ni端时,在电子流的作用下Cu原子的移动速度加快,并阻碍阳极界面Ni原子流向Cu端。单纯热时效状态下,阳极和阴极界面厚度增长缓慢,而高电流密度下则快速增厚。无电流时,阳极端生成(Cux,Niy)₆Sn₅的驱动力来源于Cu、Ni两端之间的温度梯度和浓度梯度;当电-热耦合产生效应时,相对于温度梯度和浓度梯度,电流应力逐步起主导作用,改变了阴极和阳极界面IMC层的主生长机制。

陶瓷基板表面金属层结合强度测试与失效分析
作者王永通, 王哲, 刘京隆, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1119-1124. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0146
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为了评估电子器件封装质量与可靠性,需要准确测量直接镀铜陶瓷基板(DPC)表面金属层与陶瓷基片间的结合强度。采用拉伸法对DPC陶瓷基板表面金属层结合强度进行了测试,分析了测试后基板断裂面的微观形貌与基板横截面元素组成。结果显示:以金属层面积作为受力面积计算强度时,所得平均拉伸强度为12.13MPa;测试中基板断裂位置均为金属层下方陶瓷内,断裂面形貌符合陶瓷脆性断裂特征;基板横截面微观形貌及EDS能谱分析表明,过渡层金属钛(Ti)向陶瓷侧和铜侧发生了扩散,提高了金属与陶瓷间结合强度,同时陶瓷内部存在孔洞缺陷,受到外界拉力时易产生裂纹而出现脆性断裂。研究结果表明,DPC陶瓷基板金属与陶瓷间结合强度较高,基板最薄弱部位为金属层下方的陶瓷。

技术与应用

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热处理对钽芯及钽电容器电性能的影响
作者郑传江, 潘齐凤, 胡鑫利, 等.
来源电子元件与材料, 2022, 41(10): 1125-1132. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.1609
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在实际使用过程中,钽电容器常因电容量、损耗和漏电流发生漂移而失效。为了改善钽电容器的电性能稳定性,系统研究了在空气环境中热处理对形成后的钽芯及钽电容器电性能的影响。采用阳极氧化法在烧结后的钽块表面形成Ta₂O₅介质氧化膜,然后对阳极钽芯进行热处理。研究结果表明:热处理对钽芯的击穿电压和漏电流传导机理无明显影响;热处理后的钽芯表面Ta₂O₅介质氧化膜的微观形貌未发生明显变化;经过适当热处理且补形成后的阳极钽芯的漏电流及所制备的钽电容器电容量稳定性、损耗和漏电流均得到了明显改善;合适的热处理工艺为300℃/45~60min。

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《电子元件与材料》变更事项公告
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2025年度航天先进材料协同创新交流会论坛约稿函（第一轮）
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