2024年6期 - 电子元件与材料

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2024年6期

综述与评论

忆阻器发展现状与标准化展望
作者徐晨, 唐双柱, 张建锋, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 631-643. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0002
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忆阻器是一种能够实现非易失性存储的新型半导体器件,具有高密度、低功耗、高速度和高可靠性等优点,可用于高密度信息存储、智能计算和类脑人工智能等重大战略领域。近年来,忆阻器的学术研究和产业发展取得了瞩目的成绩,但其标准化工作尚处于起步阶段,缺少统一的标准来定义与评估核心参数指标,给设计、制造、测试和应用带来了困难和不确定性。为了推进忆阻器领域标准化工作的发展,从忆阻器的基本概念与阻变机制出发,梳理了忆阻器材料体系与应用领域的研究进展,重点分析了忆阻器性能测试与评估的现状和挑战,最后对忆阻器领域的标准化现状和趋势进行了总结和展望。

面向极端环境的石墨烯人工表面等离激元天线阵
作者祖浩然, 吴边, 何大平.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 750-756. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1591
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面向极端环境中的通信与探测需求,提出一种石墨烯人工表面等离激元天线阵。该天线采用高导电石墨烯薄膜材料制成,结构形式为人工表面等离激元。其中,人工表面等离激元电磁结构分为传输段与辐射段,传输段用以实现显著的慢波特性与场局域性,进而获得低剖面与小型化;辐射段用以实现高定向性的端射辐射,并进行方向图合成。高导电石墨烯薄膜使天线拥有多种物化环境下的耐受性。经仿真与实测验证,天线整体剖面为50μm,在1000次弯折试验、-200~200℃高低温试验、酸性试验、碱性试验、盐雾试验的极端条件试验后,能够提供5.5~6.5GHz频段范围内S₁₁参数小于-10dB良好的阻抗匹配,工作带宽内峰值增益为9.3dBi。

HFO2铁电体薄膜移相器设计
作者李江, 常明超, 张义, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 743-749. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0143
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移相器作为阵列天线的关键部件,用来调整阵列天线中各个天线单元之间的相位差,从而实现波束的扫描。基于传输线周期性加载可变电容理论,设计了一款工作于K波段的HFO2铁电薄膜移相器。为了实现低插损和紧凑型,该移相器采用HFO2铁电体薄膜材料,相比传统的BST材料,其有着更大的调谐率、厚度更薄且损耗角正切更低,容易集成,同时结合共面波导叉指电容结构设计,该移相器有非常紧凑的尺寸。通过改变HFO2铁电材料的介电常数从而实现电容的变化,进而实现相位的调控。仿真结果表明,通过加入直流偏置电压改变铁电体薄膜的介电常数,该移相器在22GHz频点的移相量为80°,最大插损为-2.5dB,回波损耗优于-10dB。

基于圆形腔的表面等离子体带阻滤波器研究
作者王莎莎, 彭睿, 张正平, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 735-742. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1403
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为研究弯曲波导结构的双边耦合效应对耦合强度的影响,提出一个弯曲波导耦合内嵌十字银条的圆形空腔带阻滤波器,采用有限元法对滤波器结构进行仿真分析。与现有直波导耦合内嵌十字银条的圆形空腔结构对比,弯曲波导结构具有更好的滤波性能,例如最小透射率降低10.44%;改变银条尺寸时模式2阻带透射率值降低近60%。进一步研究表明,通过调整内嵌银条尺寸及相对角度能够实现共振波长调谐、单频带与双频带的切换以及对半峰带宽等的控制,最小半峰带宽分别为11.0152nm和9.9869nm。并且对于介质折射率的变化(变化范围为1~1.12),该结构折射率灵敏度保持恒定。所提出的滤波器结构具有良好的频选及窄带带阻滤波特性,在窄带滤波和波分复用等系统中具有重要应用价值。

基于谐波控制的Doherty功率放大器设计
作者王帅, 安万通, 李晓明, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 729-734. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1316
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功率放大器是无线通信里面重要的射频前端电路。为满足现代无线通信对功率放大器高效率的要求,首先基于谐波控制理论分析,设计了一种新型谐波控制电路,此新型谐波控制电路可对功率管产生的封装寄生参数进行补偿,也可对二次谐波、三次谐波进行谐波控制,提高了Doherty功率放大器效率。随后,针对传统Doherty功率放大器限制带宽的问题,提出了采用后匹配结构的方式设计Doherty功率放大器,提高了Doherty功率放大器的带宽。最后,采用Cree公司的CGH40010FGaNHEMT设计一款Doherty功率放大器并进行测试。在1.85~2.15GHz工作频带内,Doherty功率放大器输出功率可达到44.3~44.8dBm,增益为12~15dB,输出漏极效率(DE)大于75%,6dB回退效率大于60%。结果表明,提出的Doherty功率放大器在效率方面具有显著优势。

基于SIwave与Icepak的PCB板的电热耦合研究
作者蔡宇飞, 丁硕, 安轩毅, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 721-728. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1625
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随着集成电路的不断发展,面对不断提升的PCB板热设计要求,提出了一种方法准确仿真PCB板的温度分布。利用SIwave与Icepak软件,建立了PCB板和电子元件的模型,进行了PCB板的双向和单向电热耦合仿真。通过对比分析仿真与实验结果,得出以下结论:仿真得到的PCB板的温度云图与通过红外热成像仪拍摄得到的PCB板的温度云图呈现相似的温度分布趋势;在PCB板双向电热耦合仿真的基础上,采用Re-k-ε湍流模型进行PCB板单向电热耦合仿真得到的PCB板的温度分布,比采用层流模型进行的PCB板双向电热耦合仿真得到的PCB板的温度分布更准确;仿真结果与实验结果相比,最大相差2.59℃,最小仅相差0.39℃。

一种低功耗快速瞬态响应无片外电容LDO
作者於汉, 张涛.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 713-720. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0012
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针对无片外电容LDO瞬态响应问题,提出了一种基于MillerBICMOSOTA结构的N型功率管LDO。BJTPush-Pull作为电路的中间级,具有低功耗、高增益、高摆率的特点。输出扰动通过电容耦合至中间级,形成了一条快速反馈环路,拓展了反馈环路带宽,提高了负载瞬态响应速度。因为输出级为源随器,系统整体为两级运放结构,仅需通过密勒电容进行补偿,就可以获得良好的稳定性。电路基于Hynix180nmBCD工艺设计,仿真结果显示,系统静态电流约为10μA,增益约为102dB,带宽约为800kHz,相位裕度约为61°,其中反馈环路带宽约为30MHz。当输入电压为5V,不接片外电容,负载电容为5pF,输出电流从20mA切换到200μA用时300ps时,系统响应时间约为420ps,过冲电压约为253mV。

一种适用于LDO的无过冲软启动电路设计
作者邓家雄, 冯全源.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 708-712. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0011
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设计了一种适用于LDO的无过冲软启动电路。其核心是采用线性升压的软启动策略来消除浪涌电流,电路结构简单、易于实现。为了解决超调现象,利用晶体管与正反馈电路设计了一种快速比较器,使得软启动电路输出电压能平滑地过渡到稳定工作状态。为了减小版图面积,利用少量的MOS管设计了斜坡产生电路和输入不平衡比较器电路。该软启动电路集成到一款低压差线性稳压器中,采用SMIC0.18μmBCD工艺实现,电源电压为4.5V。仿真结果表明,软启动电路有效地消除了浪涌电流,实现输出电压平稳上升无过冲,并能平滑地过渡到稳定工作状态,无超调现象产生。电路结构简单,版图面积为98μm×60μm,便于片上集成,该电路也可以应用到一般的DC-DC稳压器中。

一种自适应恒定平均电压输出电路设计
作者李琴鹏, 孙江, 左世柱, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 701-707. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0078
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在电子点火器应用中,为解决传统方案中LDO效率低、DC-DC需要外挂电容、电感的问题,提出了一种自适应恒定平均电压输出电路。电路输出为PWM波,当电源电压变化时,通过自动调整PWM波的占空比实现了恒定的平均电压输出。通过改变外接采样电阻的比值可以调整输出的平均电压大小。电路为开环控制,不需要考虑闭环稳定性问题,其控制简单可行,具有与DC-DC相比拟的高效率,但无外围电感、电容,便于集成和小型化应用。电路采用0.18μmBCD工艺设计,仿真和测试结果表明,在电源电压3.2~4.2V下,实现了输出平均电压恒定,误差小于±1%;通过改变采样电阻比值,实现了输出平均电压在1.5~3.6V之间连续可调。

基于VCCT理论的芯片多顶针剥离工艺参数优化
作者刘俐, 杜松, 张春华, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 694-700. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0095
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针对芯片在拾取过程中易碎裂的问题,采用虚拟裂纹闭合法对多顶针工艺拾取芯片的过程进行动力学建模和仿真。首先建立了芯片-胶层-蓝膜复合模型结构;然后进行了硅片-蓝膜单轴拉伸实验,确定了模型的关键参数;最后通过模拟不同工艺参数,包括顶针间距和胶层材料的变化,对剥离过程中芯片上的最大应力变化进行了深入的分析。仿真结果显示,在芯片剥离过程中,芯片中心区域出现了明显的应力集中。减小顶针间距可以有效缓解芯片中心区域的应力集中现象。此外,选择具有较低临界断裂能的胶层材料可以减小剥离过程中芯片所受的应力。最终结果为多顶针拾取芯片工艺的参数选择提供了参考价值,有助于提高芯片拾取的可靠性。

Ga元素对低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料合金性能的影响
作者徐深深, 徐冬霞, 郑越, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 685-693. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1433
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为改善SAC0307焊料合金的综合性能,在钎料中引入Ga元素。通过DSC、润湿铺展实验、拉伸试验、SEM、EDS以及XRD等手段探究不同质量分数Ga元素对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa(x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%)系焊料合金综合性能的影响。结果表明:Ga元素对低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa焊料合金熔化温度以及熔程影响较小;Ga元素能够提高焊料合金的润湿性能,当Ga元素添加质量分数为0.6%时,焊料合金铺展率最大为67.55%,抗拉强度最大为40.18MPa,这是由于焊料金属间化合物组织由长条状转化为不规则块状,细化程度最高;当Ga元素质量分数为0.8%时,增重比为0.21%,焊料合金的抗氧化性能最好,但只比质量分数为0.6%时少0.02%。因此根据焊料合金的综合性能确定Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa(x=0.6%)配方为最佳。

基于有限元分析的高性能耐高温导电胶的制备及性能研究
作者薛晓倩, 石宇皓, 林铁松, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 678-684. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1242
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针对目前导电胶基体在耐温性方面的瓶颈,选取耐高温、吸湿率低、热稳定性良好的氰酸酯作为基体,以银作为导电填料,通过COMSOL有限元仿真软件中APP开发器功能导入随机分布的导电颗粒代码,建立模型仿真,探究此新型导电胶中导电颗粒形状和大小对导电性的影响。研究结果表明,相比于银球导电胶,银片导电胶模拟的导电性能更好,当银的质量分数达到90%时,银片导电胶的电阻率比银颗粒导电胶低3个数量级。结合仿真结果,加入片状银粉,双马来酰亚胺作为增韧剂,二月桂酸二丁基锡作为固化剂,制备出银片导电胶,其电阻率随着银片含量增加而下降,在银片质量分数为50%~60%时迅速下降至43.9mΩ·cm,之后变化平缓,胶粘的剪切强度在15MPa以上,可以承受300℃的高温。

羰基铁粉/石墨烯复合粉体的制备及其电磁性能研究
作者梁莹, 李天天, 李菊红, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 668-677. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0129
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石墨烯与羰基铁粉的复合不仅突破了铁粉作为吸收剂的斯诺克极限,还在一定程度上提高了其电磁阻抗匹配特性。本文利用氨基磷酸作为连接剂将石墨烯和片状羰基铁粉进行层状复合,通过一步法制备得到具有介电频散特性的羰基铁粉/石墨烯复合吸波粉体,研究了不同合成条件下(改性石墨烯含量、反应温度、氨基磷酸含量)羰基铁粉/石墨烯复合吸波材料的电磁参数和反射损耗的影响。结果表明,由于石墨烯的引入,复合粉体的电磁阻抗匹配性能明显增强,表现出较好的吸波性能,当氧化石墨烯(GO)含量为质量分数1%时,复合粉体(厚度为3.7mm)在4.23GHz的最小反射损耗值(RL_min)为-43.90dB,有效吸收带宽(RL≤-10dB)为10.4GHz(3.63~14.03GHz);当反应温度为80℃时,复合粉体表现出良好的吸波效率,当厚度为4.5mm,复合粉体在2.3GHz处的最小反射损耗达到了-42.92dB,有效吸收带宽(RL≤-10dB)为6.7GHz(2.0~8.7GHz)。APSA的加入使复合粉体的电导率有了明显的提升,同

羰基铁基复合材料的高效吸波-防腐双功能特性研究
作者秦环宇, 张敏, 郭卿超, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 660-667. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0215
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随着5G先进通信技术和雷达探测技术的快速发展,电磁污染问题和特种装备的隐身突防问题日益突出。铁磁性吸波材料凭借高饱和磁化强度和优异的电磁波衰减能力已发展为应用较为广泛的隐身材料,然而,由于应用环境的多元化,铁磁性吸波材料的腐蚀问题严重制约其实际应用。本文采用多步液相反应,成功制备出具备优异吸波-防腐双功能的多级结构羰基铁基复合材料。该材料最低反射损耗高达-48.3dB,有效吸收带宽达7.0GHz。同时,其抗腐蚀性能也得到大幅改善,自腐蚀电压E_corr显著右移至-0.22V,自腐蚀电流密度I_corr下降至1.21×10^-7A/cm²。为新型高性能铁磁性吸波材料的设计和工程应用提供了有力支撑,对于解决电磁污染和装备隐身问题具有重要意义。

PAN静电纺丝膜基摩擦纳米发电机的性能研究
作者吴萃霞, 郝景标, 张曙林, 等
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 651-659. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1622
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环境能源的利用可以有效缓解资源匮乏和电池污染带来的负面影响,其中风能是最具有潜力的能源之一。为了有效的利用生活中的风力,设计了一种颤振式的摩擦纳米发电机,其工作模式为接触独立层模式。该发电机以静电纺丝膜聚丙烯腈和聚偏氟乙烯作为摩擦材料,研究了风速、器件间隙、颤振膜尺寸对频率和电输出信号的影响。结果表明:PAN静电纺丝膜用作摩擦正极层,具有极好的机械性能、耐高温稳定性。选用PVDF静电纺丝膜作为负摩擦电级,PVDF静电纺丝膜具有较高的耐磨性和极化程度。F-TENG的最大输出功率可以达到164.6μW,短路电流为9.69μA,开路电压约为112.3V。风力驱动的F-TENG可以点亮最少150个商业用LED。通过和整流装置的连接可以为小功率用电器(计算器)进行供电。拓展了静电纺丝膜在摩擦纳米发电机上的应用。

可拉伸银纳米线透明导电膜的制备及性能研究
作者丁天磊, 林晓彤, 段安, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(6): 644-650. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1550
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以银纳米线(AgNWs)为导电相,聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜为基材,采用旋涂-转移法制备可拉伸银纳米线透明导电膜,即先将AgNWs均匀旋涂在聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneTerephthalate,PET)薄膜表面,然后转移到半干的PDMS膜表面,再经热处理获得可拉伸银纳米线透明导电膜(AgNWs/PDMS)。研究了银纳米线的浓度、用量和尺寸以及旋涂层数对AgNWs/PDMS导电性、透光性、可拉伸性以及稳定性的影响;随着银纳米线浓度和用量的增加,AgNWs/PDMS膜的导电性和透光性下降。随着银纳米线直径下降,薄膜的透光性增加,但导电性下降。采用0.2mL的2mg/mL银纳米线(直径60nm,长度25~30μm)旋涂4层所制备的薄膜在550nm处的透光率为72.5%,方阻为32.94Ω/□。同时,AgNWs/PDMS膜具有良好的柔韧性、弯折稳定性、可拉伸性和电稳定性。

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