2024年12期 - 电子元件与材料

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2024年12期

研究与试制

Sn-Ag-Cu-xBN复合钎料润湿性及IMC界面生长行为研究
作者李航, 屈敏, 唐昊, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1539-1544. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0496
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针对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料润湿性差和IMC层生长等问题,采用纳米BN为增强颗粒,研究了不同含量的BN对无铅钎料Sn-3.0Ag-0.5Cu的润湿性、熔点以及界面金属间化合物(IMC)生长特性的影响。采用机械混合法制备不同质量分数(0~0.025%)的BN纳米颗粒增强Sn-3.0Ag-0.5Cu复合无铅钎料,经回流焊制备焊点并对其进行170℃等温时效处理,采用SEM和EDS进行微观组织表征。结果表明:BN纳米颗粒可以显著改善复合钎料的润湿性,BN含量为0.01%时润湿角降低到最小,为22.5°,降幅达25.5%,但BN纳米颗粒对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料熔化特性的影响可忽略。此外,添加BN纳米颗粒可显著降低界面IMC层厚度,通过对界面生长动力学研究,计算得到复合钎料的扩散系数,BN含量为0.01%时复合钎料的扩散系数最小,为1.90×10^-16m²/s。表明BN纳米颗粒可以显著抑制IMC层的生长。综合分析得出BN纳米颗粒在质量分数0~0.0

应用于无人机勘测的超宽带Vivaldi天线及阵列
作者朱潇潇, 何明, 季鲁.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1533-1538. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0375
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为了满足无人机勘测的多波段扫描需求,设计了一种轻量化的超宽带Vivaldi天线及阵列。天线采用相对介电常数为3.55的Rogers4003作为基板,在对映Vivaldi天线基础上加载斜向梳状缝隙,增加电流流径,进一步拓展低频带宽,使得天线在较大范围内保持良好的辐射特性。单元尺寸为95mm×75mm×0.5mm,便于集成到无人机平台中。测试表明,工作频段覆盖2~18GHz,在工作频率范围内电压驻波比小于2.4,增益范围为5.0~11.4dB。针对超宽带的工作频率范围,进行了小间距组阵设计,增益最高达到17.0dB,主波束3dB波瓣宽度最低至14.6°,扫描角度达到±20°。后续将进一步扩大阵列,进行制造及装配,加载TR组件进行收发测试,配合无人机搭载应用于勘测项目。

具有超级多稳态的简单忆阻混沌系统的分析与电路实现
作者董升, 刘维清.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1525-1532. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0257
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为进一步探索更适用于实际工程应用的混沌系统,将具有余弦模导的忆阻器引入到三维的线性系统中,构建了一个具有超级多稳态的四维忆阻混沌系统。深入分析了系统的对称性、耗散性、平衡点稳定性,并探讨了系统参数和初值对系统动力学行为的影响,发现该系统具有丰富的动力学行为和混沌特性。当改变系统参数时,系统经历倍周期分岔和反倍周期分岔,能够在周期和混沌状态之间转换。此外,系统状态变量输出信号的极性可以通过参数控制。当改变初始条件时,系统的动力学特性呈现偏移增量控制行为,可以产生无穷多具有不同位置和拓扑结构的共存吸引子。最后,采用PSIM仿真软件对系统进行电路仿真,验证了系统电路的可行性。研究结果表明,该忆阻混沌系统灵活可控且动力学行为丰富,因此在实际工程中具有广泛的潜在应用价值。

一种低温漂高阶补偿带隙基准电压源设计
作者程铁栋, 魏锦祥, 饶浩.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1518-1524. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0178
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针对传统电流型带隙基准电压源温度系数较高的问题,设计了一种新型高阶曲率补偿的带隙基准电压源。该电路在传统电流型带隙基准的基础上增加高阶补偿电路。通过工作在亚阈值区的MOS管产生栅源电压差(ΔVGS),以补偿发射结电压(VEB),实现了高温段补偿。同时通过工作在亚阈值区的差分对产生指数型补偿电流,将补偿电流注入到基准产生电路,实现了低温段补偿。带隙基准电压源在显著降低温度系数的同时实现了较低的功耗。电路基于SMIC0.18μmCMOS工艺进行设计。仿真结果显示,在1.8V电源电压下输出基准电压为574mV,在-40~125℃范围内,温度系数为0.58×10-6/℃,比传统一阶带隙基准降低了约96.2%,低频时电源抑制比为-65.9dB,线性调整率为0.082%/V,静态电流为26.3μA。

一种低温度系数高PSRR的BGR设计
作者姚佳, 武华, 冯秀平, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1509-1517. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1472
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为了实现带隙基准电压源(BGR)的低温度系数(T_C)和高电源抑制比性能,提出一种自适应折叠共源共栅反馈结构误差放大器。利用非对称自适应共源共栅(ASC)对管增强放大器增益,能够有效降低T_C。同时,由二极管连接的MOSFET形成内部电流反馈回路,与Ⅱ型补偿器共同作用,提升了BGR的电源抑制比。电路基于CSMC0.18μm工艺进行设计,结果表明,在电源电压3.9~5.5V,温度范围-45~150℃内,基准稳定输出1.183V电压。4.7V电源电压下,电源抑制比为-72.4dB@10kHz,T_C为5.14×10^-6/℃,其中线性灵敏度(LR)低于0.041%/V。

基于动态偏置误差放大器的超低功耗LDO设计
作者袁小龙, 吴巍, 王俊峰.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1502-1508. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0263
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为了满足便携式设备对低功耗的需求,同时解决低功耗下低压差线性稳压器(LDO)瞬态响应差的问题,设计了一款带有动态偏置误差放大器的超低功耗无片外电容LDO。采用了自适应偏置电路为误差放大器提供偏置电流,同时结合动态偏置,既能降低轻载时的静态功耗,又能提高瞬态响应能力;采用了亚阈值CMOS基准,相比于传统带隙基准,面积更小,功耗更低。电路基于SMIC55nmCMOS工艺设计,实现了工作电压范围1.4~2V,输出电压1.1V,最大输出电流100mA。仿真表明,所设计的LDO最小静态电流仅为580nA,负载在1~100mA范围以1μs跳变时,过冲和下冲电压分别为123mV和113mV,稳定恢复时间分别为4.1μs和3.5μs。该LDO适用于需要长时间续航的小型设备。

基于体端调制技术的快速瞬态响应LDO设计
作者夏荣华, 陈磊, 崔杰.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1493-1501. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0276
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随着Wi-Fi7标准的提出,对低压差线性稳压器(LDO)的瞬态响应能力提出了更高的要求。为满足需要,基于0.11μmCMOS工艺,设计了一种快速瞬态响应的无输出电容高性能LDO。利用体端调制技术,为功率管级缓冲级体端提供自适应偏置,在负载跳变时实现快速瞬态响应。同时,采用以比较器为核心的摆率增强电路,进一步减小LDO输出的下冲电压。主通路通过采用折叠共源共栅与超级源跟随的架构,并使用加入调零电阻的混合共源共栅补偿来提高增益与相位裕度。仿真结果表明,在各负载条件下,相位裕度均能达到50°以上,满足稳定性需求。当负载电流在1μs内从空载跳变到40mA时,输出下冲电压为123.6mV,输出过冲电压为45.9mV,相比传统LDO分别减小了1.26V和72.5mV。

含右半平面零点的DC-DC变换器瞬态优化方法
作者吴飞, 刘兴辉, 郭明齐, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1485-1492. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0237
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为解决含右半平面零点的DC-DC变换器需采用大容量电容进行相位补偿,导致响应速度慢、占用版图面积大的问题,基于传统峰值电流模Boost型变换器提出一种瞬态响应优化方法。利用电容倍增原理,实现将小容量片上电容等效成足够大容量电容,确保电路获得全负载范围内环路稳定的同时,节省了版图面积。通过自适应补偿电容调节和跨导放大器自适应跨导调节的共同作用,使占空比迅速饱和,以提高电感电流转换速率,从而提高环路的瞬态响应速度。基于TSMC0.18μmBCD工艺进行电路设计,实现输入电压范围2.5~4V,输出电压稳定在6V。仿真结果表明,使用所提出的瞬态响应增强方法,在节省版图面积的同时,负载电流从500mA跳变到20mA时,负载阶跃响应时间从86μs减小到38μs;负载电流从20mA跳变到500mA时,负载阶跃响应时间从73μs减小到34μs。

一种具有高轻载效率的DC-DC降压转换器
作者束文强, 张磊, 张松林.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1480-1484. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0139
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针对物联网的应用需求,设计了一种具有高轻载效率的DC-DC降压转换器。为了确保转换器轻载时工作在不连续导通模式,同时能够快速且低功耗地抑制反向电流,提出一种改进的过零检测电路,该电路具有功耗低、响应速度快、分辨率高的特点,有利于进一步提高轻载转换效率。该转换器采用典型的0.13μmCMOS工艺设计,仿真结果表明,转换器能够实现3V到1.5V的降压变换,并提供0.1~100mA的输出电流;转换器的峰值转换效率为86.93%,且负载电流为0.1mA时的轻载效率达到72.46%,实现了提高轻载效率的目标。

慢波单元加载的宽带小型化移相器
作者韩荣苍, 孙如英, 杜路路.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1475-1479. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0049
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利用慢波单元加载的弱耦合微带线实现了一种改进的宽带90°Schiffman移相器。该移相器由四分之一波长的耦合微带线和参考线组成,通过在耦合微带线末端加载慢波单元来调整耦合线的耦合强度,进而调控移相器的回波损耗带宽和相移误差。从理论上,分析了耦合线加载支路对移相器回波损耗带宽和相移误差的影响,进而得出了器件的最优参数。对中心工作频率3GHz的移相器进行了仿真、加工和测试,测试结果表明,其10dB回波损耗带宽达103.3%,通带内相移误差小于5°。实测结果与仿真结果吻合良好,验证了设计的有效性。

临近空间火箭下投式探空温度传感器设计
作者杨俊辉, 刘清惓, 王柯, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1468-1474. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0204
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探空温度传感器在临近空间环境中易受到太阳辐射的影响,其辐射误差可能达到2K量级。针对此问题,设计了一种新型临近空间火箭下投式探空温度传感器。首先,运用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法对多种气象条件下传感器探头的太阳辐射误差进行仿真实验。随后,采用粒子群优化支持向量机算法(ParticleSwarmOptimizationSupportVectorMachine,PSO-SVM)对仿真结果进行修正。此外,利用低气压风洞等实验设备进行模拟实验,并将测试结果与算法修正的误差数据进行了对比。实验结果表明,该文提出的临近空间火箭下投式探空温度传感器的平均绝对误差(MAE)为0.059K,均方根误差(RMSE)为0.067K,能有效地将太阳辐射误差控制在0.07K以内。

水下纳秒激光制备柔性温度传感器电极
作者姜涛, 赵娜.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1463-1467. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0243
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针对传统MEMS工艺制备柔性温度传感器电极工艺流程复杂、制造成本高等问题,提出了水下纳秒激光加工柔性温度传感器电极的方法。首先,设计了一种线宽为600μm的柔性温度传感器电极。其次,采用水下纳秒激光加工方法实现10μm镍薄膜的切割。采用扫描电子显微镜观察加工后的电极表面,结果表明电极表面无明显氧化和毛刺。通过光学显微镜测量水下纳秒激光加工后的电极线宽为550μm,相比于设计尺寸,加工误差仅为50μm,具有良好的加工精度。在25~90℃范围内,所制备的柔性温度传感器具有良好的灵敏度和线性度,其电阻湿度系数为0.0109/℃。

基于改进包络图神经网络的电子元件故障预测
作者余腾龙, 汪庆文, 黄康.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1456-1462. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0505
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针对电子元件故障的多样性、复杂性和隐蔽性等特点,提出一种基于改进包络图神经网络的预测方法。该方法构建电子元件运行特性序列参数集,包含静态与动态参数,输入至自注意力包络图神经网络。网络利用Time2Vec技术捕捉序列中电子元件运行时间的周期性、非周期性以及时间尺度变化等特性,从而获取序列表征结果;采用包络图卷积网络分析表征结果,深度提取电子元件运行空间上的特征信息;采用自注意力机制对该特征进行加权、拼接处理后,将结果输入全连接层中,通过sigmoid激活函数输出故障概率。测试表明,该方法能有效获取运行时序特性参数,预测故障概率,区分已发故障与潜在故障,且预测结果的锐度值均低于-0.65。

片式钽电容器肖特基发射电流的机理分析
作者邓俊涛, 钟山, 代东升, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1449-1455. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0202
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基于肖特基发射电流传导机制,研究一种测试方法,能够推导计算片式钽电容器的肖特基势垒,并分析肖特基发射电流的形成原因,进而评估击穿时间,通过半定量分析阴极制备杂质残留,提出了片式钽电容器的一种混合结构模型。结果表明,MnO₂阴极掺杂样品组的肖特基势垒低,击穿时间短;非掺杂组的肖特基势垒高,击穿时间长。说明阴极材料中的金属杂质是导致片式钽电容器高温漏电流增大乃至击穿的主要原因。在对片式钽电容器进行加速寿命试验时,可以利用此方法和模型评估样品的可靠性和工艺缺陷,为失效机理分析、工艺优化和后续加固设计提供理论指导。

铜纳米线嵌入对氧化铟锡薄膜的柔性和导电性提升研究
作者石和平, 闫光辉, 于仕辉.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1443-1448. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0172
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氧化铟锡(ITO)薄膜是制备新一代柔性透明导电薄膜的关键材料,但差的导电性和机械柔性限制了其在柔性光电子器件中的实际应用。利用磁控溅射技术和喷涂工艺相结合的方法将铜纳米线(CuNW)嵌入到ITO薄膜中,有效提高了ITO薄膜的导电性和机械柔性。采用扫描电子显微镜对ITO-CuNW复合薄膜形貌进行了分析,利用紫外可见分光光度计和四探针测试仪分别对ITO-CuNW复合薄膜的电学性能和光学性能进行了表征。结果表明,ITO-CuNW复合薄膜的透光率为81.4%,方块电阻为12.1Ω/□,品质因子(137.0)远高于ITO柔性薄膜品质因子(46.3)。在8.0mm的曲率半径下,对ITO-CuNW复合薄膜进行了2000次弯曲测试,电阻基本不变,表明ITOCuNW复合薄膜具有优异的柔性性能。此外,在强氧化和高腐蚀环境中测试后,ITO-CuNW复合薄膜的电阻没有发生明显变化,表明CuNW嵌入并未影响ITO的稳定性。这些研究结果表明CuNW嵌入是解决ITO柔性透明导电薄膜高电阻和固有脆性缺陷的一种有效方案。

黑滑石基微波介质陶瓷材料的结构与性能研究
作者刘子峥, 朱帅, 李俞辉, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1437-1442. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0197
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随着5G移动通信技术的不断发展,现有通信频段逐渐向毫米波频段转移。高性能低介电常数微波介质陶瓷材料能够满足5G移动通信器件的应用需求,黑滑石矿因含有低介电常数组分而受到关注。该实验通过固相烧结法制备了黑滑石基微波介质陶瓷材料,重点研究了烧结温度对其烧结行为、物相组成、显微形貌和微波介电性能的影响。研究表明:黑滑石陶瓷以MgSiO₃顽火辉石相和SiO₂方石英相共存。烧结致密性和样品组分对陶瓷材料的微波介电性能有重要影响。当烧结温度为1325℃时,样品具有最佳的微波介质性能:ε_r=5.11,Q×f=56782GHz,τ_f=-17.85×10^-6/℃。这一研究不但为黑滑石的高值化利用提供新的思路,同时也为5G商用微波器件用陶瓷材料提供新的解决方案。

沉积温度对AlN陶瓷表面电弧离子镀Ni涂层性能的影响
作者耿子航, 孙世龙, 尤斌, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1431-1436. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0269
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AlN陶瓷具有高热导率、低热膨胀系数、优异的电学性能和机械性能等优点,是一种理想的电子封装基板材料,在电子封装基板领域应用广泛。然而,当其作为封装基板材料使用时,必须对其表面进行金属化处理,才能实现陶瓷与金属的互连。本文创新性采用电弧离子镀在AlN陶瓷表面沉积金属Ni涂层,并研究了沉积温度(200,300,400,500℃)对涂层微观结构与性能的影响。结果表明:随着沉积温度的升高,涂层沉积速率与表面粗糙度先升高后降低,在沉积温度400℃时,沉积速率和表面粗糙度分别为7.173nm/min和0.20μm,此时涂层表面质量最好;随着沉积温度的升高,涂层硬度与结合力先升高后降低,均在400℃时达到最高,分别为1443HV和59.6N;在500℃时制备的金属化陶瓷电阻最小,为0.86×10^-7Ω。本文所采用的AlN陶瓷金属化新方法,为AlN陶瓷基板的制备提供新思路,同时为获得具有优异性能的AlN陶瓷基板提供依据。

碳和钛酸锂共溅射对钴酸锂电化学性能的影响
作者郑志强, 朱归胜, 徐华蕊, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1424-1430. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0212
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钴酸锂是最早实现商业化的锂离子电池正极材料之一,在高电压条件下容易发生电极结构相变,严重影响其循环寿命。本研究采用碳和钛酸锂共溅射的方法在钴酸锂电极片表面形成复合涂层,以提升其循环稳定性和电化学性能。研究结果显示,在3.0~4.5V电压范围内,复合涂层改性后的钴酸锂电极循环300次后仍保持84.3%的容量保持率。此外,复合涂层还可以提高锂离子扩散系数,从而提高电池的倍率性能,当电流密度为5C时,电极片的比容量达到123.71mAh·g^-1,比未改性的提高了125.5%。进一步将充电电压提高至4.7V时,改性后的钴酸锂电极表现出更为优异的循环稳定性,比未改性的增加了148.4%。实验结果表明,通过磁控溅射技术制备的碳和钛酸锂复合涂层有效改善了钴酸锂在高电压条件下的电化学性能。

氮掺杂硼酸钐的材料设计及其激光吸收性能
作者张磊, 张敏, 李伟, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(12): 1419-1423. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.0182
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随着激光科技的飞速进步,激光辐射给人体健康和特殊设备带来的防护问题愈发显著。稀土钐元素因其在激光波段的高效吸收特性而受到广泛关注。其中钐化合物SmBO₃防护材料因在1.06μm激光波段具备吸收峰且稳定性高而被大量研究,但其吸收性能仍难以满足实际应用需求。因此,本研究使用固相反应技术,在氮气环境中将碳黑与SmBO₃的混合粉末进行反应,成功地制得N掺杂的SmBO₃粉末,使其吸收特性得到了显著增强。利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和紫外-可见-近红外分光光度计(UV/VIS/NIR)测试技术对粉体的成分和外观进行了分析。与未经处理的样本相比,掺杂后的粉体粒径较小,且碳黑的存在对物相转变产生了影响。此外,掺杂处理后的粉末在1.06μm波段上的反射率达到了34.9%,并且反射率图谱呈现出蓝移现象。

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