芯片制造工艺流程包括光刻、刻蚀、扩散、薄膜、离子注入、化学机械研磨、清洗等等，在前面的文章我们简要的介绍了各个工艺流程的细节，这篇文章大致讲解这些工艺流程是如何按顺序整合在一起并且制造出一个MOSFET的。 1.我们首先拥有一个硅纯度高达99.9999999%的衬底。 2.在硅晶衬底上生长一层氧化薄膜。 3.均匀的旋涂上光刻胶。 3.通过光掩膜进行光刻，把光掩膜板上的图案转移到光刻胶上 4.感光区域的光刻胶显影之后被清洗掉。 5.通过刻蚀把没有被覆盖光刻胶的氧化薄膜刻蚀掉，这样把光刻图案转移到晶圆上了。 6.清洗去掉多余的光刻胶。 7.再长一层较薄的氧化膜。之后再通过上面的光刻和刻蚀，只保留栅极区域的氧化膜。 8.在上面生长一层多晶硅 9.和第7步一样通过光刻和刻蚀，只保留栅氧化层上面的多晶硅。 10.在进行光刻清洗覆盖住氧化层和栅极，这样就对整片晶圆进行离子注入，就有了源极和漏极。 11，在晶圆上面生长一层绝缘薄膜。 12.通过光刻和刻蚀把源极、栅极和漏极的接触孔刻蚀出来。 13.再在刻蚀的地方进行金属的沉积，这样就有了源极、栅极和漏极的导电金属线了。 最后通过各种工艺的组合就制造出来一个完整的MOSFET。 ------------------------------------------------------------------------ 其实芯片的底层就是大量的晶体管组成的。 MOSFET制造图源极、栅极、漏极各种晶体管组成逻辑门逻辑门组成运算器 最后组成只有一个指甲大小的芯片 金刚石/GaN 异质外延与键合技术研究进展 吴海平 安康 许光宇 张亚琛 李利军 张永康 李鸿 张旭芳 刘峰斌 李成明 （北方工业大学 机械与材料工程学院 北京科技大学 新材料技术研究院） 摘要： 氮化镓（GaN）功率器件具有功率高、小型化的优势，但散热问题已经成为限制其高功率输出的新问题。金刚石具有块体材料最高的热导率，是GaN 功率器件的理想散热材料，将金刚石与GaN 功率器件集成，可以降低器件运行温度，提高功率密度，推进器件小型化发展。但是由于金刚石与GaN 存在大的热膨胀失配和晶格失配，以及金刚石的高硬度和稳定的化学性质，其与GaN 集成存在很多问题，无法发挥金刚石的超高热导率优势。针对金刚石与GaN 的集成已经进行了研究与探索，主要包括GaN 功率器件的器件层散热和衬底层散热。器件层散热主要有金刚石钝化散热技术，其在GaN 器件层中异质外延金刚石散热层；衬底层散热主要有键合技术、异质外延技术，其中键合技术通常需要在金刚石和GaN 表面沉积键合层或形成封端，包括表面活化键合技术、亲水键合技术、原子扩散键合技术和水解辅助固化键合技术等；异质外延技术通常需要在外延表面沉积缓冲层，包括金刚石异质外延GaN 技术和GaN 底面异质外延金刚石技术。详细介绍了GaN 材料的优势和应用领域及面临的挑战，对上述集成技术的研究现状和优缺点进行了归纳，展望了金刚石与GaN 功率器件集成技术的未来发展方向。 1.引言 GaN 作为第三代半导体材料的典型代表，与Si、Ge、GaAs、InP 等第一、二代半导体材料相比，在禁带宽度、击穿场强、电子迁移率、热导率、最高工作温度等关键性能上更具优势[1]。使用GaN 材料制造的GaN 功率器件拥有高转换效率、低导通损耗、高工作频率、大带宽以及高功率密度[2]，广泛应用于通信、雷达、卫星、电力电子等领域[3-4]。 随着系统小型化的发展，需要进一步提高GaN 功率器件的功率密度，但是GaN 功率器件工作时，本身会产生一定的功率耗散，而这部分功率耗散将会在器件内部，尤其是在导电沟道处产生大量热量使得器件结温有明显升高，晶格振动散射大大加强使得漂移区内的电子迁移率降低，器件导通电阻出现明显上升，这种现象被称作“自热效应”。姜守高等[5]发现GaN 基HEMT 器件在200℃存储300 小时后，其饱和电流降低9.05%，最大跨导降低5.3%，因此散热问题越来越重要[6-7]。如何实现有效的散热以减弱自热效应的影响，成为高功率密度GaN 功率器件保持高可靠性和长寿命的挑战[8-13]。 目前GaN 材料通常使用外延法制备[14]，衬底使用Si、SiC、Al2O3、AlN、GaN 等材料[15-17]，其热导率如表1 所示，无法发挥GaN 器件高频率、高功率密度的优势[18-23]。金刚石是块体材料中热导率最高的材料，单晶金刚石在室温下的导热系数高达2400 W·m-1·K-1[24]，多晶金刚石热导率也达到了2000 W·m-1·K-1 [25]，远高于其他常用GaN 衬底材料的热导率，是理想的散热材料[26]。将高热导率的金刚石与GaN 功率器件集成，凭借金刚石的超高热导率，热源产生的热量会迅速地横向扩散在基板内，提升了热源与外界的有效换热面积，从而可以极大地提升系统的换热能力，大幅度提高GaN 功率器件的散热效果，降低器件沟道温度，从而提高GaN 功率器件的工作功率密度[27]。本文对近年来金刚石与GaN 集成技术的发展进行了介绍，详细阐述了各种技术的设计方案、工艺流程、优缺点及应用范围，并对未来金刚石与GaN 功率器件集成技术的发展方向进行了分析和展望。 2.金刚石/GaN 集成技术研究现状 目前金刚石与GaN 功率器件的集成通常从两方面进行，一是GaN 顶部的器件层散热，主要应用金刚石钝化散热技术，金刚石钝化散热是直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到增大换热面积的作用；二是GaN 底部金刚石衬底散热，主要有GaN 底部异质外延金刚石、金刚石表面异质外延GaN 和键合技术[28-30]。 2018 年，美国Akash Systems 公司[31]开发出金刚石基GaN，用于卫星功率放大器，相比SiC 基GaN，其工作温度从232℃降低到152℃，功率密度提升3.6 倍以上。2019年，搭载该金刚石基GaN 功率器件的卫星已成功发射，得益于金刚石的高导热率，GaN 的高功率高频率优势得以发挥，卫星的数据传输速率达到了14 Gbps。2019 年，日本富士通公司[32]报道了一种金刚石-GaN-金刚石的双层金刚石散热结构，如图1 所示，结合了金刚石钝化散热技术与金刚石衬底散热技术，经测试，该结构具有优异的散热性能，热点温度较无金刚石的结构下降了77%。 2.1 金刚石/GaN 键合技术 金刚石/GaN 键合技术的技术路线通常是将GaN 外延层的原始衬底通过机械研磨，化学蚀刻等方法去除，然后在GaN 暴露的底面通过磁控溅射、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法沉积中间层，之后与金刚石结合。该技术存在的难点是对金刚石的表面粗糙度、弯曲度要求极高，还存在键合强度低，键合层热阻高等问题。目前金刚石表面加工方法主要有机械抛光、化学抛光、等离子体辅助抛光、激光抛光等[33-34]，例如Yamamura等[35]使用等离子体辅助抛光获得了粗糙度Sq 0.13 nm 的单晶金刚石片，杨志亮等[36]使用机械研磨抛光，得到了粗糙度0.27 nm、弯曲度13.84 μm 的3 英寸多晶金刚石片，但是成本都比较高。根据键合层处理方法与材料的不同，目前常用的键合技术有表面活化键合、亲水键合、原子扩散键合、水解辅助固化键合等。 2.1.1 金刚石/GaN 表面活化键合技术 表面活化键合通常使用Si、SiC 等能与金刚石形成稳定化学键的非金属材料作为键合层，基本流程如图2 所示，首先通过粘片工艺将GaN 固定到载片上，之后去除原始衬底，在待键合面沉积键合层或使用离子束活化待键合表面，最后将键合表面贴合并加压完成键合。由于需要保持待键合表面活性，避免氧化或污染，沉积键合层或离子束活化表面步骤与键合步骤需要在高真空度环境（~5×10-6 Pa）中进行，对设备条件要求很高。 由于键合层通常是非晶态材料，热导率较低，Cheng 等[37]为了探究键合层厚度对界面热导的影响，制备了不同键合层厚度的金刚石/GaN 结构，分别为13 nm 和4.2 nm，并使用时域热反射技术测量界面热导，分别为53 MW·m-2·K-1 和92 MW·m-2·K-1，可以看出，键合层厚度与热导率有强相关性，减小键合层厚度对整体热阻的控制十分重要。 为了减小键合层厚度或使键合层转变成晶态材料，有研究人员使用高温退火的方式，使键合层发生扩散、化学反应等。Kagawa 等[38-39] 使用Si作为中间层， 制备了AlGaN/GaN/3C-SiC/金刚石结构，在800℃退火后，形成欧姆接触，键合结构稳定，得到完整GaN HEMT 器件。如图3 所示，在1100℃退火后，键合层中Si和C 原子发生再结晶生成SiC，厚度从退火前的15.5 nm 减小到7.4 nm，且在高温退火过程中键合层拉应力也有所减小。在VGS=2 V，VDS=20 V 时，相比于Si 和SiC 衬底，使用金刚石衬底的器件最高温度分别降低57%和43%，器件电性能也有所提高。Liang等[40]报道了仅通过Ar 离子束照射金刚石和GaN 表面，不使用其它材料作为键合层的方法制备了金刚石/GaN 结构，其中有5.3 nm 厚的非晶碳中间层。在700℃、1000℃退火后非晶碳中间层厚度分别减小到2.3 nm和1.5 nm，在其中观察到晶格条纹，部分转化为金刚石。这些研究都表明通过优化退火工艺可以减小甚至完全去除键合层，且键合结构稳定。 为了进一步减小键合层厚度，Matsumae 等[41]优化工艺，使用Ar 离子束照射Si靶，在金刚石上沉积1 nm 厚的Si 层，GaN 表面使用Ar 离子束轰击活化，在4.4 MPa 的压力下与GaN 成功键合，键合层厚度仅1.5 nm，剪切强度4.5 MPa，如图4 所示。推测界面热阻小于10 m2·K·GW-1。相比Liang 等[40]的工艺，这个工艺没有高温退火的过程，减小了对GaN层的损伤。 金刚石表面粗糙度控制对键合成功率也十分重要，但是由于金刚石的高硬度、高化学 惰性，将其加工到0.5 nm 以下成本很高，有研究人员发现在沉积键合层的过程中，可以降低金刚石键合面粗糙度。Kobayashi 等[42]使用射频磁控溅射在金刚石键合面沉积15 nm SiC层，使金刚石键合面粗糙度由0.768 nm 降低到0.365 nm，而后在表面活化键合设备中室温键合，成功制备了金刚石/GaN 结构，键合面积85%，键合层厚度11 nm，其中3.7 nm 为缺陷金刚石层，7 nm 为非晶SiC 层。在1000℃退火后，由于硅与碳原子反应生成SiC，SiC层厚度略有增加，非晶SiC 层在退火工艺之后变成多晶。结果表明，SiC 层的沉积可以降低金刚石表面的粗糙度，并有利于多晶金刚石与异种材料的室温结合，通过退火工艺，还可以将低热导率的非晶SiC 转变成高热导率的多晶SiC。 目前的研究大多处于小尺寸探索阶段，针对大面积键合的工艺优化和实验验证，廖龙忠等[43]使用纳米级氧化硅作为键合层，使用优化的键合工艺，成功实现了4 英寸金刚石与GaN 的键合，如图5 所示。所制备的金刚石/GaN 器件热阻较转移前降低了39.5%，在6.5 W总耗散功率下其结温降低了33.77℃，电气性能经测试也有提高。实现了大尺寸金刚石与GaN 的键合，验证了大尺寸键合的可行性，为产业化提供了依据。 2.1.2 金刚石/GaN 亲水键合技术 亲水键合是在金刚石和GaN 表面生成OH端，通过OH 端之间的反应实现金刚石与GaN 的键合，目前已广泛应用于金刚石与Si、SiO2、InP，InGaP，Ga2O3 等材料的键合[44-47]。Matsumae 等[48]使用NH4OH/H2O2混合溶液在70℃下处理金刚石，使用HCl 溶液在70℃下处理GaN，在金刚石和GaN 表面成功生成了OH 端，后将金刚石与GaN 在1 MPa 的压力下200℃处理2 小时，成功得到金刚石/GaN 结构，如图6 所示。剪切强度8.19 MPa，有3nm 由sp2-C、Ga 和O 组成的键合层。亲水键合的方法相对于表面活化键合，步骤简单，对设备要求低，但是OH 端反应产物包括大量高温水分子，在大尺寸键合过程中可能无法及时逸出，影响键合效果，且据Sumiya 等[49]报道，高温水蒸气会对GaN 产生不利影响。 2.1.3 金刚石/GaN 原子扩散键合技术 原子扩散键合技术使用Au、Mo、Ag、Cu 等金属材料作为键合层，利用金属原子在温度和压力下的扩散实现键合，已经应用于金刚石与Si、GaN 与Si 的键合[50-51]。Wang 等[52]在单晶金刚石、多晶金刚石和GaN 上沉积5 nm Mo 层和11 nm Au 层，在室温下加载2000N 的载荷完成键合，制作了单晶金刚石/GaN 和多晶金刚石/GaN 两个样品。单晶金刚石与GaN 完全键合，在680 N 的拉力下，样品从Au-Au 键合层断裂。多晶金刚石键合面积98.5%，经过45℃到125℃的1000 次热循环后，键合面积降低到73%，如图7 所示。使用原子扩散键合成功制备了金刚石/GaN 结构，但是由于金属材料与金刚石和GaN 之间热膨胀系数失配很大，导致其热稳定性较差，且并未报道金属键合层厚度、热导率以及金属层对GaN器件电气性能的影响。 2.1.4 金刚石/GaN 水解辅助固化键合技术 水解辅助固化键合是一种利用中间层发生化学反应来进行键合的方法。Gerrer 等[53]在Si 基AlN/AlGaN/GaN上黏贴一块650 μm 厚的蓝宝石，而后放入HNO3/HF 混合溶液中去除Si 层，后在去离子水中将AlN/AlGaN/GaN 的AlN 面与金刚石接触，旋转去除接触面多余的水，放入真空炉中在200℃完成键合，去除蓝宝石片后得到金刚石/AlGaN/GaN 结构。在键合过程中，键合层是通过AlN 与水在40℃以上温度反应形成的，生成物为Al(OH)3和AlO(OH)，键合层厚度30 nm，如图8 所示。整个工艺流程都是在液体中进行的，工艺简单，对金刚石粗糙度要求较低，但是键合层材料导热率极低，且厚度难以控制，导致其热阻高，据Fatimah 等[54]报道Al 的氢氧化合物可以在高温下分解成热导率更高的Al2O3，后续可以开发其它高热导率的键合层材料或通过高温退火等方法提高键合层热导率。 2.2 金刚石异质外延GaN 技术 另一种金刚石衬底散热技术是异质外延技术，由于金刚石是立方晶体结构，不同于GaN 的纤锌矿晶体结构，GaN 和金刚石之间存在很大的晶格失配和热膨胀系数失配，如表1 所示，给异质外延技术带来了许多难题，如何有效控制应力以及生长的晶体质量都是其中的关键问题。按照外延层的区别可以分为GaN 异质外延金刚石技术和金刚石异质外延GaN 技术。GaN 异质外延金刚石技术，是在去除GaN 原衬底及部分缓冲层后，先在GaN背面沉积一层介电层用于保护GaN，而后再沉积金刚石层；金刚石异质外延GaN 技术，是在金刚石上直接使用分子束外延（MBE）、MOCVD 等方法沉积GaN 层。目前研究使用较多的异质外延技术是GaN 异质外延金刚石技术。 GaN 异质外延金刚石技术相比键合技术，界面结合强度高，成本较低，但是也存在一些问题，如异质外延金刚石的形核层质量差、热导率低，金刚石的生长环境通常都是高温、高氢等离子体密度，GaN 在高温冷却到室温的过程中会发生翘曲甚至破裂，在氢等离子体环境中会发生严重的刻蚀、分解[55-59]。因此需要在GaN 表面先制备一层保护层，缓解热应力，同时保护GaN 不受刻蚀。技术基本流程如图9 所示。 Field 等[60]研究了保护层对金刚石/GaN 结构的影响，比较了具有SiC 保护层和没有保护层的两种样品的形貌特征和热导率。从结果来看，没有保护层的样品结合面粗糙，GaN被刻蚀，结合强度低，界面热阻高（107±44 m2·K·GW-1），具有SiC 保护层的样品结合面平整光滑，有较低的界面热阻（30±5 m2·K·GW-1），认为是SiC 保护层与金刚石有更强的结合力，相比于直接在AlGaN 上沉积金刚石，SiC 与金刚石之间形成了更多的碳化物键，有助于界面的声子传热，改善了热传输。 由于保护层的材料和厚度都对热阻有很大影响，很多研究人员对此展开了研究。Yates等[61]研究了没有保护层、具有5 nm 厚SiN 保护层、具有5 nm 厚AlN 保护层的金刚石/GaN结构的界面热阻，在没有保护层和具有5 nm 厚AlN 保护层的样品中，发现GaN 被刻蚀，导致界面粗糙，使样品的界面热阻增加，界面热阻分别为41.4 +14.0/-12.3 m2·K·GW-1、18.2+1.5/-3.6 m2·K·GW-1，而且在没有保护层的样品中，金刚石与GaN 之间发生了分层。在具有5 nm 厚SiN 保护层的样品中，金刚石与GaN 结合界面清晰，平整光滑，GaN 层完整，没有受到刻蚀，界面热阻最低，为9.5 +3.8/-1.7 m2·K·GW-1。 金刚石异质外延工艺对所制备金刚石层的质量有很大影响，金刚石形核层由于晶粒较小，晶界多，导致其热导率低，如何提高金刚石形核层热导率也是一个问题。Malakoutian等[62]使用快速形核的方法，减小形核层厚度，降低界面热阻。他们使用MOCVD 法在GaN表面沉积5 nm Si3N4 作保护层，而后使用聚合物辅助浸晶技术，使氧终端金刚石颗粒呈-50mv zeta 电位，Si3N4 层表面呈+50 mv zeta 电位，由于金刚石颗粒与Si3N4 层表面巨大的电位差，可以实现金刚石颗粒的高密度播种，最终播种密度大于1012 cm-2。而后放入微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置中，金刚石在低温度（~700℃）、低功率（600 W）、低腔压（20 Torr）、高甲烷浓度（5%）中10分钟快速形核，形核层厚度仅25-30 nm。形完成后迅速提高功率（1800 W）和腔压（70 Torr），降低甲烷浓度，金刚石生长完成后在氢等离子体环境中缓慢冷却至室温。他们使用这种方法成功制备了金刚石/GaN 结构，如图10 所示。其中保护层的厚度由最初的5 nm 降至仅1 nm，其中1 nm 的Si3N4 层被氢等离子体刻蚀，还有3 nm 转化为热导率更高的SiC，极大地降低了界面热阻（3.1±0.7 m2·K·GW-1）。 对于异质外延金刚石的形核层质量差、热导率低的问题，Smith 等[63]也提出了一种混合金刚石晶粒播种的方法，他们使用MOCVD 分别制备了Si 基GaN 和Si 基AlN 两个样品，在两个样品上使用静电喷雾法分两步播种微米金刚石（2±1 μm）和纳米金刚石（3.3±0.6nm），然后使用微波等离子体增强化学气相沉积法（MWCVD）生长了厚金刚石层。发现在Si 基GaN 上金刚石和GaN 大部分在冷却时分层，未分层的样品在结合面也有大的间隙或裂纹，而在Si 基AlN 上金刚石和AlN 结合良好，热面热阻低（1.47±0.35 m2·K·GW-1），远小于仅使用纳米金刚石引晶生长的界面热阻（67±58 m2·K·GW-1）。这种方法制备的金刚石形核层大部分为微米金刚石，纳米金刚石填充了微米金刚石之间的空隙，大幅减小了金刚石形核层热阻，但是没有使用该方法制备GaN/AlN/金刚石结构样品。 金刚石在GaN 上异质外延的过程中，通常是在700~1000℃的高温环境中[64]，由于金刚石与GaN 材料之间存在大的热膨胀系数失配，在金刚石生长完成冷却下来后，在金刚石与GaN 之间会存在1 GPa 左右的应力。Jia 等[65]针对热应力的问题，提出了一种GaN 两侧生长金刚石的方法，首先在GaN 上层沉积2 μm 厚Si 层，然后在Si 层上低温、高甲烷浓度沉积低质量牺牲层金刚石，GaN 下层先去除原衬底、沉积SiN 保护层，再沉积高质量金刚石作为散热层。如图11 所示，制备了金刚石-GaN-金刚石结构，牺牲层金刚石和散热层金刚石共同分担了GaN 收缩带来的应力，在经过退火、去除Si 层和牺牲层金刚石后，GaN/金刚石结构的GaN 层有0.5 GPa 的张应力，GaN转移过程产生的应力得到有效缓解。 2.3 GaN 异质外延金刚石技术 2.3.1 金刚石钝化层散热技术 金刚石钝化散热技术，是一种利用金刚石薄膜替换原有源区的传统钝化层SiNx 的技术，使用金刚石包覆器件层，可以显著提高器件的性能。相比其他技术，这项技术的优势在于金刚石层与热源接近，散热效率更高，但是存在金刚石层生长工艺与GaN 器件层工艺的兼容性问题。 金刚石钝化层通常使用异质外延的方法制备，如MPCVD、HFCVD 等，这些方法都需要高温、富氢等离子体的条件，GaN 会发生严重的刻蚀、分解，为了解决这个问题，通常在GaN 器件层上沉积保护层用于保护GaN，且由于金刚石和GaN 之间大的热膨胀失配，需要在低温环境中沉积金刚石钝化层，减小应力。例如Yaita 等[66]在沉积金刚石钝化层之前，先沉积40 nm 厚SiNx 层，然后在700℃的温度下沉积了2.5 μm 厚金刚石钝化层，由于沉积温度较低，金刚石层热导率仅为200 W·m-1·K-1，但是GaN 器件的热阻也从12.7mm·K·W-1 降低到7.4 mm·K·W-1，降幅达到了41.7%。国内南京电子器件研究所Guo 等[67]进一步优化工艺，采用栅前金刚石的方法，使用三步金刚石刻蚀技术和20 nm SiN 保护层，成功在GaN HEMTs 器件的顶端制备了500 nm 厚的金刚石钝化散热层，其结构示意图如图12 所示。经测试，金刚石/GaN HEMTs 的热阻比传统SiN/GaN HEMTs 低21.4%，截止频率为34.6 GHz，比SiN/GaN HEMTs 提高了1.8%，尤其是电流电压(VGS=1 V)和小信号增益（10 GHz）分别提高了27.9%和36.7%。金刚石钝化散热技术具有很好的应用前景，但是制备过程需要高精度的加工工艺，同时，由于金刚石膜沉积温度低，导致其晶体质量不高，无法发挥金刚石导热率高的优势，在实际应用中还需要进一步研究和改进。 2.3.2 金刚石衬底外延技术 随着金刚石制备技术不断发展和完善，金刚石衬底异质外延GaN 技术也被用于改善散热需求，和金刚石衬底异质外延GaN 技术一样，也存在热膨胀系数失配和晶格失配的问题，会使GaN 外延层发生剥离或破裂，需要使用额外的缓冲层缓解失配。同时金刚石衬底质量对GaN 外延层质量也有很大影响，现在常用(111)单晶金刚石作为衬底，但是成本昂贵[68-71]。Pantle 等[72]研究了单晶金刚石取向和缓冲层对GaN 质量的影响，在(111)单晶金刚石、(001)单晶金刚石和具有AlN 缓冲层的(001)单晶金刚石上使用MBE 工艺选择性沉积了GaN 纳米线，GaN 纳米线结构如图13所示，在(111)金刚石上生长的GaN 纳米线具有一致的形貌，在(001)金刚石上生长的GaN 纳米线有多重形核和聚结。在具有AlN 缓冲层的(001)金刚石上生长的GaN纳米线有最一致的形貌，表面光滑，生长偏转角度小，且缺陷最少。Xu 等[73]在多晶金刚石上使用MOCVD 工艺生长了GaN 薄膜，发现在具有2.5 nm h-BN 插入层和1000℃低温AlN 层时GaN 层晶体质量最好，相比没有h-BN 插入层的GaN 层，其表面光滑，(002)摇摆曲线的半峰全宽从4.67°降低到1.98°。 Ahmed 等[74-75]结合了GaN 异质外延金刚石技术和金刚石异质外延GaN 技术，工艺步骤如图14 所示，在GaN 表面使用PECVD沉积一层SiNx 保护层，而后使用纳米金刚石颗粒和光刻工艺相结合的方法，经过纳米金刚石加光刻胶旋涂、UV 曝光、显影、干燥和刻蚀过程，在SiNx 保护层上选择性的沉积多晶金刚石层，刻蚀掉未被金刚石覆盖的SiNx 保护层部分，暴露出GaN 层，之后在暴露的GaN 和金刚石上层使用优化的MOCVD 工艺横向外延过生长GaN 层，再生长GaN 层质量比原始GaN有更好的结晶度和更低的缺陷密度，但是由于金刚石与GaN 热膨胀系数失配较大，以及多晶金刚石的粗糙表面(RMS>30 nm)，在金刚石与GaN 之间出现了图15 所示的孔隙和空洞，进一步降低金刚石表面粗糙度也许可以获得完全结合的界面。 3.总结与展望 本文对近年来金刚石和GaN 集成技术的研究现状进行了详细的综述。GaN 功率器件的高功率密度优势受制于其衬底材料的低导热率而无法完全发挥，使用高导热率的金刚石作为器件的钝化层和衬底层，可以大幅度降低器件热点温度，提高器件功率密度。对于各种金刚石与GaN 的集成技术，优缺点以及可能的改进方法可以总结为以下几点： （1）键合技术的优势在于键合温度普遍较低，键合后金刚石与GaN 之间热应力小，对GaN 层的热损伤小，缺点在于键合层质量、厚度难以控制导致键合层热阻高，且大尺寸、低粗糙度、低弯曲度的金刚石获取成本高，可以从键合后处理工艺以及键合设备开发入手，还需要优化金刚石精密抛光工艺，探索新型金刚石表面处理技术； （2）GaN 异质外延金刚石技术优势在于金刚石与GaN 结合强度高，结合均匀性好，但是由于金刚石与GaN 之间的热膨胀失配和晶格失配，冷却后金刚石与GaN 之间热应力大，可能导致分层或外延层开裂，还存在保护层、金刚石形核层热阻高的问题，可以从金刚石低温沉积以及提高形核层晶粒尺寸、减小形核层厚度入手，同时探索新型保护层材料和保护层制备工艺； （3）金刚石异质外延GaN 技术优势在于可以使用大尺寸高导热率金刚石作为散热层衬底，但是也存在热膨胀失配和晶格失配的问题，同时缓冲层热阻高，可以从开发新型缓冲层或多层缓冲层入手，以减小热应力和缓解晶格失配。 总的来说，目前的金刚石与GaN 集成技术已经大大提升了GaN 的实际应用功率密度，但是仍有许多问题亟需解决。目前的研究大多是对器件层或衬底层单独的研究，将其高效的结合起来，金刚石用于GaN 功率器件的三维散热，将大幅度降低器件温度，有望在未来完全发挥GaN 的高功率密度高频率优势。
引言：在高速和射频领域，S参数是一个极其重要的参数，S参数即反射和传输系数，用于衡量高速(RF)器件和传输线之间的阻抗匹配情况。在链路仿真、器件性能评估、设计优化方面使用非常广泛，本节简述S参数相关知识。
引言：分立式开关也叫射频传导开关，作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等。
现代科技推动下，芯片制造全流程堪称一场精密的工艺之旅，整个工艺过程不仅展示了材料科学的前沿突破，更是人类智慧与先进科技的完美融合。在全球数字化转型背景下，了解半导体制造过程对于从事电子制造领域或对此感兴趣的人来说极为重要。
随着电子产品需求的不断提升，半导体封装技术的发展已经从2D 结构发展到2.5D 乃至3D结构，这对包括高密度集成和异质结构封装在内的系统级封装（System in Packaging， SiP）提出了更高的要求。以当下热门的晶圆级封装为切入点，重点阐述并总结目前在晶圆级封装结构中出现的3 种垂直互连结构：硅通孔（Through Silicon Via，TSV)、塑封通孔(Through Molding Via，TMV)、玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)。这3 种垂直互连结构也是业内公认的推进三维集成封装的关键技术。 21 世纪初，晶圆级封装技术实体问世，起初晶圆级封装依靠其封装尺寸小型化、低成本和高性能的优势在市场应用中获得认可，但随着用户需求的不断提升，移动设备向高集成化、轻量化以及智能化的趋势发展，对先进封装提出了更高的要求。2010 年之后，封装技术有了质的突破，在封装体的纵向和横向上取得显著成效，出现了扇出型封装、多芯片异构集成封装、三维异质集成封装以及将所有封装形式和结构融合于一体的系统级封装。 作为上下互连的中介层结构，垂直互连结构对三维封装集成能力以及实现系统整合具有不可替代的作用，其中硅通孔（Through Silicon Via，TSV)、塑封通孔(Through Molding Via，TMV) 和玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)互连结构在近些年的先进封装领域中是最为普遍的结构，通过垂直互连提高了封装体的高密度互连能力，使得集成度更高、传输速率更快、寄生干扰更小、高频特性更优越。 TSV 垂直互连结构 根据硅通孔在工艺制程中形成的顺序，TSV 结构可以分为先通孔工艺（Via First）、中通孔工艺（Via Middle）和后通孔工艺（Via Last）。其中后通孔工艺还分为正面后通孔工艺和背面后通孔工艺。 TSV 技术被看做是一个必然的互连解决方案，也是目前倒装芯片和引线键合型叠层芯片解决方案的很好补充。TSV 结构能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大提升芯片传输速度并降低功耗。因此，业内人士将TSV 技术称为继引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊（TAB）和倒装芯片（FC）之后的第四代封装技术。 但是TSV 技术的发展也不可避免地存在一些问题亟待解决，首先是超薄硅圆片技术，其次是高密度互连的散热问题，再者是3D封装与目前封装工艺的兼容性问题，包括兼容的工艺设备和工具，这涉及到成本问题，且未形成一套统一的行业标准以及系统的评价检测体系。 TMV 垂直互连结构 TMV 结构的制备原理较为简单，如图5所示，即经过塑封工艺后，利用激光钻孔的方式在塑封体中制备垂直通孔，通孔的底部连接金属。随后，通过溅射和电镀工艺在通孔中填入导电材料，辅助以打线键合及回流焊工艺实现逻辑与内存组件的三维互联。 TMV 技术作为众多3D 垂直互联方案的一种，填补了倒装以及TSV 封装技术等高端市场以外的空白。 TGV 垂直互连结构 随着封装体的集成度不断提高，系统级封装和3D异质结构的复杂性以及器件加工工艺和材料特性能力等的需求，加之TSV/TMV 互连结构本身也存在局限性，所以在2.5D 和3D 封装领域必然出现不同路线的工艺和材料方案，以弥补市场需求。 在2010 年第60 届电子元件和技术会议上，来自德国费劳恩霍夫可靠性和微集成研究所的迈克尔博士，与专业的玻璃材料制造商肖特公司联合，首次提出了TGV 技术概念，提出玻璃通孔在工艺稳定性、制程成本以及射频和微波电性能方面相对于硅通孔较为优越。 在随后的几年里，业界诸多专家学者对玻璃及TGV 结构的应用进行了深入的拓展和探索研究，国内以厦门云天半导体科技有限公司为首，国外以肖特、博世公司为首，在应用领域不断挖掘，目前已知在MEMS 封装、3D IC 转接板以及IPD集成和射频元器件工艺方面的尝试均取得了非常不错的效果。尤其在2015 年之后，由于5G 毫米波概念慢慢进入人们的视野，业内诸多专家学者和无线通讯以及信号基站制造商针对使用玻璃为载体的TGV 结构工艺，探索其在高频信号下的传输性能，最后因玻璃具备电阻率较高、高信号隔离、低介电损耗的特性取得了非常优秀的成果。而TSV 工艺结构中的半导体硅材料，在电场或磁场影响下载流子会移动从而影响电路信号，所以以玻璃为载体的TGV 工艺结构在毫米波产品应用中更优于TSV 结构。 TGV 结构及相关技术在光通信、射频、微波、微机电系统、微流体器件领域有广泛的应用前景。此外，因为玻璃的物理特性可控，工艺中无需制作绝缘层，降低了工艺复杂度和成本，所以在未来三维异质集成中，TGV 结构被认为是替代TSV 结构的理想解决方案。 TGV 结构工艺 对于TGV 互联结构的一大挑战就是如何快速且经济地形成大批量结构通孔（如图7所示）。TGV 结构的通孔形成方法和TSV结构相比，虽然最终目的是一样的，都是完成封装体内部结构的垂直互联作用，但因玻璃和硅材料本身还是存在不小的差异，所以工艺制程上又存在区别，目前为大家熟知的TGV 结构中通孔形成的方式有超声钻孔、喷砂工艺、湿法刻蚀、深反应离子刻蚀DRIE、激光钻孔、聚放电工艺FED、光敏玻璃感光成形以及采用激光诱导深度蚀刻LIDE。 传统的喷砂法、湿法刻蚀法都存在一定的局限性，深反应离子刻蚀的效率十分低下。激光钻孔是较为适用的方法，因其成本低且覆盖范围广赢得了业界的关注。激光钻孔根据波长和类型分为好几类，其中有波长从1 μm 短波激光到10.6 μm 的CO2 激光，还有具备紫外波长的准分子激光。CO2 激光因其工艺质量和效力不高而被否定，而基于准分子激光和聚放电工艺技术的TGV 通孔效力可达每秒上千个玻璃通孔。 乐普科激光电子股份有限公司及厦门云天半导体科技有限公司分别在2014 和2019 年对激光诱导刻蚀工艺进行介绍和深度研究，被认为是目前对TGV 通孔成形最有效的方式。其工艺步骤主要为两步：第一是用皮秒激光去改性基底玻璃，第二步使用10%的HF 去做玻璃刻蚀从而形成玻璃通孔。这一工艺被厦门云天半导体科技有限公司称之为LaserInduce Deep Etching，其形成的玻璃通孔可以获得较高的深宽比，同时没有碎屑和裂纹，工艺具有良好的稳定性，且深入研究表明此工艺如果使用材质是硅玻璃，其垂直通孔形成后表面将更为光滑。LPKF 激光所进行的玻璃改性的处理速度为每秒大约5000 个玻璃通孔，TGV 的直径可达10~50 μm，节约了大量的工艺时间并保证了工艺能力。 形成玻璃通孔只是TGV 结构工艺过程的一部分。填孔和金属化布线是接下来不可或缺的工作。TGV 结构转接板基本流程为：在玻璃通孔完成之后进行通孔电镀，之后再进行介电层和布线层以及金属化层等类似TSV 结构的工艺制程。TGV 金属化流程及相关切片如图8 所示。 TGV 技术优劣性及挑战 玻璃通孔技术虽然有诸多优势，但同时也存在着多方不足。一是现有的方法虽然可以实现TGV 结构，但有些方法会损伤玻璃，且造成表面不光滑；二是大多数加工方法效率低，没法大规模量产；三是TGV 结构的电镀成本和时间相比TSV 结构略高；四是玻璃衬底材质表面的黏附性较差，容易导致RDL 金属层异常；五是玻璃本身的易碎性和化学惰性给工艺开发带来了难度。还有就是此技术对于市场而言还属于相对新兴的技术，虽然已有不错的反响，且市场规模在逐年扩大，但市场需求和应用生态还没有产生很大的改变，有待未来进一步的发展。 TSV、TMV、TGV 结构都有各自的优点和缺点，没有一种通孔结构可以完美应用于各种高密度高维度集成封装。TSV 结构在半导体电子存储和CIS 领域有相对明显的优势，但材料兼容性不高、工艺成本高昂。TMV 结构则工艺简单、成本低廉，具有较高的经济实用性，但工艺技术能力的应用处于相对低端封装领域。TGV 结构虽在射频和微波传输方面有更大的优势，但是材料工艺有局限性。3 种垂直互连结构具体如何运用，还要结合具体的实际应用需求，以使得封装结构更合理，优点更多，性能更突出。同时，未来还需持续优化各个垂直互连结构，改进各垂直互连结构的工艺方法，进一步完善高密度集成封装技术。
目录 一、交流电源防雷器（一）单相并联式防雷器（三）单相串联式防雷器（四）三相串联式防雷器二、通信机房用直流电源防雷器（一）并联式直流电源防雷器（二）串联式直流电源防雷器三、通用两级信号防雷器（一）双绞线型（二）同轴线型四、小功率电源变压器或开关电源保护电路（以两组输出为例）五、通讯电子设备的保护电路六、直流电源与信号同传1、110V 不接地电源与信号同传：2、+24V 负极接地电源与信号同传：七、信号电路的二级双重保护方式八、检测/控制电路的保护九、单级信号防雷器1、只用玻璃放电管的保护电路2、只用半导体过压保护器的保护电路3、只用 TVS 管的保护电路十、天馈防雷器1、单级电路天馈防雷器2、二级电路天馈防雷器3、三级电路天馈防雷器十一、防静电保护器 一、交流电源防雷器 （一）单相并联式防雷器 电路一：最简单的电路 说明： 1、优点：电路简单，采用复合对称电路，共模、差模全保护， L、N 可以随便接。 缺点：压敏电阻RV1 短路失效后易引起火灾。最好在每个压敏电阻上串联一个工频保险丝以防压敏电阻短路起火。如果L、N 线不可能接反，则可省去压敏电阻RV2、RV3，将放电管G 的上端直接接到N 线上，构成“1+1”电路。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，以延长使用寿命和确保安全）。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 电路二：较安全的电路 说明： 1、优点：采用复合对称电路，共模、差模全保护， L、N 可以随便接，正常工作时无漏电流，可延长器件使用寿命，由于陶瓷气体放电管失效模式大多为开路，不易引起火灾。缺点：万一压敏电阻和陶瓷气体放电管都短路失效时还有可能起火。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，以延长使用寿命和确保安全）。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 电路三：通用的安全保护电路 说明： 1、优点：采用复合对称电路，共模、差模全保护，L、N 可以随便接，安全，压敏电阻短路失效后能与电路脱离，一般不会引起火灾。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 3、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个工频保险丝以防工频过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 4、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 5、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 （二）三相并联式防雷器 电路一：最简单的电路 说明： 1、优点：采用“3+1”电路，电路简单，三相全保护。缺点：压敏电阻短路失效后易引起火灾。最好在每个压敏电阻上串联一个工频保险丝以防压敏电阻短路起火。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（如图所示为每相两个压敏电阻并联，应挑选压敏电压值相近的并联，以延长使用寿命和确保安全）。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 电路二：较安全的电路 说明： 1、优点：采用“3+1”电路，三相全保护，正常工作时无漏电流，可延长器件使用寿命，由于陶瓷气体放电管失效模式大多为开路，不易引起火灾。缺点：万一压敏电阻和陶瓷气体放电管都短路失效时还有可能引起火灾。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（如图所示为每相两个压敏电阻并联，应挑选压敏电压值相近的并联，以延长使用寿命和确保安全）。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 电路三：通用的安全保护电路 说明： 1、优点：采用“3+1”电路，三相全保护，安全，压敏电阻短路失效后能与电路脱离，一般不会引起火灾。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（如图所示为每相两个压敏电阻并联，应挑选压敏电压值相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 3、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个工频保险丝以防工频过电压瞬间穿压敏电阻起火。 4、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 5、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 （三）单相串联式防雷器 单相通用安全保护电路： 说明： 1、优点：采用两级复合对称电路，共模、差模全保护，残压低，L、N 可以随便接，安全，压敏电阻短路失效后能与电路脱离，一般不会引起火灾。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（如图所示第一级为m 个压敏电阻并联，第二级为n 个并联，应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 3、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个工频保险丝以防工频过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 4、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 5、压敏电阻和放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，放电管为最大通流容量的一半左右）。 6、串联电感为空心电感，电感量应≥20μH，导线直径应按负载电流计算。 （四）三相串联式防雷器 三相通用安全保护电路： 说明： 1、优点：采用两级“3+1”电路，三相全保护，残压低，安全，压敏电阻短路失效后能与电路脱离，一般不会引起火灾。 2、压敏电阻的压敏电压值参照下表选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（如图所示第一级为m 个压敏电阻并联，第二级为n 个并联，应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 3、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个工频保险丝以防工频过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 4、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压为470V～600V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 5、压敏电阻和放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，放电管为最大通流容量的一半左右）。 6、串联电感为空心电感，电感量应≥20μH，导线直径应按负载电流计算。 二、通信机房用直流电源防雷器 （一）并联式直流电源防雷器 1、正极接地（-48V）直流电源 说明： 1、压敏电阻在图上所标型号中选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 2、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个电流保险丝以防操作过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压一般为90V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 2、负极接地（+24V）直流电源 说明： 1、压敏电阻在图上所标型号中选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高）；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 2、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个电流保险丝以防操作过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压一般为90V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 3、正负对称直流电源 说明： 1、压敏电阻在图上所标型号中选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高），根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全）。 2、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个电流保险丝以防操作过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择，直流击穿电压一般为150V。当要求的通流容量≤3KA 时，可以用玻璃放电管代替。 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右） （二）串联式直流电源防雷器 1、正极接地（-48V）直流电源 说明： 1、压敏电阻在图上所标型号中选取（压敏电压高的更安全、耐用，故障率低，但残压略高），根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，要求通流容量Im 大时，第一、二级可以如图所示分别用ｍ个、ｎ个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全），按第一级Im1≥Im，第二级Im2≥（0.2～0.3）Im 估算。 2、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个电流保险丝以防操作过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 3、第一个陶瓷气体放电管G1 的通流容量根据要求的通流容量Im 选择，第二个放电管G2 可以参照第二级Im2 选择。 4、压敏电阻和放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，放电管为最大通流容量的一半左右）。 5、串联电感为空心电感，电感量应≥20μH，导线直径应按负载电流计算。 2、负极接地（+24V）直流电源 说明： 1、压敏电阻在图上所标型号中选取（压敏电压高的更安全、耐用，故障率低，但残压略高），根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，要求通流容量Im 大时，第一、二级可以如图所示分别用ｍ个、ｎ个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全），按第一级Im1≥Im，第二级Im2≥（0.2～0.3）Im 估算。 2、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个电流保险丝以防操作过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 3、第一个陶瓷气体放电管G1 的通流容量根据要求的通流容量Im 选择，第二个放电管G2 可以参照第二级Im2 选择。 4、压敏电阻和放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，放电管为最大通流容量的一半左右）。 5、串联电感为空心电感，电感量应≥20μH，导线直径应按负载电流计算。 3、正负对称直流电源 说明： 1、压敏电阻在图上所标型号中选取（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高），根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，要求通流容量Im 大时，第一、二级可以如图所示分别用ｍ个、ｎ个压敏电阻并联（应挑选压敏电压相近的并联，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管，以延长使用寿命和确保安全），按第一级Im1≥Im，第二级Im2≥（0.2～0.3）Im 估算。 2、温度保险管一般采用130℃～135℃、10A/250V 的，应与压敏电阻有良好的热耦合。最好再串联一个电流保险丝以防操作过电压瞬间击穿压敏电阻起火。 3、陶瓷气体放电管的通流容量根据要求的通流容量选择 4、压敏电阻和气体放电管都必须按冲击10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 5、串联电感为空心电感，电感量应≥20μH，导线直径应按负载电流计算。 三、通用两级信号防雷器 （一）双绞线型 通用电路一： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和 TVS 管的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： 通用电路二： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②玻璃放电管和 TVS 管的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③本电路只适用于冲击电流不大于玻璃放电管最大脉冲放电电流的场合，且电路中没有连续直流电压。 通用电路三： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.6Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和半导体过压保护器的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③本电路只适用于电路中没有连续直流电压的场合。 通用电路四： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.6Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和半导体过电压保护器的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③使用电压低的半导体过电压保护器时，必须如图所示在接地端串联玻璃放电管；当使用电压高于100V 的半导体过电压保护器时可以不串联玻璃放电管。 ④本电路只适用于电路中没有连续直流电压的场合。 通用电路五： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和 TVS 管的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③本电路适用于传输高频/高速信号（最高频率可达20MHZ）。 （二）同轴线型 （1）外导体接地电路： 通用电路一： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和 TVS 管的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③电路带宽很宽，可以传输 20MHZ 以下的高频信号。 ④输入、输出接头应分别与原系统的接头类型相配。 通用电路二： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.6Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和半导体过压保护器的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③本电路只适用于电路中没有连续直流电压的场合。 ④输入、输出接头应分别与原系统的接头类型相配。 通用电路三： 说明： ①本电路只适用于信号频率/速率较低，且电路中没有连续直流电压的场合。 ②R 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.6Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ③玻璃放电管和半导体过电压保护器的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ④输入、输出接头应分别与原系统的接头类型相配。 （2）外导体不接地电路： 通用电路一： 说明： ①电路带宽很宽，可以传输 20MHZ 以下的高频信号。 ②陶瓷气体放电管和 TVS1 的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ④输入、输出接头应分别与原系统的接头类型相配。 通用电路二： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②玻璃放电管和半导体过压保护器的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③本电路只适用于信号频率/速率较低的场合。 ④输入、输出接头应分别与原系统的接头类型相配。 （三）提高传输频率/速率的方法 1、采用低电容TVS 管或半导体过压保护器 传输频率/速率≥10MHz，Cj≤60pF； 传输频率/速率≥100MHz，Cj≤20pF。 2、将TVS 管或半导体过压保护器串入高速整流桥中（如下图所示）： 四、小功率电源变压器或开关电源保护电路（以两组输出为例） 电路一： 说明： ①自恢复保险丝 PTC 根据输入电流和最高工作环境温度选择，压敏电阻RV1 的通流容量根据输入浪涌电流大小选择（一个不够时，可用几个并联，参照“一、交流电源防雷器” ），压敏电压应在470～620V 之间选取（电压很不稳定的地方应选更高的）。关注@电路一点通 ② RV2、RV3 根据U1、U2 的数值选择压敏电压值，外形大小根据输出线长度选择，不带长引线时用5D 或7D，用长引线输出时，应选用通流容量更大的压敏电阻（引线越长，通流容量要越大）。 ③陶瓷气体放电管一般用直流击穿电压 470V 的，通流容量根据输入浪涌电流大小选择。 电路二： 说明： ①自恢复保险丝 PTC 根据输入电流和最高工作环境温度选择，压敏电阻RV1 的通流容量根据输入浪涌电流大小选择（一个不够时，可用几个并联，参照“一、交流电源防雷器” ），压敏电压应在470～620V 之间选取（电压很不稳定的地方应选更高的）。 ② TVS1、TVS2 一般用1.5KE 系列的（浪涌电流很小的地方也可用P6KE 系列的），根据U1、U2 的最大峰值电压选择击穿电压值（VBRmin≥1.2Up）。 ③陶瓷气体放电管一般用直流击穿电压 470V 的，通流容量根据输入浪涌电流大小选择。 ④本电路只适用于输出端不带长引线、浪涌电流较小的地方使用（例如在同一块电路板或相邻电路板上）。 电路三： 说明： ①自恢复保险丝 PTC 根据输入电流和最高工作环境温度选择，压敏电阻RV1 的通流容量根据输入浪涌电流大小选择（一个不够时，可用几个并联，参照“一、交流电源防雷器” ），压敏电压应在470～620V 之间选取（电压很不稳定的地方应选更高的）。 ② RV2、RV3 根据U1、U2 的数值选择压敏电压值，外形大小根据输出线长度选择，不带长引线时用5D 或7D，用长引线输出时，应选用通流容量更大的压敏电阻（引线越长，通流容量要越大）。输出电流较大时，要在线上串联自恢复保险丝PTC2、PTC3（根据输出电流和最高环境温度选择）。 ③陶瓷气体放电管一般用直流击穿电压470V 的，通流容量根据输入浪涌电流大小选择。 五、通讯电子设备的保护电路 电路一： 说明： ①本电路适用于架空线引入或其它浪涌电流较大的场合。 ②陶瓷气体放电管的最大放电电流一般选 10kA 或5kA，直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表：关注@电路一点通 ③TVS 管用 P6KE220CA 型。如果传输线上没有振铃信号，则可用P6KE68CA 型。 ④R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（4.3～5.6Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 电路二： 说明： ①在埋地电缆引入或其它浪涌电流较小的场合使用。 ②BLSA1、BLSA2 用YA-301 型或 YS-301 型玻璃放电管。 ③TVS 管用 P6KE220CA 型。如果传输线上没有振铃信号，TVS 管可用P6KE68CA 型。 ④R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（3.6～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 电路三： 说明： ①在埋地电缆引入或其它浪涌电流较小的场合使用。 ②R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（3.6～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ③使用电压低（≤100V）的半导体过压保护器时，必须如图所示在接地端串联玻璃放电管（BLSA3）；当使用电压高于100V 的半导体过压保护器时可以不串联玻璃放电管。 六、直流电源与信号同传 1、110V 不接地电源与信号同传： 电路一 电路二 2、+24V 负极接地电源与信号同传： 电路一 电路二 七、信号电路的二级双重保护方式 说明： 图中所标元件型号适用于信号幅度≤6V，整流桥中所接的P0080 可以用P6KE7.5A型TVS 管代替（负端朝左）。其它信号幅度时，要更换元件型号。 八、检测/控制电路的保护 例如：水、电、煤气抄表系统，门禁、对讲、报警系统，这类系统一般采用低频（脉冲）信号或直流（交流）开关信号。这类系统又分为不接地系统和接地系统两大类。 （1）不接地系统保护电路： 说明： ①R1、R2 可以用普通金属氧化膜电阻（4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和 TVS 管的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③电路中没有连续直流电压时，TVS 管可以用击穿电压相当的半导体过压保护器代替。当浪涌电流较小时，陶瓷气体放电管可以用击穿电压相当的玻璃放电管代替。 （2）接地系统保护电路： 说明： ①R 可以用普通金属氧化膜电阻（4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））。 ②陶瓷气体放电管和 TVS 管的直流击穿电压根据信号电压幅度选择，见下表： ③电路中没有连续直流电压时，TVS 管可以用击穿电压相当的半导体过压保护器代替。当浪涌电流较小时，陶瓷气体放电管可以用击穿电压相当的玻璃放电管代替。 九、单级信号防雷器 1、只用玻璃放电管的保护电路 说明： ①可用于信号频率/传输速率很高，但没有连续直流电压的场合。 ②玻璃放电管的直流击穿电压应根据信号电压峰值，按下式选择： VBRmin≥1.2USpeak ③既可以对不接地的双线传输线进行保护，也可以在有公共接地线的传输系统中（如图中虚线所示）对需要保护的线进行独立保护。 2、只用半导体过压保护器的保护电路 说明： ①可用于信号频率/传输速率较低，且没有连续直流电压的场合。 ②半导体过压保护器的击穿电压应根据信号峰值电压，按下式选择： VBR≥1.2USpeak ③当所用半导体过压保护器的击穿电压低于 100V 时，应在接地端串联一个击穿电压大于100V 的二端半导体过压保护器或玻璃放电管再接地，如下图所示。 ④当传输线中有公共接地线（如图中虚线所示）时，采用“（1）不带差模保护”的电路，可以对1 线、2 线、⋯⋯分别进行保护。 3、只用 TVS 管的保护电路 说明： ①可用于信号频率/传输速率较低、线路中可能有连续直流电压、浪涌电流较小的场合。 ②TVS 管的直流击穿电压应根据信号电压峰值，按下式选择： VBRmin≥1.2USpeak ③当接地线较长、信号易受干扰时，可在TVS1、TVS2（左图）或TVS2、TVS3（右图）之间加接击穿电压大于100V 的TVS 管或玻璃放电管再接地，如下图所示。 ④当传输线中有公共接地线（如图中虚线所示）时，采用“（1）不带差模保护”的电路，可以对1 线、2 线、⋯⋯分别进行保护。 ## 4、复合保护电路 说明： ①可用于信号频率/传输速率较高（≤10MHZ）的场合。整流桥若用快速恢复二极管构成，传输信号频率/速率可达20MHz 以上。 ②当线路中有连续直流电压时，必须采用电路二。 ③图中所标元件型号适用于信号幅度≤6V。信号幅度更大时，要更换整流桥中所接元件型号（参照“两级信号保护电路”关于TVS 管和半导体过压保护器选择的说明）。 ④当接地线较长、信号易受干扰时，TVS1、TVS2 应选用击穿电压≥100V、且峰值脉冲功率更大的TVS 管，或采用电路三。 十、天馈防雷器 1、单级电路天馈防雷器 说明： ①可以同时传送电源，保护效果较差，适用于天线不带放大器或虽然带放大器但耐冲击能力较强的场合。 ②同轴腔体和两端的接头是根据系统所用接头类型、传输信号频率范围专门设计加工的。 ③陶瓷气体放电管一般选用通流容量 20kA 的，直流击穿电压主要根据所传输的信号功率大小选取，一般50W 以下用90V 的，传输功率越大，应选用直流击穿电压越高的放电管。 ④将放电管装入腔体后，用微波网络分析仪测试信号频率范围内的驻波系数、插入损耗应满足要求。 ⑤在户外使用时，腔体、接头、放电管安装孔都必须设计成防水的。 2、二级电路天馈防雷器 说明： ①保护效果好，残压低，可以同时传送电源，适用于天线带放大器或不带放大器的场合。 ②腔体和输入、输出接头是根据系统所用接头类型、传输信号频率范围专门设计加工的。 ③陶瓷气体放电管一般选用通流容量 20kA、直流击穿电压90V 的。 ④TVS 管一般用1.5KE 系列的，击穿电压根据所传输的直流电压或交流电压峰值选取（VBRmin≥1.2UDC 或VBRmin≥1.2Up）。 ⑤ C 是由紫铜片构成的平板电容器，平板间加聚四氟乙烯薄膜；L1、L3 是用漆包紫铜线绕成的空心电感，L2 可用100μH 左右的铁心电感。 ⑥将元件装入腔体后，用微波网络分析仪测试信号频率范围内的驻波系数、插入损耗应满足要求。 ⑦在户外使用时，腔体、接头和盖板都必须设计成防水的。 3、三级电路天馈防雷器 说明： ①保护效果很好，残压低，可以同时传送电源，适用于天线带放大器或不带放大器的场合。 ②腔体和输入、输出接头是根据系统所用接头类型、传输信号频率范围专门设计加工的。 ③陶瓷气体放电管一般选用通流容量 20kA、直流击穿电压90V 的。关注@电路一点通 ④压敏电阻 RV 一般选用20D100K 型的。 ⑤TVS 管一般用1.5KE 系列的，击穿电压根据所传输的直流电压或交流电压峰值选取（VBRmin≥1.2UDC 或VBRmin≥1.2Up）。 ⑥C 是由紫铜片构成的平板电容器，平板间加聚四氟乙烯薄膜；L1、L4 是用漆包紫铜线绕成的空心电感，L2、L3 可用100μH 左右的铁心电感。 ⑦将元件装入腔体后，用微波网络分析仪测试信号频率范围内的驻波系数、插入损耗应满足要求。 ⑧在户外使用时，腔体、接头和盖板都必须设计成防水的。 十一、防静电保护器 说明： ① “电路一”响应时间最短，通流量较小，适用于不能接地的设备、部件或电路； ② “电路二”响应时间较短，通流量可大可小，适用于不能接地的设备、部件或电路； ③ “电路三”响应时间很短，通流量较大，适用于可以接地的设备、部件或电路； ④ “电路四”响应时间较短，通流量较小，适用于可以接地的设备、部件或电路； ⑤ 所用器件的击穿电压（压敏电压）应低于被保护设备、部件或电路所能承受的最高电压，但要高于电路最高工作电压，通流量根据可能感应的最大静电荷量折算成的电流值选取。
超短波(ultra-short wave)亦称甚高频(VHF)波、米波(波长范围为1米至10米)，频率从30兆赫至300M赫的无线电波，传插频带宽，短距离传播依靠电磁的辐射特性，用于电视广播和无线话筒传送音频信号，采用锐方向性的天线...
最基本的RFID系统由三部分组成：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象;阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式;天线(Ant...
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