CMOS在电路中具有重要作用，大家对于CMOS通常较为耳熟。但是，大家对于CMOS却未必十分了解。为增进大家对CMOS的认识，本文将对CMOS相关知识予以详细介绍。如果你对本文内容具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。 CMOS(Co...
输入传感器被归类为有源或无源。无源传感器，如热电偶或光电二极管(在电压输出模式下)，是双端口设备，可以直接将物理能转换为电能，产生输出信号而不需要励源。有源传感器(如一般的有源电路)需要外部激励源。电阻式传感器(如热敏电阻、电阻温度检测器、
摘要： 导热绝缘材料指的是一种具备绝缘和导热性能的材料，在微电子集成技术不断发展的过程中，逻辑电路和电子元器件的体积比较小，工作频率也在不断增加，元器件工作环境温度提高。为了使电子元器件可靠的工作，高导热绝缘材料被广泛应用到电子封装、微电子、电机电器等行业中。大部分聚合物材料的热导率比较低，无法作为导热材料，所以要设置导热性物质，使导热率增加。因此，对导热绝缘材料在电子器件中的应用进行分析，开发耐高温、导热性的材料，促进电力电子器件朝着耐高温工作方向发展。 热绝缘材料指的是一种具备绝缘和导热性能的材料，电阻率大于１０１０Ω·ｍ。但是为高导热绝缘材料进行定义，并没有明确的界限，在不同应用场合对于导热性能好坏定义具有一定的差别。比如，导热绝缘材料在电力电子器件中使用的时候，对于聚合物、陶瓷等不同类型基板，导热性能的优良性定义各有不同。总体来说，陶瓷基板导热性能比聚合物基板要好［１］。 １导热绝缘材料的物理基础特性 功率半导体模块能够实现电能控制与转换，为节能减排核心技术和基础器件，在新能源、输配电、轨道交通和电动汽车等领域使用。功率模块封装技术为集材料性能研究与应用为一体的综合性学科，封装材料因为功率模块封装方式多样化而不同。通过材料种类划分为无机材料和有机材料，无机封装材料包括水凝胶陶瓷、玻璃等因为烧结温度过高导致应用比较少；有机封装材料包括环氧树脂、有机硅等高分子材料，在功率模块中使用范围比较广。绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）的主要特点为尺寸小、通态电流大、导通电压低等，ＩＧＢＴ模块根据封装形式的不同分为焊接式和压接式。 根据热动力学说，热指的是通过电子、原子和分子等构成的转动、移动和振动的热量。所以，物质导热机理和构成物质的微观粒子运动具有密切关系。固体内部导热载体包括声子、光子和电子，因为电子自身具备的电荷，电子迁移中具有大量能量，导热率比较高。但是导电体没有绝缘性能，不能够在绝缘材料制备中应用。因为光子热传导作用材料要具备投射性，只能够应用特殊玻璃或者单晶体，没有普遍意义。普通固体材料通过声子出现导热作用，比如金属氧化物和无机非金属材料，此物质晶体结构有序性会使声子平均自由程要大［２］。 导热绝缘高分子材料包括非晶体和晶体２种，通过导热机理分析，晶体导热机理为晶粒热振动，利用声子概念描述；非晶体导热机理是根据无规律排列分子或者原子根据固定位置做热振动使能量对原子和分子传递。因为非晶体能够作为细晶粒的晶体，还能够作为声子对导热进行分析。高分子材料自身的结晶度并不高，并且结晶不完整，晶格和分子的树脂界面、非谐性振动和缺陷等情况导致声子散射，从而降低了聚合物导热系数。 要想制备高导热聚合物分子，通过结构方面分析，高聚物分子具备完善结晶取向结构和共轭结构。但是，导热高分子加工工艺比较复杂，无法实现规模化生产。所以，根据近代固体物理热传导理论，将具有较高导热率的填料掺杂在聚合物基体材料中，从而制得导热聚合物基复合材料［３］。 针对填充型导热聚合物基材料，导热系数和聚合物数值基体相关。在树脂中分散的导热填料包括纤维状、粒状和片状等形状，在填料添加量比较低的时候，通过孤立方式存在于聚合物基体中。此时，连续性为聚合物基体，填料被聚合物集体包覆，和聚合物共混体系的海岛两相体系结构类似。但是，在填料添加量超过阈值的时候，填料或者聚集体会接触局部导热链通过复合材料构成。如果增加填料量，局部导热网和导热链相互贯穿，构成导热网络，提高填充复合材料导热性能。在导热填料添加量得到特定值的时候，颗粒能够相互的接触，构成通路，为高聚合物从热不良导体转变为良导体。此转变指的是逾渗，和其相关的理论能够应用在填充型导热负荷材料中［４］；表１为导热聚合物材料的关键性能指标。 ２有机硅材料特性分析 有机硅材料属于可靠、稳定的高分子材料，主要作用为灌封与导热。有机硅凝胶为固体和液体２种相态的固液共存的特殊硅橡胶，质地柔软，并不会对电子芯片造成机械应力。即便是在－５０～２００℃的条件下，柔软性能不会发生改变，能够对ＩＧＢＴ芯片避免湿气侵蚀，实现减震、防尘、防潮、绝缘等效果。有机硅凝胶种类比较多，反应类型包括缩合型和加成型。缩合型有机硅胶的自修复性和粘接性，在反应过程中存在小分子物质，收缩率比较大，无法实现功率半导体封装。加成型有机硅凝胶通过贵金属催化剂、含氢硅油和乙烯基硅油等构成，反应过程就是活性氢和乙烯基的加成反应，没有副作用和收缩。所以，在ＩＧＢＴ模块封装过程中使用加成型有机硅凝胶［５］。 普通线性聚二甲基硅氧烷凝胶存储在１７５℃以上的环境中超过１０００ｈ比较脆，降低介电性能和力学性能。普通有机硅凝胶存储在２００℃环境中会开裂和黄变，降低了材料性能，这是因为有机硅凝胶纯度不足导致，出现此种情况是受制备工艺和原材料纯度等影响所致。过高的离子含量有机硅凝胶在长时间的高电场和高温环境下会出现硬化、黄变和金属离子迁移等情况，对ＩＧＢＴ模块可靠性造成影响。所以，要重视有机硅凝胶。瓦克所开发的超纯度有机硅凝胶总残余离子含量不超过２×１０－６，在ＩＧＢＴ模块封装方式不断发展的过程中，对有机硅凝胶在封装中的使用提出了一定的要求，有机硅凝胶的耐高温性、高纯度与高阶电性为发展主要方向［６］。 ３环氧塑封材料特性分析 环氧塑封材料能够对电路内部芯片进行保护，避免外界环境影响到芯片，所以使用热导率和机械强度比较高。通过构成方面分析，封装材料包括塑料、陶瓷和金属等，塑料封装材料占据９５％左右。塑封材料重点为环氧树脂，在汽车行业、航空航天和电力电子方面广泛使用。 环氧塑封材料指的是高分子复合材料，将环氧树脂作为机体，使固化促进剂、固化剂、填充剂等根据一定比例利用适当工艺混合成为环氧模塑料。环氧树脂的主要性能为具备良好粘接性，和大部分物质都具备良好粘附性；具有良好收缩性，通过交联固化并不会产生小分子副产物；交联后构成三维立体结构，力学性能良好。国外环氧树脂塑料产业发展比较早，并且产品大部分都处于高端的位置。我国环氧树脂产业的起步比较晚，目前出现了大批全新的环氧树脂产业。环氧塑封材料具备刚性特性和热膨胀系数的特点，并且耐温性能有限，所以中低压ＭＯＳＦＥＴ电力电子模块被广泛使用［７］。 ４环氧灌封胶特性分析 在ＩＧＢＴ模块运行的过程中会受到高潮湿、冲击、机械振动等不利因素的影响，所以要求环氧灌封胶的抗冲击性、硬度和吸水率可靠性良好。热失效会导致ＩＧＢＴ失效，所以要对ＩＧＢＴ封装材料热性能进行重视。环氧树脂和固化物交联密度、分子量等都会对分子链段运动造成阻碍，影响到灌封胶的热稳定性。图１为不同环氧灌封胶热失重分析曲线，通过ＴＧＡ曲线对比起始分解温度和不同温度残留率。通过对比分析［１０⁃１１］，２号环氧灌封胶的耐热性良好。 此环氧灌封胶树脂类型指的是低粘度脂环族环氧树脂，固化剂为甲基六氢苯酐的促进剂。通过ＴＭＡ测试结果表示，此环氧灌封胶使用大分子链的酚醛树脂，分子柔性比较大［９］。 温度变化会使环氧灌封胶体开裂，从而影响到封装结果。所以，环氧灌封胶温度性能对于ＩＧＢＴ模块的影响是最大的。使用的环氧灌封胶能够通过高温存储测试，具有较大的ＣＴＥ值，通过温度循环和低温存储后脱离外壳和胶体，封装失效，说明耐高温下的环氧灌封胶出现问题，所以要对其应用、种类和氧含量进行调整和优化［１２］。 ５结语 电力电子器件朝着高电压、高温度的方向发展，促进封装结构朝着微型化、高功率密度化的方向发展，对于封装材料的要求比较高。为了使电力电子封装材料应用效果得到提高，在此方面要加大投入，针对材料性能和自身分子结构的关系实现关联机制的创建，从而开发耐高温、导热性的材料，促进电力电子器件朝着高温工作方向发展。
01PART是什么 电容器（英文：capacitor，用符号C表示）是将电能储存在电场中的被动电子元件，顾名思义它是一个装载电荷的容器，在线性时不变系统中有： ,模型如图所示 平行板电容器 我们在电路电路中通常研究的是器件u和i的关系，而电流的定义为：单位时间里通过导体任一横截面的电荷量，即电流为电荷的变化率那么 ，从而得出电容的VCR（Voltage Current Resistance）关系： 但是在电路系统计算中，你愿意求解微积分方程吗？因此电容和电感必须引入复域，才能让问题得到有效解决。当然时域研究也是有用处的，以后在测量篇会讲解。 这里采用倒叙的方法，先提前说下电容的阻抗为， w和C大家都知道是角频率和容值，那复数j是什么，怎么来的呢？还记得我在电阻篇说过电容是一个跟电阻差了90度并且随着频率变化的器件。这里的随频率变换体现在w上，那么90度体现在哪里呢，想一想应该就是这个j了，因为w和C都是实数不会出现角度变换，那么这个j就对应了90度。 再看下这个公式怎么解释我们平时知道的电容特性，我们知道电容通高频，阻低频，就是随着频率增高阻抗越小，刚好跟公式w和C在分母上对应，随着频率增加，电容的阻抗降低。 在上面的电容阻抗公式中，我们知道了复数j对应的是角度（900），那么就来探索下j为什么对应了角度。因为j是复数，那先让我们看下复数定义：对于任意实数,x,y形如：z=x+jy的数为复数。x是实部y是虚部。 跟向量一样它可以用平面坐标表示，这个平面叫做复平面。 其中 利用直角坐标与极坐标的关系： 因此复数z=x+jy还可以表示为： 在利用神奇的欧拉公式： 那么复数z=x+jy还可以表示为： 在极坐标下我们知道一个向量可以由模值和角度表示，同理是复数的的极坐标表示。r是模值，φ是角度。 为什么要用极坐标表示呢，因为在这种表示法下，计算会很简单。 举个例子： 乘除法和微分计算： 在电路系统研究中我们喜欢用正弦函数Acos(wt+φ)作为激励源（输入）,因为它的形式比较简单，理论研究的很透彻，并且根据傅里叶变换所有的波形都可以由多个正弦函数叠加表示。因此我们也用正弦函数作为激励来研究稳态下的电容电路，这里有个名词叫做正弦稳态分析（注：在电路研究中我们喜欢把cos叫做正弦，但不影响我们对问题的研究）。 正弦函数有三个特征即：幅度A，角频率w和初相φ，知道了这三个特征后，就唯一确定一个正弦函数。在正弦稳态电路中信号的频率是不会改变的，即输入是的正弦，输出的还是的正弦，只是幅度和相位可能会发生变化。因此如果输入的正弦信号是已知的前提下，只用确定输出信号的幅度A和相位φ，就可以求出输出的正弦信号了。 比如输入的信号是，这个形式是不是很熟悉，没错可以看成复数z=r(cosφ+jsinφ)的实部。即 ， 在通过欧拉公式变换到极坐标: ,因为前面说过，正弦稳态电路中信号的频率不会发生变化，所以我们只用关心幅度和相位，因此令,称其为电压振幅相量，它是一个与时间无关的复数常量。振幅相量是一个复数，但它具有特殊意义，代表正弦波的幅度和相位，为了区分一般的复数，我们在字母头上加一个点。 好了这里就要引出电容阻抗了。 在开头的时候知道电容的时域关系是: 从而得出电容阻抗 现在我们推导出电容阻抗了，那90度怎么来的呢？这里因为 同理： 根据上面复数的极坐标中介绍的对应的就是角度，这里。现在知道了90度怎来的了吧。以后公式中出现的时候要联想到，要想到是90度。 我们这里为什么要做这么麻烦的处理呢，就是为了通过复数引入阻抗，这样正弦稳态电路的计算可以仿照电阻电路的计算来处理。电容的电压电流关系就可以表示为：U=RCI。 需要注意的是这里引入复数只是为了计算方便，实际上并不存在复数的电压和电流，也没有一个器件的参数会是虚数，复数只是对正弦稳态电路分析的工具。 电容的理论分析已经完了，接下来让我们看下常见的电容。 1 直插电容（Leaded capacitor） 几乎所以电容都可以做成直插式，包括：电解电容，陶瓷电容，超级电容器，薄膜电容器，银云母电容器，玻璃和其他专业类型电容器。直插电容一般有两条腿，体积比贴片式的大，表面有数字字母等标识。 直插电容的机械、温度等可靠性要优于贴片电容，比如机械振动大的场合尽量用直插电容。 但是直插电容生产安装焊接调试拆卸等比较复杂，体积较大，而且引线会带来寄生电感影响高频性能，比如射频小型化领域基本都是用的表贴式的。 1 2 贴片电容（Surface mount capacitor） 贴片电容的相对于直插电容更加受限，因为贴片电容没有引脚的缘故，在焊接过程中焊锡的高温会直接加在电容上,因此并不是所有的电容都适合做成贴片式的。 常见的贴片电容包括:陶瓷电容、钽（tan）电容和电解电容。陶瓷电容上面没有印字，钽电容和电解电容上面都有印字，包括正极（有横杠一边）指示、容量、耐压值和温度等信息。 贴片电容生产简单、成本低，并且焊接的时候使用SMT（Surface mount technology），用回流焊，效率高，直插式的需要用波峰焊成本高。 3 PCB寄生电容（Capacitor Parasitic） PCB的结构跟平板电容器（:介质的相对介电常数）很像，有两个极板，中间填充介质。因不同的介质的介电常数不一样对应的电容不一样，因此有不同板材。我们平时最常用的板材是FR4，为4.4，属于低频板。高频板比较有名的是罗杰斯4350B板材，为3.66。 因为PCB上存在寄生电容，频率越高损耗越大，因此PCB走线（微带线）可等效为一个低通模型。关于PCB的频率和阻抗特性，以后会详细介绍。 好了接下来让我们看下详细的电容分类 不同的介质对电容的影响很大，因此电容主要按介质分类：有陶瓷电容、电解质电容、薄膜电容。 1陶瓷电容（Ceramic capacitor） 陶瓷电容分为两类：多层陶瓷电容和圆片瓷介电容。 目前用的最多的就是多层陶瓷电容MLCC( multilayer ceramic capacitor ),电容器跟PCB的寄生电容不一样，电容器希望在更小的体积内做出大容量电容，因此出现了MLCC电容器，大致结构如下图所示 通过多层的结构增大电容量，总的电容量。 目前日本村田（muRata）可以做到封装是008004的体积上容量10nf，我们平时人工焊常用的0805封装是它的125倍，人头发的直径在0.1mm左右，而它的宽只有0.125mm，跟头发丝差不多，可以想象下它多小了。 外界环境对电容内电介质（Dielectrics）的影响很大，因此电子工业联盟EIA(Electronics Industries Alliance)按照电介质的稳定性把MLCC陶瓷电容按照温度等级分类，ClassⅠ是超稳定型的，对电压、温度、频率和时间都表现出优良的特性。 ClassⅠ中最有名的就是C0G,在无源电子行业把C0G叫做NP0(Negative Positive Zero)就是正负温度系数为0。这些类型的电容器电容比较小，通常不超过1nF（村田现在可以做到100nF），主要用于谐振电路和滤波，频率可以达到10MHz至30GHz之间。 ClassⅠ电容的编码（code） 村田C0G电容：GRM31C5C2A104JA01，随频率温度电压变化图。 ClassⅡ、ClassⅢ是大容量型的。虽然ClassⅠ很稳定，但是容量太小，对于噪声在1-40 MHz的旁路和电源去耦，则需要大容量的电容。ClassⅡ、ClassⅢ多层电容器（MLCC）的电容值在1nF至100μF的范围内。 第二类电容中用的最多就是X7R，工作温度在-55到125之间，±15%的精度，能胜任绝大多数场合。 ClassⅡ和Ⅲ电容的编码（code） 村田X7R电容：GRJ55DR73A104KWJ1，随频率温度电压变化图。 电容随时间的漂移 多层陶瓷电容器MLCC（Multilayer ceramic capacitor） 独石电容（Monolithic ceramiccapacitor） 独石电容其实就是带引脚的MLCC，国外叫做leaded-MLCC，因为有引线的缘故，独石电容一般比同种类型贴片MLCC频率低一点，但是可靠性比贴片电容高。 圆片瓷介电容（Disc ceramic capacitors） 圆片瓷介电容也叫做瓷片电容，外形呈圆盘状，跟MLCC不一样的是它里面只有一层介质和一对电极，因此其容量比MLCC要小（小于0.1uF），耐压值可以做到kV，适合做高压电容。 2电解质电容器（Electrolytic capacitor 电解质电器包括两大类，一种是内部是电解液的液态电解电容器（Liquidelectrolyte capacitor），还有一种是固态的聚合物或者高分子的固态电解电容器(Solidelectrolyte capacitor)。 铝电解质电容（Aluminum Electrolytic Capacitor） 铝电解电容器由两块铝箔和浸入电解液的纸质隔片制成。两个铝箔之一覆盖有一层氧化物层，该铝箔充当阳极，而未镀膜的铝箔充当阴极。 聚合物铝电解电容(Polymer aluminum electrolytic capacitor) 村田制作所“ECAS系列”聚合物铝电解电容器通过以多层铝箔结构为阳极、固体导电聚合物为阴极实现低ESR、低阻抗和高静电容量。 ECAS系列具有无偏压特性和稳定的温度特性，在纹波吸收、滤波和瞬态响应方面具有优异性能，堪称各类应用的理想之选。 因此，该系列产品适用于各种供电电路的输入输出电流的滤波，并当CPU周边设备的负载变化超出范围时作为备用装置使用。该系列产品有助于减少元件数量、节省基板空间。 钽电容（Tantalum capacitor） 钽电容器是电解电容器的一种。它们由充当阳极的钽金属制成，并被一层充当电介质的氧化物覆盖，并且被导电阴极包围。钽的使用允许非常薄的介电层，因此钽电容允许在同等体积下做出高容量的电容。 下图是聚合物钽电容的结构图，固态钽电容跟聚合物钽电容结构差不多，不同的是阴极把导电聚合物换成MnO2。 固体电解电容器具有工作温度范围宽，结构紧凑，ESR低和抗纹波电流高的优点，但唯一的缺点是工作电压低于35V。 液体电解质通过离子传导作为电荷转移，固体电解电容器利用电子传导进行电荷转移，因此电导率比铝电解电容器高4或5位数，等效串联电阻ESR更小。适合在需要在快速响应或抗纹波电流能力强的设备中使用。 3 薄膜电容（Film capacitor） 薄膜电容器是一种使用塑料薄膜作为电介质的电容器。它们相对便宜，随时间稳定并且具有低自感和ESR，薄膜电容器可以承受较大的无功功率，体型较大，常用于电力电子行业。 薄膜电容大致分为两类：金属箔薄膜电容(Film/Foil)和金属化薄膜电容(Metallized Film) 金属化薄膜电容具有自我修复的功能，失效的状态是开路，而陶瓷电容和电解质电容都是短路，因此金属化薄膜电容安全性能非常高。 CBB电容 到这里已经把常见的电容讲解完了，这里做个总结： 陶瓷电容：可以把温度电压和频率特性做的很好，但是没法做成大容量的。 电解电容：可以做成高容量，但是频率比较低，而且有极性，没法处理有极性的信号。 薄膜电容：性能堪比NP0，无极性，容量也很大，高耐压，大功率，而且失效状态是开路安全可靠，不会出现短路烧毁爆炸等现象。缺点就是体积太大。（不过现在薄膜电容也开始出现贴片封装的了） 延伸阅读 实际应用的电容都存在电感电阻等非理想特性，简单的等效模型如下图所示 总阻抗：因为并联的电阻很小，可以忽略不计，因此总的阻抗可以表示为： 这里 Z是总的阻抗 是串联等效电阻 Xc是容抗： 是感抗： 损耗因子DF(Dissipation Factor)：也叫做损耗角正切，是交流应用下电容器损耗的量度。它是等效串联电阻与电容电抗的比率，通常以百分比表示。上面的矢量图说明了DF，ESR和阻抗之间的关系。损耗因子的倒数称为“ Q”或品质因数。为方便起见，“ Q”因子通常在损耗因子特别小的时候才用。 电容分类： 02PART做什么 1滤波电容 电容作为滤波功能使用是电容的一项重要特性。滤波功能利用的是电容的阻抗随频率变化的特性（前面说过电容是一个跟电阻差了90度并且随着频率变化的器件），再利用电阻篇讲的分压原理，就可以构成简单的无源RC滤波器了。滤波指的是滤出不需要频率的波形,滤波器的类型有低通、高通、带通、带阻。 举个例子： 设计一个频率为1Kz的一阶低无源低通RC滤波器。 先确定滤波器的形状和电容的大小，然后再求出电阻的值。 首先电容不可能是串联在电路中，如果串联在电路中那么直流没法通过，那么就不是低通滤波器了。因此确定了如图所示的分压模式。 电容的选取，有很多讲究。需要要根据输入输出阻抗，滤波器要求的精度，频率大小，现有电容器种类等选择。这里先选择一个100nF的电容，因为高精度的电容容值都不大，并且1Kz频率下100nF电容的阻抗约等于1.59K,那么对应的电阻R1也在1k左右，电阻在1K-10K之间是工程师最常用的，因为阻值在这个范围电阻的功耗不大，并且热噪声也相对较小（电阻越大热噪声越大）。 因此先确定电容为100nF。那么可能有人会问，为什么不先确定电阻，再选电容呢？这就要考虑实际情况了，因为电阻的种类比电容多很多，选取相对容易，因此这里要先定电容，再根据电容的阻抗选取电阻。 接下来让我们分压公式，来计算这个滤波器输入输出关系 滤波器通带的-3dB截止频率为 根据复数的模值计算方法 通过公式可以看出一阶无源RC滤波器-3dB截止点，只需要 也可以通过复平面的方法直观描述，如下图所示： 1+jwC的复平面表示 通过复平面可以看到模值随着w增加而增加，而则减。上面已经求得，在滤波器通带截止的时候输出输入的关系是，那么通过复平面很容易发现，当wRC=1的时候，模式为，并且通过图形可以直观看出相位差了-45度。 把带入仿真软件Multisim中，观察器幅频和相频特性。 仿真的幅频和相频特性跟理论分析一致。 滤波器的分析是利用电容阻抗分压原理进行计算的。电容的测量也可以利用与已知电阻，阻抗分压原理计算。 如下图所示，R1是已知电阻为1.59k，输入信号为Vi，通过测量输出信号Vo求未知电容C1的值。 这里抛出一个问题：如果测量的电压Vo刚好是总电压Vi的一半，那么电容的阻抗刚好等于R1吗？（我们知道如果C1是电阻的话，可得测试待测电阻大小就为R1）在之后的RLC测量篇中我会详细介绍。 2隔直电容 隔直电容严格的讲归类在滤波电容里面，只不过隔直电容太过重要且常用，因此单独拿出来讲解。 隔直电容利用的是电容阻直流通交流的性质。 在工程应用或者竞赛中，经常会要求输出正负对称无直流分量的波形，因为直流不仅不携带信息（直流也可以携带信息，但相对于交流携带信息太少），而且还会增加系统的功耗或者导致系统饱和。 举个例子： 我们用的DA芯片基本都是单极性的，只能输出正值0V以上的波形，那么怎么变成正负对称的呢？全部是单电源的系统怎么输出双极性的波形呢？ 如下图所示，选择一个合适的隔值电容C1串连在系统中，就可以解决这些问题。 通常隔直电容容值都比较大，那么到底有没有一个明确的选择标准呢？当然还是有的，隔直电容需要根据频率和负载电阻来选择。如果你仔细观察的话，隔直电容和负载电阻其实还是构成了一个分压网络，可以归类到高通滤波器。在滤波电容那里我们得到一个结论就是当电阻的阻抗等于电容的阻抗的时候，刚好在通带的截止频率处，此时，我们这里只是想把直流分量去掉，对交流分量不作衰减，因此需要让电容的阻抗远小于电阻的阻抗，这样交流信号在负载电阻上分到的电压就远大于电容上的电压，即需要的交流电压全部加在负载上，此时交流分量。 知道了怎么利用电容把非对称的波形变成对称的了之后，反过来怎么给对称的波形，加一个直流分量呢？ 这里的电容C1也叫做耦合电容，当频率高的时候隔离电阻可以换成电感，这样效果更好。想让偏执电压受控的话，可以把这电源VDC换成DA，或者接一个电位器手动调节。这里还利用到直流通路和交流通路的概念，以后会详细讲解。 3去耦电容 去耦和旁路可以算成一类，都是利用电容把高频噪声导入GND，是电容中应用最广的一类。 去耦电容常用在芯片电源管脚处，距离管脚越近越好，一般是用容值一大一小的两个电容，并且电容要放在电流的入口处，小电容在里面，大电容在外边。小电容滤高频，大电容滤低频。去耦电容一般选取0.1uF和10uF。 电源的干净程度（噪声多少）决定了整个系统性能的优良程度，电源噪声一部分是电源自身产生的，比如开关电源的开关噪声，还有很大一部分是芯片工作的时候产生的耦合到电源上，比如数字芯片，会按照固定的Clock运行，门级开关的导通与断开或者大功率器件的按照一定时序工作，都会让电源产生一定程度的波动。为了不让产生的这些噪声，影响到别的器件正常工作，或者影响到自身的正常工作，需要在芯片电源管脚处加电容进行去耦。 关于电源去耦还有很多知识，在电感和EMI的文章中以后将会详细介绍。 这里在稍微讲解下为什么是小电容滤高频，大电容滤低频。 大家有没有很好奇大电容滤低频可以理解，那么为什么大电容不能滤高频呢，不是电容越大频率越高，阻抗就越小，滤波效果就越好吗？那电源去耦那里直接用一个大容量又便宜的电解电容不就解决了吗？为什么一般的芯片管脚都用两个一大一小的电容甚至有些射频芯片还用4个呢？ 通过下面的这张不同容值的电容阻抗随频率变化的图就可以看出了，前面在延伸阅读那里有提到，实际的电容模型，存在串联电感，因此阻抗不会随着频率升高一直下降，存在一个谐振点，过了谐振点电容器整体呈感性，随着频率升高阻抗变大。 电容越大串联电感就越大，谐振频率就越低，导致大容量的电容在高频的时候还没小电容阻抗低，也就是大电容在高频滤波效果不如小电容。 4储能电容 储能电容一种是用在电源入口出，或者大功率器件旁边，为了减少因为功率器件突然工作产生时，电源响应速度不够，而带来电压波动。 还有一种是在开关电源中和电感一起作为储能元件使用。 可以把稳压电源想象成为如下的一种情形：当试图从一个直径较大的自来水管中取出连续不断的且较小的水流时，可以采用两种策略：一种是使用一个转接阀门，并将阀门开启在较小位置，这就是线性电源的工作原理（可以将阀门看作晶体管）。 线性电源的电压调整晶体管上承受着很大的“压力”（具体的表现是转换为热能的形式散耗）；或者，可以改进一下，让大水管的水流到一个比较大的“水桶”里，小水管连接到这个水桶上取水，接着，需要做的就是断续的打开/关闭大水管上的阀门，保证水桶内的水既不会完全没有，也不会因为太多而溢出——开关电源的基本原理就是如此。 这里的电容和电感储存能量就是充当“水桶”的概念，负载RLoad在电容电感上获取能量。 Buck电路（降压） Boost电路（升压） 5谐振电容 谐振电容与电感一起组成LC谐振电路，有时候也叫做LC震荡电路。包括LC串联谐振和LC并联谐振。谐振电路广泛应用在滤波、选频、调谐等电路。谐振电路以后会详细介绍。 03PART买什么 如何选取电容很大程度上取决于电容的用途。因为设计时要寻求成本和性能的最佳平衡，所以必须考虑所用场合，例如：隔直耦合和旁路选择低精度的电容，因为这三种用途对容值变化不敏感。滤波、谐振之类的则需要用高精度的电容，电源设计需要高功率，高耐压的电容。 下面介绍说下我在工程上常用的电容： 跟电阻一样这里推荐使用购买全系类的电容样品本，里面是NP0和XR7系列的贴片MLCC。性能优良，但是缺点就是机械性能不好，容易断裂，不能长时间焊接，温度也不能太高，反复焊接电极容易脱落。在做PCB高频小型化的时候建议使用。 还有购买系列的独石电容，机械性能很好，建议做高精度滤波器的时候使用独石电容（NP0和X7R）。尤其是在洞洞板（万用板）上焊接的时候，如果你使用贴片电容，你会发现焊好的滤波器摔下就坏了，所以建议在洞洞板上焊接滤波器，使用独石电容。 电解电容价格便宜容量大耐压高，在电源去耦和储能上使用。 钽电容体积小容量大速度快ESR小，在高精度电源系统和小型化场合使用。 CBB电容主要是功率、耐压值和ESR优良，做开关电源和大功率场合使用。 这里在给出一个大致的选型表。
电子电路中常用的器件包括：电阻器(含电位器)、电容器、电感器、变压器、二极管、三极管、光电器件、电声器件、显示器件、晶闸管(可控硅)、场效应晶体管、IGBT、MOSFET、继电器与干簧管、开关、保险丝、晶振、连接器、各种传感器等。 下面一起来看看它们的电路符号+实物图+命名规则： 1.电阻器(含电位器) 举例： RJ76表示精密金属膜电阻器 R——电阻器（第一部分） J——金属膜（第二部分） 7——精密（第三部分） 6——序号（第四部分） 2.电容器 国外电容器命名规则不一，国外部分知名厂家命名规则如下： (1)日本村田(muRata) (2)日本TDK (3)日本京瓷(Kyocera) (4)日本罗姆(ROHM) (5)日本松下旗下三洋电机(Panasonic) (6)韩国三星(SAMSUNG) (7)美国基美(KEMET) (8)英国Syfer (9)中国台湾国巨(YAGEO) (10)中国台湾华新科技(WALSIN) 3.电感器与变压器 4.二极管 5.晶体管三极管6.场效应晶体管 7.晶闸管(可控硅)8.晶振 9.连接器 10.各种传感器 11.光电器件12.电声器件13.显示器件14.继电器与干簧管15.开关16.保险丝
摘要： 本文将基于电子封装技术简单分析影响电子器件热可靠性的主要因素，并围绕接触式回流焊接炉深入研究保障电子器件热可靠性的设备，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。 电子封装技术属于加工电子元器件为电子产品的重要环节，直接影响电子产品的使用寿命和可靠性，电子器件热可靠性也会直接受到影响。为尽可能提升电子器件热可靠性，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。 1 影响电子器件热可靠性的主要因素 1.1 技术概述 电子器件热可靠性向来属于业界研究热点，散热性能、封装性能均有可能对其热可靠性造成影响。随着经济与科技的快速发展，人们对高可靠和高质量产品的需求不断提升，环境对电子器件带来的影响也受到高度重视，而结合相关理论研究和实践探索能够了解到，环境因素在电子器件故障中所占比率较高。所谓电子封装技术，指的是基于电路图将各电子器件和元件在基板上连接，以此开展安装与测试，即可完成电子产品生产。电子封装技术涉及电子元器件的组装、互连等技术，可实现印刷电路板和微小芯片的电气互连，且能够保证性能不会受到温湿度变化影响，易测试、标准化、热管理性能也属于封装要求。在电子封装技术支持下，外部引脚与芯片接点的电气互连能够顺利实现，散热、密封、支撑、隔离、保护芯片作用也能够充分发挥。随着电子封装技术的快速发展，小型化的电子产品发展趋势日渐显著，但受到越来越复杂、密集的封装器件影响，电子封装技术在应用中很容易出现封装器件失效等问题，功率密度不断提升的器件也使得散热问题愈发严重。对于电子器件来说，散热性能带来的可靠性影响较为深远，散热不佳很容易导致封装器件失效，因此可通过散热性能判断电子器件封装质量[1]。 1.2 影响因素 绝缘栅双极型晶体管具备低导通压降、高输入阻抗等优势，在变频器、逆变器、开关电源、电机调速等领域均有着广泛应用。作为大功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管的发热较多，且需要存在 125℃内的结温最高温度，因此过热保护需优选散热装置。围绕绝缘栅双极型晶体管的封装进行研究可以发现，基板结构、封装材料、散热、键合参数等均属于研究热点，散热属于限制绝缘栅双极型晶体管应用的主要因素；发光二极管属于转化电能为光能的电子器件，主要由模塑料、透镜、硅胶、荧光粉层、芯片、热沉、引线框架等组成，依托电子封装技术，即可完成发光二极管产品的组合。基于回流焊接工艺，发光二极管的基板上能够焊接芯片。在路灯、车灯、室内照明、舞台灯光等领域，发光二极管的应用极为广泛，这源于其具备的寿命长、体积小、耗电量少、可控性强、坚固耐用等优势。为保护芯片并保证可见光输出及电信号输入的顺利实现，发光二极管封装向来受到重视，单个发光二极管需结合功率和大小优选封装方式，普通封装流程如图 1 所示，为提高封装性能，新材料和新工艺的科学应用必须得到重视，具体实践需要综合考虑结构、电、热、光等因素带来的影响[2]。 2 保障电子器件热可靠性的设备研究 2.1 回流焊接影响因素 回流焊接属于电子封装技术应用中的重要工序，电子器件热可靠性直接受到回流焊接质量影响。由于回流焊接设备性能直接影响电子器件回流焊接质量，应关注国产回流焊接设备存在的精度和性能方面欠缺，以此开发新型设备，即可为电子器件热可靠性保障提供支持。所谓回流焊接，指的是熔融、回流焊盘上涂覆的焊料，冷却后可实现 PCB 焊盘与电子器件焊端的电气互连。焊料的冷却速率属于重要的回流焊接参数，可能出现的焊接缺陷能够通过该参数描述，焊接后的结构和组织可受到冷却速率增大带来的积极影响，实现合金焊接后的机械性能提升。焊接过程中冷却速率的增加能够实现焊接可靠性提升和缺陷产生几率降低，但这需要以不伤害受焊元器件为前提，但如果存在过快的冷却速率。应力集中下的电子元器件会导致使用过程中电子产品焊点过早失效，可见焊料的冷却速率直接影响电子器件热可靠性；焊接缺陷会在回流焊接实践中出现，如冷焊、锡珠、偏移、“立碑”等，电子器件热可靠性很容易受到这类缺陷影响。以冷焊为例，该缺陷指的是冷却操作在焊膏加热未完全熔化时进行，焊点受此影响会出现表面粗糙问题，机械强度不高的焊点会因此形成。 回流焊接试验向来受到业界重视，如氮气下的回流焊接，结合相关试验可以了解到，回流焊接在空气下进行时会得到内部气孔较多的焊接层，氮气下这类内部气孔数量明显较少，由于气孔部位很容易成为裂纹起始部位，因此氮气下的回流焊接更具优势。基于拉伸测试仪开展的焊接层强度测量可以发现，氮气、空气下焊接层的拉伸结合力分别为 22.69N、15.56N，这能够更直观说明氮气下回流焊接具备的质量优势。焊料性质、界面氧化、界面气孔等因素也会影响回流焊接质量，并进而影响电子器件热可靠性。基于焊料性质进行分析可以发现，延展性较好的湿焊膏回流存在更少的孔洞形成。基于界面氧化进行分析可以发现，材料氧化或非氧化对回流焊接质量造成影响不大，材料性质和焊接表面平整度带来的影响较为深远。基于界面气孔进行分析可以发现，空洞无法完全消除，因此焊接过程需要尽可能做好空洞预防。完成回流焊接后，可通过空洞分析和拉伸测试评估焊接效果，前者需应用扫描超声显微镜，后者需要得到拉伸测试仪的支持。对于绝缘栅双极型晶体管和发光二极管的焊接来说，焊接设备发挥着关键性作用，这类电子元器件生产需要得到回流焊接炉的支持，融锡的过程属于回流焊接炉的主要作用。结合实际调研可以发现，现阶段进口回流焊接炉价格较高，多数价格在一百万元以上，很多国产回流焊接炉虽然价格较低，但存在技术方面的不足，这种不足必须设法解决。 2.2 接触式回流焊接炉设计 2.2.1 总体结构 回流焊接炉的研发向来受到业界重视，而结合实际调研可以发现，这类研发更多关注对温度场和气流场的模拟，回流焊接炉运行参数基于传热系数的研究也受到广泛关注，结合国内外相关研究，本文将介绍一种新型回流焊接炉，即接触式回流焊接炉。为实现冷却和加热，接触式回流焊接炉以接触热传导为核心，能够开展全过程回流焊接，在流水线式的回流焊接作业操作方面具备显著优势，可较好保障电子器件热可靠性。 在一个密闭腔体内，接触式回流焊接炉存在两个区的设计，冷却区、加热区，加热板设置于加热区，恒定高温可基于加热板保持。冷却板设置于冷却区，冷却水一致低温能够由冷却板提供。通过在托盘占装置需要焊接的电子器件，托盘可在电机驱动下先后进入加热区、冷却区。在回流焊接过程中，加热区负责温度上升，在托盘与加热板位置开展面接触时，热量能够快速传递，通过对托盘与加热板间距离的调节，升温速率可实现科学控制。冷却区负责温度下降，托盘可依托运输系运输至冷却板，在托盘与冷却板位置开展面接触时，产品在托盘上的温度会快速下降。通过对托盘与冷却板间距离的调节，升温速率能够有效控制。接触式回流焊接炉能够通过程序自动控制冷却板和加热板移动、托盘传送，工作可在 24h 下不间断进行，流水线操作可顺利实现。接触式回流焊接炉能够自动完成回流焊接的一系列功能，包括将托盘运送至加热区、托盘面自动接触加热板开展加热、保证温度恒定、向熔点以上加热、抽真空、向冷却区运送托盘、托盘面自动接触冷却板、冷却电子器件至室温。接触式回流焊接炉在的温度调节下，托盘与加热板的距离、加热板的功率属于主要变量，在接触式传热支持下，装载产品托盘与加热板可实现面接触，均匀受热的托盘上产品可保证焊料温度晚于基板温度到达熔点，空洞产生条件因此消除，外围组件温度因辐射加热快速上升问题可有效规避，图 1 为接触式回流焊接炉的构成示意图。 结合图 1 进行分析可以发现，设计采用两片冷却板和加热板，特殊传动机构负责其运动，温度调节通过冷却板和加热板功率及距离完成。采用不锈钢板作为冷却板的材料，基于内部中空设计，冷却可通过通液氮或水的方式完成。冷却区和加热区及对外部空气隔离通过闸门完成，在运动机构支持下，冷却板和加热板能够通过操控上下运动，完成温度的调节与控制。被焊物件放置于托盘上，可实现水平移动，流水线式回流焊接作业可顺利开展。 2.2.2 具体构成 冷却板属于接触式回流焊接炉的主要部件之一，其能够通过机械压缩机制冷、水冷、空气冷却、液氮冷却进行冷却，液氮制冷属于最好的办法。为实现冷却板温度均匀性的保障，设计采用图 2 所示的冷却板绕管方法。 结合图 2 进行分析可以发现，该设计将集流器设置于绕管的两端，在交错分布的顺流和逆流管路支持下，液氮制冷管路能够从两端进液氮，更加均匀的温度分布顺利实现。从冷却板上经过绕管后，液氮能够从液氮喷口（管子末端）喷出，制冷部位温度均匀保障、液氮冷量最大程度利用均可顺利实现。经过冷却板后，液氮能够实现冷却板温度降低，末端管孔中喷出的氮气会使周围出现降低的气体温度。通过将温度传感器设置于冷却板上，电控阀门会在冷却温度达到设定温度时关闭，温度的精确控制能够顺利实现，而通过移动冷却板的位置、改变液氮流量，被冷却物件温度即可顺利控制。 加热板可采用感应加、石英管红外加热、电阻加热，其中集成加热板设计最为简单，这种设计类似于铸铜加热器，均热板和电极可由此省略。通过在云母片上缠绕电加热丝，并将电加热丝通过两片云母片包裹，即可完成三明治”式的加热板结构设计，该结构还需要将白铁皮包裹在最外层，简易电加热板因此制作完成。由于电加热丝通过云母片隔开，且不会导电的白铁皮上不存在电流通过，因此其能够较好发挥均热和导热作用，但这种加热板设计无法实现温度精确控制。为实现对接触式回流焊接炉加热温度的准确控制，电加热材料应选择钼加热片、钨加热片、石墨加热片，同时开展分区加热，温度控制即可更好实现。 在托盘机构设计中，托盘的具体位置基于齿轮的转动精确控制，冷却区和加热区可通过闸门分割，密封有效性能够得到保障。通过将多个齿轮安装于两侧壁面，托盘可由齿轮转动运动，微电脑精确控制的齿轮运动可实现托盘具体位置的确定。采用耐高温材料制成托盘，保证其不易氧化且能够承受低温冲击，电脑控制闸门的运动，托盘的运动不会受到闸门影响。结合相关实践可以了解到，接触式回流焊接炉在流水线操作、批量焊接、快速冷却等方面有着出色表现，依托该设备的回流焊接能够大幅提升电子器件热可靠性，电子封装技术的优势也能够充分发挥。 3 结论 综上所述，电子器件热可靠性会受到多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的电子封装技术、接触式回流焊接炉等内容，则提供了可行性较高的电子器件热可靠性保障路径。为更好保证电子器件热可靠性，回流焊接在惰性气体气氛下的性能研究、回流焊接曲线优化同样需要得到重视。
此电路分主电路(完成功能)和保护功能电路。MOS管驱动相关知识：1、跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压(Vbe类似)高于一定的值,就可以了。
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