分立器件封裝及其主流類型
出處:TragicJun 發(fā)布于:2007-04-29 03:52:56
龍 樂(lè) | ||||||||
(龍泉長(zhǎng)柏路98號(hào)l棟208室,四川 成都 610100) | ||||||||
關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體;封裝;分立器件 中圖分類號(hào):TN305.94;TN32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1681-1070(2005)02-12-6 1 引言 2 微小尺寸封裝 芯片制作技術(shù)早巳進(jìn)入深亞微米時(shí)代,管芯面積大大縮減,化學(xué)機(jī)械拋光精密減薄優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn),真正的挑戰(zhàn)在于使用這些微小、超薄的管芯進(jìn)行組裝的封裝技術(shù),促進(jìn)封裝的技術(shù)含量與投資規(guī)??焖偬嵘A硪环矫?,在相同空間增添更多功能的整機(jī)發(fā)展趨勢(shì)仍未停止,應(yīng)用需求封裝采用更先進(jìn)的技術(shù),向高性能的微型化小尺寸封裝外形演繹、目前,分立器件微小尺寸封裝有更多規(guī)格版本供貨,提供了更低的成本和空間優(yōu)勢(shì),簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)更自由,易連接.例如,數(shù)字晶體管的小平腿微縮表面貼封裝TSFP-3的尺寸為(1.0×0.6×0.4)mm,比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOT-23還要小86%。 金屬膜MELF無(wú)引線圓柱形二極管是小外形器件SOD的先驅(qū),為統(tǒng)一尺寸和使用方便,也采用小外形晶體管SOT以及DPAK、D2PAK、SOD-123、DO-214AA/AB/AC、DO-216AA、SOD-882等封裝類別,隨整機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化繼續(xù)研發(fā)新封裝。具體而言,SOD-123是一種鷗翼型引線塑封二極管,其尺寸和SOT-23相同,電路板PCB占位面積和0.5W的MELF封裝類似兼容,現(xiàn)正被SOD-123FL矮型扁平引腳封裝逐步取代,并已確立其市場(chǎng)地位。在亞洲更流行一種微封裝SMA的J引線DO-214AC,這種表面貼裝一般額定在1A/W,它比DO-214AB更窄,占用較小的PCB空間。DO-216AA集低外形、低功率、小尺寸及電流處理能力于一體化,尺寸比SMA小一半,而熱性能一樣,厚度1.1mm.新型變?nèi)荻O管采用尺寸只有(1.0×0.6)mm的超小型扁平封裝SFP封裝類型,實(shí)際安裝面積大約減少40%,而且其內(nèi)部電容偏差值保證達(dá)到1.8%,可減少整機(jī)生產(chǎn)線上的調(diào)諧工作量,高頻開(kāi)關(guān)二極管也采用超小型SFP封裝。SOD-882為新一代小型分立無(wú)引線扁平封裝,已用于眾多的開(kāi)關(guān)、齊納、肖特基、變?nèi)?、波段開(kāi)關(guān)、PIN二極管等產(chǎn)品,采用非常薄的紙帶包裝,在標(biāo)準(zhǔn)180mm卷軸上能夠提供1萬(wàn)只產(chǎn)品。 SOT-23/89/143是表面貼裝SMT初行時(shí)業(yè)界的主要封裝變革范例,現(xiàn)在這類封裝已被尺寸更小巧、熱特性更佳的新型SOT、薄型小外形封裝TSOP、薄型微縮小外形封裝TSSOP、微縮小外形封裝SSOP所逐漸替換,各大廠家均有獨(dú)自的創(chuàng)新系列產(chǎn)品及市場(chǎng)目標(biāo),例如,5或6條引腳的新型SOT-553/563封裝大大縮減了PCB面積和厚度,超小型、低厚度如表1所示。封裝性能通常按熱特性及其占據(jù)的PCB面積之比來(lái)進(jìn)行評(píng)估,具體評(píng)估情況如表2所示,其熱特性提高的關(guān)鍵是采用扁平引腳設(shè)計(jì),而表2中的其他兩種類型均為翼型引腳,SOT-553/563已投人數(shù)十種小信號(hào)的雙極晶體管、開(kāi)關(guān)或肖特基二極管、數(shù)字晶體管、偏壓電阻晶體管的封裝生產(chǎn)中,硅以及硅鍺射頻雙極晶體管可采用標(biāo)準(zhǔn)的SOT封裝,工作頻率可達(dá)20GHz,小尺寸塑封SOT、TSFP、單/X2晶體管封裝TSLP-3/6等的實(shí)際應(yīng)用覆蓋整個(gè)有線和無(wú)線領(lǐng)域。表3顯示出市場(chǎng)上常見(jiàn)的貼片式分立功率器件的微型封裝特點(diǎn),熱阻θJC與封裝形式相關(guān)。近年來(lái),功率半導(dǎo)體封裝外包業(yè)務(wù)正迅速增長(zhǎng),預(yù)測(cè)到2006年功率半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)的年度復(fù)合增長(zhǎng)率為36.6%。 隨著微小尺寸封裝技術(shù)不斷發(fā)展,許多廠商加速商品化生產(chǎn)占據(jù)更小PCB面積的半導(dǎo)體分立器件。與此同時(shí),充分應(yīng)用微小尺寸封裝的后發(fā)優(yōu)勢(shì),研發(fā)在一個(gè)封裝外殼中密封雙/多只分立器件管芯的復(fù)合化、陣列化的產(chǎn)品紛紛上市,進(jìn)一步提高PCB面積效率:另外,還可將有關(guān)控制、外圍電路芯片及某些無(wú)源元件也組合在一起,發(fā)展成多芯片模塊。 3 復(fù)合化封裝 嚴(yán)格地講,復(fù)合化封裝仍屬微小尺寸封裝類別,只是更多的分立器件管芯被整合進(jìn)同一封裝中,雙管芯封裝居多,封裝引出腳更多也是一大特色。市場(chǎng)上常見(jiàn)的有國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家推出的有引腳直插式封裝5、6、14引腳的開(kāi)關(guān)對(duì)管、互補(bǔ)對(duì)管、復(fù)合對(duì)管、4晶體管陣列,結(jié)構(gòu)上有共發(fā)射板、共集電板、獨(dú)立雙PNP管、獨(dú)立PNP/NPN管、獨(dú)立4晶體管陣列、達(dá)林頓管等類別,在各類整機(jī)多種形式的電路中,PCB的排列緊湊而簡(jiǎn)化,焊點(diǎn)相應(yīng)減少,應(yīng)用起來(lái)十分靈活方便。 在多數(shù)情況下,6引腳封裝可以容納單、雙管芯,TSOP-6的引線座增大,能容納的單、雙管芯的尺寸分別為(1.016×1.778)mm和(0.6096×0.7112)mm,現(xiàn)用于封裝N和P溝器件、雙N與P溝器件及互補(bǔ)MOSFET。微型封裝Micro 8是一種薄外形8引腳封裝,比SO-8小50%左右,也可封裝一個(gè)或兩個(gè)管芯,單管芯尺寸面積為(1.778×2.59)mm雙管芯為(1.106×1.778)mm。將MOS-FET與肖特基二極管復(fù)合化封裝稱其為FETKY器件,這種混合封裝包括一只控制及同步MOSFET與二極管,可改善電流密度,并使封裝寄生電阻與封裝電感減至:比較常見(jiàn)的還有把絕緣柵雙極晶體管IGBT和反并聯(lián)二極管封裝在一起的結(jié)構(gòu),便于應(yīng)用-在一個(gè)超微型SOT-666封裝內(nèi)結(jié)合低VCE sat晶體管及帶電阻晶體管功能,推出具備集成負(fù)載轉(zhuǎn)換功能的晶體管,1A、40-80V的SC-74封裝的這種晶體管針對(duì)汽車與消費(fèi)應(yīng)用:SOT-363分為標(biāo)準(zhǔn)配置和反向配置(半偏置或全偏置),封裝中裝有兩只相同的雙邏輯門的射頻MOSFET,這種合二為一使得器件更加小型化,并降低PCB面積和成本,同時(shí)提供高功率增益、低功能以及靜電放電ESD保護(hù)。 二極管以往大多采用雙向(即軸向)或單向的雙條腿引出線封裝,復(fù)合化封裝已成為其發(fā)展方向,包括變?nèi)荨㈤_(kāi)關(guān)、阻尼、調(diào)制、肖特基等復(fù)合二極管系列產(chǎn)品,特點(diǎn)是超小型化、多功能化,片狀化封裝。在結(jié)構(gòu)上分單一功能管芯(含多個(gè))和兩種管芯的功能復(fù)合二極管,外形大多數(shù)采用片狀化SOT或TO封裝:國(guó)際市場(chǎng)上已有大量二配對(duì)、三配對(duì)和四配對(duì)的復(fù)合變?nèi)荻O管供貨,外形為片狀化或單列直插式封裝,用于電視,通信、儀器等產(chǎn)品中;復(fù)合開(kāi)關(guān)二極管內(nèi)含兩個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的管芯,常被多種電路選用,二極管陣列由3個(gè)以上的開(kāi)關(guān)二極管管芯組成,多的可用十余個(gè)管芯組成,外形片狀化以及單列直插式封裝的應(yīng)用面廣:工作電流大于5A的肖特基二極管一般采用TO-220封裝,也可根據(jù)需要封裝成雙管芯的TO-254、MO-78,DPAK、B2-01B/C外形,采用雙管芯(3X2)mm微型引腳封裝的高效率小型肖特基對(duì)管,具有良好的可焊性及散熱性;阻尼與調(diào)制二極管可組成多功能復(fù)合二極管,外形TO-220型封裝,開(kāi)關(guān)速度快,導(dǎo)通時(shí)損耗?。?/P> 總而言之,復(fù)合化將幾只管芯封裝在一起,外形很像一塊集成電路,有一定程度的集成化功能,電參數(shù)等物理性能的一致性大為提高,便于在許多整機(jī)設(shè)計(jì)場(chǎng)合中應(yīng)用。 4 焊球陣列封裝 5 直接FET封裝 市場(chǎng)上已有采用多種先進(jìn)封裝的功率MOS-FET供貨,流行形式有DPAK、SO-8、Power Pak、LFPAK、直接(Direct)FET等,表4示出其中數(shù)種性能比較-直接FET封裝結(jié)構(gòu)是專門為低電壓大電流功率MOSFET而研發(fā)的,其PCB占用面積與SO-8封裝相當(dāng),厚度僅為0.7mm,遠(yuǎn)小于SO-8的1.75mm、管芯被包裹在一個(gè)銅質(zhì)罐形殼帽中,封裝底部特別設(shè)計(jì)的帶有柵極與源柵焊盤,可直接連接到PCB上;漏極在上,與銅殼蓋帽相連,銅殼蓋帽也焊在PCB上。專有鈍化系統(tǒng)的新型互聯(lián)技術(shù)可省去引線框架、引線鍵合,銅殼即是散熱器的外殼,從而達(dá)到雙面散熱冷卻的作用,電和熱的通道都十分舒暢,使功率密度加倍,革新了器件的熱管理?,F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出十余款直接FET封裝的產(chǎn)品上市,接人電路后的測(cè)試結(jié)果表明,一個(gè)直接FET結(jié)構(gòu)在不帶頂部冷卻的情況下,可輕易取代兩個(gè)并聯(lián)的SO-8封裝,有時(shí)能替代兩個(gè)并聯(lián)的Power Pak,在大電流DC/DC變換器中,可以更低的系統(tǒng)成本和縮減PCB尺寸,大幅度提升功率密度。 6 IGBT封裝 IGBT兼具功率MOSFET和雙極型功率晶體管的特點(diǎn),現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出第5代技術(shù)的產(chǎn)品,在600V以上中等電壓范圍內(nèi)成為主流功率器件,從模塊化封裝轉(zhuǎn)向分立單管封裝,做成塑封器件,應(yīng)用于空調(diào)器、洗衣機(jī)、微波爐、電飯煲、電磁灶等白色家電中。600V/8A、10A、15A非穿通型IGBT采用D2Pak以及TO-220全絕緣封裝,絕緣能力保證不低于2kV,薄型硅非穿通技術(shù)有效降低了關(guān)斷能耗,設(shè)有“方形”反向偏壓安全工作區(qū)及10μs短路能力。1000V/60A的IGBT采用專有的溝道和非穿通技術(shù)生產(chǎn),TO-264封裝,達(dá)到甚至超越IPC/JEDEC(電子器件工程師聯(lián)合協(xié)會(huì))的J-STD-020B標(biāo)準(zhǔn)要求,具有出色的開(kāi)關(guān)、傳導(dǎo)及耐雪崩陸能。 7 無(wú)鉛封裝 各國(guó)電子產(chǎn)品無(wú)鉛化法令執(zhí)行在即,日本全部采用綠色封裝半導(dǎo)體,美國(guó)啟動(dòng)使用綠色環(huán)保半導(dǎo)體的步伐,歐盟對(duì)綠色半導(dǎo)體的使用規(guī)定是到2006年7月必須采用,在國(guó)內(nèi)一些整機(jī)大廠商開(kāi)始提出無(wú)鉛封裝產(chǎn)品要求。面對(duì)無(wú)鉛化與綠色組裝的要求,無(wú)鉛封裝已成各分立器件廠家的賣點(diǎn)和爭(zhēng)取訂單的砝碼,從元器件前沿源頭杜絕污染,支持無(wú)鉛綠色環(huán)保生產(chǎn)。 分立器件的引腳采用錫鉛鍍層,或凸點(diǎn)制作為鉛錫焊球,有的為90鉛/10錫,以適應(yīng)PCB連接。無(wú)鉛焊料是無(wú)鉛封裝的前提和關(guān)鍵,無(wú)鉛焊料中錫—銀—銅系為流行,表5示出典型無(wú)鉛焊料再流焊工藝:隨著無(wú)鉛焊料進(jìn)程,國(guó)外很多廠家不僅推出100%無(wú)鉛封裝小信號(hào)分立器件系列,超薄超小無(wú)鉛封裝分立器件,全綠色封裝等,而且將無(wú)鉛化向功率分立器件、玻璃和陶瓷產(chǎn)品轉(zhuǎn)移,提供功率產(chǎn)品的無(wú)鉛封裝,包括高功率模塊、專用或標(biāo)準(zhǔn)功率模塊、功率類型的MOSFET、雙極晶體管、射頻晶體管、肖特基二極管、可控硅、智能模塊等-在一整套100%無(wú)鉛塑封小信號(hào)分立器件系列產(chǎn)品中,用100%純錫塑工藝取代錫鉛鍍技術(shù),并與鉛基型號(hào)完全前向和后向兼容,具備同樣的尺寸與電氣/機(jī)械特性,滿足業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛方案升級(jí):無(wú)鉛焊球凸點(diǎn)已投入批量生產(chǎn),推出一整套無(wú)鉛化產(chǎn)品?無(wú)鉛封裝功率產(chǎn)品多以錫銀或錫銅二元合金的電鍍層引腳推出,產(chǎn)品達(dá)到或超過(guò)IPC/JEDEC共同標(biāo)準(zhǔn)J-STD-020B要求。無(wú)鉛封裝的研發(fā)與使用牽涉到材料的選擇和工藝修改,無(wú)鉛封裝和限量使用有害物質(zhì)后產(chǎn)品的可靠性不低于原有水平,涉及工藝方面問(wèn)題多,技術(shù)難度大,國(guó)內(nèi)無(wú)鉛封裝處于初始階段,日、美、歐大廠商的無(wú)鉛封裝量產(chǎn)將形成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 8 商貿(mào)市場(chǎng)現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)分立器件廠家對(duì)行業(yè)的發(fā)展一直高度關(guān)注,由產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì),生產(chǎn)形勢(shì)呈上升狀態(tài),發(fā)展現(xiàn)狀如表6所示。 據(jù)CCID分析,2003年國(guó)內(nèi)分立器件市場(chǎng)規(guī)模已占1/3,今后還將以接近20%的速度增長(zhǎng),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求主要來(lái)自消費(fèi)電子類、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、通信三大領(lǐng)域,產(chǎn)品目前仍以普通晶體管、二極管為主,生產(chǎn)方面以后工序封裝為多,而前工序的管芯芯片制造卻沒(méi)有形成可觀的生產(chǎn)規(guī)模,導(dǎo)致產(chǎn)品大進(jìn)大出,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上進(jìn)口產(chǎn)品約占90%的市場(chǎng)份額,國(guó)內(nèi)廠家內(nèi)銷量?jī)H占市場(chǎng)銷量的10%,競(jìng)爭(zhēng)中以日、歐、美等國(guó)外商占優(yōu)勢(shì),表7示出2003年國(guó)內(nèi)分立器件市場(chǎng)前15家供應(yīng)商情況。 誘人的市場(chǎng)吸引了眾多半導(dǎo)體供應(yīng)商的進(jìn)入,國(guó)外分立器件以高端產(chǎn)品為主導(dǎo),營(yíng)收額、市場(chǎng)獨(dú)占性不及集成電路,產(chǎn)品分散率大,例如變?nèi)?、開(kāi)關(guān)、肖特基、快恢復(fù)整流、瞬變電壓抑制等二極管、功率晶體管、微波器件、電力電子器件等門類及品種繁多,2004年仍有30%左右的增長(zhǎng)率,今后的市場(chǎng)年需求量還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。各廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品類型各異,市場(chǎng)策略各有千秋,一些廠商在集成電路供貨方面實(shí)力雄厚,并不斷強(qiáng)化分立器件的本地化服務(wù),生產(chǎn)轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)。例如,歐洲公司飛利浦半導(dǎo)體、英飛凌、意法半導(dǎo)體在分立器件的市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大,多元化規(guī)模建封裝廠,飛利浦半導(dǎo)體自稱為分立器件的捍衛(wèi)者,銷售額中的22%來(lái)自分立器件,在廣東、吉林等地成立合資公司,廣東測(cè)試和裝配工廠可年產(chǎn)40億只分立器件,吉林飛利浦半導(dǎo)體有限公司年封裝能力為6億只大功率晶體管等分立器件。樂(lè)山菲尼克斯半導(dǎo)體有限公司是美國(guó)安森美半導(dǎo)體在產(chǎn)量、生產(chǎn)成本的SOT-23生產(chǎn)基地,主導(dǎo)產(chǎn)品SOT-23產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)總量的90%以上,產(chǎn)品出口在95g《以上,到2010年力爭(zhēng)出口創(chuàng)匯5億美元。 市場(chǎng)增長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)企業(yè)提供做大做強(qiáng)的發(fā)展空間,國(guó)內(nèi)廠家的生產(chǎn)能力顯著增強(qiáng),是中低檔分立器件生產(chǎn)大國(guó),產(chǎn)品具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。從分立器件行業(yè)銷售總額比重來(lái)看,長(zhǎng)三角地區(qū)占43.3%,京津環(huán)渤海灣地區(qū)占24.9%,珠三角地區(qū)占19.3%,其他地區(qū)為12.5%,其中長(zhǎng)三角地區(qū)企業(yè)占全國(guó)封裝業(yè)的80%,產(chǎn)值近70%,長(zhǎng)三角的經(jīng)濟(jì)主要面向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。新潮集團(tuán)長(zhǎng)電科技形成年產(chǎn)100億只分立器件能力,在TO-92系列產(chǎn)品基礎(chǔ)上,拓展貼片式封裝器件,上市后募集資金用于組建片式晶體管30億只/年封裝,片式功率MOSFET器件封裝、片式器件封裝檢測(cè)生產(chǎn)線全自動(dòng)化技改等項(xiàng)目,產(chǎn)品上檔次,產(chǎn)業(yè)上規(guī)??缭绞桨l(fā)展。 封裝具有人力資源、資金需求大,技術(shù)門檻相對(duì)不高,封裝測(cè)試在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中比較容易進(jìn)人的特點(diǎn)-許多跨國(guó)公司都將封裝測(cè)試工廠設(shè)置在勞動(dòng)力成本較低的地方,鑒于市場(chǎng)和成本等原因,國(guó)內(nèi)今后可能成為分立器件的主要產(chǎn)銷地。據(jù)預(yù)測(cè),到2007年,國(guó)內(nèi)分立器件的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2330億只,543億元。 美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)SIA近發(fā)布2004年中市場(chǎng),對(duì)于2004年至2007年間的分立器件市場(chǎng)作了的預(yù)測(cè)如表8所示,包括功率晶體管與射頻晶體管在內(nèi),2003年為實(shí)際值;其他為預(yù)測(cè)值:盡管對(duì)某些數(shù)據(jù)不同的組織與公司之間仍有一些分歧,但普遍認(rèn)為市場(chǎng)前景看好,分立器件的封裝為適應(yīng)市場(chǎng)需求正加快變革。 9 結(jié)束語(yǔ) 分立器件封裝技術(shù)傳承變換,旺盛的市場(chǎng)需求引發(fā)小空間內(nèi)的大創(chuàng)新,要全面仔細(xì)分類詳述封裝類型及產(chǎn)品遠(yuǎn)非本文所涉,只是試圖窺一斑而知全豹,在半導(dǎo)體市場(chǎng)大回暖的環(huán)境中,領(lǐng)略感受分立器件封裝的瞬息萬(wàn)變和發(fā)展趨勢(shì),以及行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn),風(fēng)雨綢繆,轉(zhuǎn)變觀念,多角度形成發(fā)展分立器件的共識(shí)。 | ||||||||
本文摘自《電子與封裝》 | ||||||||
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