(рис. 2 4). В первом случае всю поверхность подложки покрывают тонким слоем пятиокиси тантала. При этом образуется очень твердая и гладкая пленка, устойчивая к воздействию реактивных сред используемых в технологическом процессе при последующем формировании рабочих элементов (резисторов, полосковых линий, конденсаторов и др. ). Затем на всю поверхность подложки наносят слой нитрида тантала, служащий основой для создания резистивных элементов, а также для формирования диэлектрика конденсаторной структуры.
Конфигурация резистивных и емкостных элементов задается методом фотолитографии. Величину сопротивления резисторов можно доводить до заданного номинала с высокой точностью, изменяя толщину слоя нитрида тантала в результате формирования на его поверхности пятиокиси тантала способом электрохимического анодирования.
[pic]
Пленочные проводники получают термическим испарением в вакууме тонкого слоя золота с адгезионным подслоем хрома при последующем наращивании гальванической меди, защищаемой золотым покрытием. Общая толщина проводника такой многослойной структуры составляет не менее 10 мкм.
Для создания надежной конденсаторной структуры с малым значением
удельной емкости применяют двухслойный диэлектрик. Первый слой пятиокиси
тантала формируют анодированием пленки тантала или нитрида тантала. Толщина
полученной пленки Та2О5 относительно мала, а удельная емкость ее слишком
велика для создания конденсаторов с малыми номинальными значениями. Нанося
на основной слой пятиокиси тантала с большим значением диэлектрической
постоянной ( ( ~ 22) пленку окиси кремния с малым значением диэлектрической
постоянной (( ( 6), легко получить малые удельные емкости в двухслойной
структуре. Наличие двух слоев различных диэлектриков в конденсаторной
структуре повышает надежность пленочных емкостных элементов. Верхний
электрод — золото с подслоем хрома 4 — получен термическим испарением в
вакууме. Нижним электродом является слой нитрида тантала 3, сопротивление
которого достаточно велико.
Рассмотренный вариант комплексной технологии изготовления пассивной части
ГИС СВЧ диапазона очень сложен и трудоемок, а совместимость различных
технологических методик приводит к серьезным ограничениям рабочих
характеристик микросхемы в целом. Все это сдерживает внедрение ГИС СВЧ
диапазона, содержащих сосредоточенные R- и С- элементы в массовое
производство.
В настоящее время наиболее широкое распространение в производстве ГИС общего применения получил вакуумный метод нанесения тонких пленок с использованием избирательного химического травления как наиболее простой, менее трудоемкий и пригодный для массового производства. Достигнутые успехи в области создания пассивных R-,C- и L-элементов, а также в получении бездефектных пленок меди толщиной более 5 мкм термическим испарением в вакууме способствовали созданию комплексной технологии изготовления ГИС СВЧ диапазона (см. рис. 2.4). Применение вакумно-термических методов для получения СВЧ микросхем позволяет по производственным признакам поставить их в общий ряд гибридных интегральных микросхем. В качестве резистивных элементов в этом случае используют пленки хрома, нихрома и металлосилицидных сплавов, диэлектриком конденсаторной структуры служит боросиликатное стекло. Проводники создают также термическим испарением в вакууме толстых пленок меди с адгезионным подслоем при последующей защите их химическим или гальваническим способом.
Конструктивные основы пленочных СВЧ микросхем.
Микрополосковые схемы СВЧ диапазона, построенные на элементах с
распределенными параметрами, представляют наиболее обширный класс
микросхем, предназначенных для работы в коротковолновой части СВЧ диапазона
(3 ... 30 ГГц). Пассивные СВЧ элементы с распределенными параметрами
выполняют в виде разветвленных отрезков микрополосковой линии заданной
конфигурации, которая образуется между нижней металлизированной
поверхностью и проводником, нанесенным на верхнюю поверхность платы.
Поэтому конструкция прибора и его рабочие характеристики в значительной
степени зависят от основных параметров исходного материала подложки и
технологического маршрута изготовления микросхемы. При этом важно, чтобы
потери в микрополосковой линии передачи на фиксированной частоте были
минимальны, а конструкция обеспечивала надежность микросборки после монтажа
навесных элементов и сборки узла или ячейки в целом.
Потери в микрополосковой линии передачи зависят от удельного сопротивления металлической пленки — проводника, его конструкции и характеристического сопротивления микрополосковой линии, величина которого является функцией толщины и диэлектрической постоянной подложки. Для уменьшения потерь в микрополосковой линии удельное сопротивление металлического покрытия должно быть минимально возможным. Уменьшают удельное сопротивление проводящего покрытия, выбирая исходный материал с высокой проводимостью и обеспечивая высокую идентичность свойств пленочного и массивного образцов.
С другой стороны, уменьшить потери можно и конструктивным решением функционального узла. Известно, что потери уменьшаются при увеличении ширины микрополосковой линии. Это можно учесть при конструировании микрополосковых схем и снизить потери, увеличивая толщину подложки, чтобы обеспечить постоянство характеристического сопротивления. Кроме того, конструкцию элементов можно изменить, если выбрать материал подложки со свойствами, оптимальными для данной группы микросхем. С этой точки зрения при конструировании СВЧ микросхем к подложкам предъявляются дополнительные требования, связанные со спецификой работы СВЧ устройств. Наряду с общими требованиями к классу чистоты обработки поверхности и механическим свойствам подложек, обеспечивающим возможность их химической и механической обработки, а также работу устройства в заданном интервале температур, должны выполняться следующие требования:
. диэлектрическая проницаемость исходного материала должны быть ( > 8 для уменьшения геометрических размеров элементов линий передач, работающих в нижней части диапазона СВЧ;
. диэлектрические потери в подложке должны быть минимальными и иметь высокую воспроизводимость не только от партии к партии, но и в каждой точке подложки для уменьшения потерь в линии передачи;
. подложки должны обладать высокой теплопроводностью, а коэффициенты линейного расширения материалов подложек, корпусов и вспомогательных материалов должны быть согласованы для обеспечения работы микросхем при повышенных уровнях мощности.
Конструирование СВЧ микросхем включает расчет и проектирование изделия по заданным электрическим параметрам с учетом процессов сборки и регулировки. При этом определяют вариант схемы узла, материал и геометрические размеры подложки, исходные материалы и последовательность их нанесения для получения проводящих, резистивных и емкостных элементов, а также их геометрические размеры и взаимное расположение.
Исходными данными для расчета геометрических размеров полосковой линии передачи являются характеристическое сопротивление и добротность, которые зависят от параметров материала обложки и металлического покрытия.
Исходя из требований к добротности, рассчитывают геометрические размеры микрополосковой линии передач и выбирают исходные материалы и технологический маршрут изготовления микросхемы. Погрешность параметров микрополосковой линии передачи определяют с учетом как погрешности исходных формул для расчета, так и технологических допусков и невоспроизводимость толщины и диэлектрической проницаемости подложки. Поскольку толщину микрополосковой линии передачи выбирают не менее 1 скинслоев, невоспроизводимостью по толщине проводника, как правило, пренебрегают.
Исходными данными для расчета геометрических размеров резистивных элементов являются номинальное значение их сопротивления R и рабочая мощность рассеяния Р. Резистивный материал выбирают с учетом удельного сопротивления единицы поверхности пленки ро, ее толщины 1, допустимой удельной мощности рассеяния Ро. Необходимое удельное сопротивление должно обеспечиваться при толщине пленки не менее 0,05 мкм, в противном случае надежность резисторов при повышенных электрических и тепловых нагрузках не гарантируется. Следует учитывать также, что допустимая удельная мощность рассеяния для конкретного резистивного материала определенной толщины зависит от теплопроводности материала подложки и класса чистоты обработки се поверхности. Поэтому при конструировании микросхем, работающих при повышенной мощности рассеяния, допустимую мощность целесообразно рассчитывать по температуре локального перегрева в зоне резистора, которая не должна превышать 100 С.
Перекрытие резистивной пленки и проводящего элемента в зоне их контактирования (рис. 2.5) должно обеспечивать надежный контакт независимо от способов формирования элементов и придания им заданной конфигурации.
Геометрические размеры резистивных элементов СВЧ микросхем рассчитывают по формулам, применяемым для расчета низкочастотных резисторов:
[pic] где S, 1, b—площадь, длина и ширина резистора; N—число квадратов; Р0 и
R( — удельные мощность рассеяния и сопротивление.
При вычерчивании топологии резистивного слоя к расчетной длине резистивной полоски прибавляют не менее 100... 200 мкм с каждой стороны на перекрытие с проводником.
Конденсаторы СВЧ микросхем могут быть выполнены как в виде трехслойной пленочной структуры, содержащей обкладки и диэлектрический слой, так и в виде планарной конструкции, формируемой в едином технологическом цикле с другими проводящими элементами (микрополосковая линия передачи, индуктивная катушка и др.). Планарные конденсаторы имеют малые значения емкости (не более 2 пФ), а пленочные— емкости больших номиналов. Погонная емкость планарных конденсаторов зависит от ширины зазора, толщины пленок и диэлектрической постоянной материала подложки или наполнителя. Если использовать наполнители с большим значением диэлектрической постоянной, то можно увеличить ее погонную емкость между электродами на порядок.
[pic]
Пленочные конденсаторы рассчитывают исходя из требуемого номинального значения емкости с учетом удельной емкости структуры. Площадь перекрытия обкладок определяют по формуле Sc = С/Со, где С — номинальное значение емкости, а Со — удельное. Затем вносят технологическую поправку на под-пыл и выводы для контактирования. Для повышения надежности конденсаторов длина линии пересечения нижней и верхней обкладок, разделенных диэлектрическим слоем, должна быть минимальной. С другой стороны, для снижения потерь за счет сопротивления обкладок рекомендуется прямоугольная форма конденсатора с выводом по широкой стороне. Конструкцию конденсатора выбирают на основе компромиссного решения с учетом его рабочих характеристик в составе микросхемы.
Индуктивные элементы также выполняют в едином технологическом цикле (в одном слое) с остальными элементами микросхемы. Существующая технология позволяет реализовать индуктивные элементы высокой добротности (Q > 100) в виде спирали с номинальными значениями L = 1 ... 100 нГ.
Индуктивные элементы малых номинальных значений иногда выполняют в виде отрезков полосковых линий или в виде меандра. В этом случае при расчете индуктивности учитывают не только длину и ширину линии, но и ее толщину, а также влияние металлического основания (металлизации обратной стороны).
При составлении и расчете топологического чертежа микросхемы необходимо учитывать конструкцию и геометрические размеры навесных элементов, а также способ их присоединения к пленочным элементам. Кратко остановимся на особенностях СВЧ микросхем. В ГИС СВЧ диапазона применяют полупроводниковые приборы различной конструкции. Оптимальной с точки зрения возможности автоматизации процессов сборки является конструкция полупроводниковых приборов типа LID с балочными выводами и с керамическими полукорпусами (безвыводной перевернутый прибор). Навесные пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) выполняют в виде таблеток с балочными выводами.
После монтажа навесных элементов и настройки микросборок их стыкуют в корпусе. В этом случае должны быть выполнены два наиболее важных условия:
. микросхемы должны стыковаться геометрически одна с другой по входным и выходным контактам с достаточно высокой точностью;
. переход от одной микросхемы к другой должен обеспечивать надежный электрический контакт не только по проводникам микрополосковых линий, но и по металлизации основания (обратных сторон микросхем).
Требования к точности совмещения «вход—выход» повышаются с ростом рабочей частоты. При смещении стыкуемых микрополосковых линий или возникновении между ними зазора в СВЧ тракте устройства проявляют реактивность, которые приводят к рассогласованию.
Надежный электрический контакт обеспечивают, выбирая методы и материалы крепления подложек микросхем к корпусу. В случае пайки мягким низкотемпературным припоем важна совместимость материалов подложек и корпуса по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР). При нагреве или охлаждении системы из-за жесткости конструкции могут возникнут внутренние напряжения в подложке и, как результат ее механическое разрушение или отслоение проводящего покрытия. eсли для крепления подложек использовать токопроводящие эластичные клеи, то проблема механической надежности исключается, однако переходное сопротивление систем металлизация—корпуса и подложка — подложка увеличивается. Кроме того, сопротивление эластичных проводящих клеев характеризуется существенной температурной зависимостью.
Интересным вариантом является механическое крепление подложек к корпусу с помощью столбиков или уголковых прижимов. Достоинство механического способа заключается в простоте монтажа и демонтажа микросхем, что позволяет быстро производить ремонт аппаратуры. Испытания систем, содержащих большое число микросхем, закрепленных механически, показали их высокую надежность. К недостаткам данного варианта следует отнести незначительное увеличение площади за счет крепления на корпусе угловых или боковых прижимов и необходимость сверления отверстий при использовании столбиков.
Чтобы повысить компактность конструкции устройства, иногда применяют
так называемое двухэтажное размещение. При этом микрополосковые линии
соединяют центральными проводниками коротких отрезков коаксиальных трактов.
Правильный выбор значения волнового сопротивления коаксиальных переходов
обеспечивает согласование микросхем в широкой полосе частот.
Герметичность соединения крышки с корпусом создают пайкой или сваркой.
Разъем герметизируют с помощью металлостеклянного спая, используя
согласующуюся по ТКЛР пару ковар—кварцевое стекло.
Все ее параметры определяют по приближенным формулам. Так, для определения волнового сопротивления линии одной из наиболее употребительных является формула
[pic] (1) где (, — эффективная ширина полоски. Она зависит от толщины полоски
[pic] (2)
Формула (1) дает достаточно хорошее приближение, и оно тем точнее, чем
меньше отношение (/h. Так, при (э/h>0,4 ошибка составляет порядка 3%, а при
(э/h 10 ГГц) при наличии нерегулярностей возрастает уровень волн
высших типов и потери на излучение становятся заметными.
Максимальная передаваемая по несимметричной полосковой линии средняя
мощность ограничивается допустимым нагревом подложки и проводников.
Ориентировочные значения предельных мощностей линии с поликоровой и
сапфировой подложками составляют 80...100 Вт.
Предельная импульсная мощность определяется допустимым значением напряженности электрического поля в подложке. Эта мощность составляет несколько киловатт при скважности сигнала более 50.
Для уменьшения паразитных связей с соседними цепями, герметизации
микросборок и механической защиты линии применяют экранированные
микрополосковые линии (рис. 2.7). Близость крышки экрана к полоске изменяет
параметры линии. Волновое сопротивление линии и эффективная диэлектрическая
проницаемость при этом уменьшаются. Например, при ( = 7,5; w/h = 1
установка экрана на высоте b/h = 2 уменьшает волновое сопротивление Zo = 65
0м до 55 0м и (э = 4,8 до 4. При расстоянии до экрана b/h > 5 параметры
линии изменяются мало, поэтому располагать экран ближе к линии не следует.
[pic]
В последние годы разработаны еще два типа линии передачи для пленочных микросхем: щелевая линия и компланарный волновод. У этих типов линий все проводники расположены на одной поверхности подложки. Щелевая линия образуется одной узкой щелью в проводящем слое, нанесенном на одну сторону подложки. В компланарном волноводе две щели. Конструкция этих линий оказывается удобной при параллельном включении в них различных сосредоточенных элементов, в том числе и активных полупроводниковых приборов.
Структура поля в щелевой линии и компланарном волноводе существенно
отличается от структуры поля волны типа Т. Поле щелевой линии, например
(рис. 2.8), имеет продольную составляющую магнитного поля Н, т. е. это
фактически волна типа H, хотя ее критическая частота равна нулю. В этих
линиях могут распространяться колебания любой частоты, вплоть до f = 0.
Надо отметить, что в названии щелевой линии имеется терминологическая
неточность. В электродинамике и технике СВЧ волноводом принято называть
тракт, структура поля которого имеет продольные составляющие полей Е или Н
(металлический, диэлектрический, лучевой волноводы). С этой точки зрения
щелевая линия является волноводом.
Подложки рассматриваемых линий выполняют из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Это обеспечивает концентрацию поля вблизи щели. Фазовая скорость, длина волны и волновое сопротивление таких линий зависят от частоты, т. е. эти системы дисперсионные.
[pic]
[pic]
[pic]
Отметим еще одно свойство этих типов линии. Магнитное поле имеет две ортогональные составляющие, сдвинутые по фазе. Следовательно, в линиях есть области эллиптической поляризации магнитного поля. Если в этих областях разместить намагниченный поперечным магнитным полем феррит, то, используя эффект Коттона—Мутона и поперечный ферромагнитный резонанс феррита, можно создать невзаимные приборы: вентили, циркуляторы, фазовращатели с дифференциальным фазовым сдвигом.
Остановимся более подробно на щелевой линии. В нулевом приближении все фазовые характеристики поля определяются с помощью эффективной диэлектрической проницаемости, которая зависит от ( материала подложки:
[pic] 7
Последующие приближения, требующие решения граничной задачи, показывают зависимость (э от частоты и геометрии линии (рис. 2 10). Здесь же приведена кривая для несимметричной микрополосковой линии (штриховая кривая).
Следует оговорить понятие волнового сопротивления щелевой линии.
Поскольку поле в щелевой линии не потенциальное, волновое сопротивление
здесь вводится как волновое сопротивление линии, эквивалентной волноводу.
Отсюда и его зависимость от частоты (рис. 2.11). Здесь же дана кривая
волнового сопротивления несимметричной микрополосковой линии.
Омические потери обоих типов линий примерно одинаковы. Возбуждать щелевую линию можно или микрокоаксиальным кабелем, или несимметричной линией. В первом случае внешний проводник коаксиала соединяют с одной металлической пластиной, внутренний — с другой.
[pic]
Интересные возможности для создания миниатюрных СВЧ устройств
открываются при объединении щелевой и несимметричной линий. В этих
устройствах щель расположена на одной стороне подложки, полоска — на другой
Изменяя расстояние между щелью и полоской, можно изменять связь между
линиями. Таким образом, легко изготовить направленный ответвитель с
распределенной связью.
