книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

5

Рис. 1.12. Волноводно-щелевые линии:

а - односторонняя; б - изолированная; в - дву­ сторонняя; г - противоположная; 1 - провод­ ник; 2 - плата; 3 - волновод-экран

устройствах с активными элементами для подачи напряжения смещения. Двусторонняя ВЩЛ металлизирована с двух сто­ рон, и обычно в ней поддерживаются две распространяющиеся моды. Для формирования противоположной ВЩЛ диэлектри­ ческая подложка металлизируется также с двух сторон. Полу­ чение малых импедансов - отличительная черта двусторонних ВЩЛ.

Структура поля в ВЩЛ близка к структуре поля в греб­ невом волноводе. Импеданс ВЩЛ зависит не только от разме­ ров щели, но и от расположения подложки относительно сере­ дины волновода. ВЩЛ слабо дисперсна в очень широком (бо­ лее октавы) рабочем диапазоне. К достоинствам таких линий относится также высокая технологичность, хорошее согласо­ вание с другими элементами СВЧ-тракта, поэтому ВЩЛ - одна из перспективных линий при интегрализации устройств миллиметрового диапазона.

Д и эл ек тр и ч еск и й волновод (Д В ). Для устройств, работающих на частотах от 60 ГГц и выше, одним из наи­ более перспективных типов линий передачи является ДВ с по­ верхностным типом волн.

нщелевая линия; ж - волновод и копланарная линия

Внастоящее время известны конструкторские модифика­ ции ДВ, предназначенные для интегральных схем. Некоторые из них приведены на рис. 1.13.

Различные конструкции ДВ имеют разные электродина­ мические характеристики (дисперсию, затухание, критиче­ ские частоты и др.) и разные эффекты распространения и вытекания поверхностных волн.

Зеркальный ДВ (см. рис. 1.13, а) выгодно отличается ме­ таллизированной подложкой для теплоотвода и относительно широким диапазоном одномодового режима. Зеркальные вол­ новоды можно рассчитать численными методами, они практи­ чески могут быть выполнены из многих диэлектрических ма­ териалов. Эти волноводы хорошо зарекомендовали себя при изготовлении приемопередающих модулей.

Визолированном ДВ (см. рис. 1.13, б) между диэлектри­

ческим стержнем и металлизацией расположен тонкий слой диэлектрика, причем диэлектрическая проницаемость слоя 62

снижает потери проводимости (по сравнению с зеркальным волноводом). Тонкий слой диэлектрика - это также элемент крепления диэлектрического стержня, что снижает техноло­ гические трудности при изготовлении изолированных ДВ.

В гребневом ДВ (см. рис. 1.13, б), выполняемом обыч­ но на полимерном материале, элементом крепления являются закритические ребра (крылья). Влияние их на электродина­ мические характеристики незначительно, поскольку энергия поля в большей степени сконцентрирована в волноведущем стержне.

Желобковый ДВ (см. рис. 1.13, г) достаточно оптимален при выполнении одной из сложных задач техники ДВ - сни­ жения излучения при наличии неоднородностей, например при включении полупроводниковых диодов.

Более перспективным направлением решения этой зада­ чи, причем с учетом интеграции СВЧ-устройств миллиметро­ вого диапазона, представляется создание специальных кон­ струкций металлодиэлектрических волноводов. На рис. 1.13, д представлен ДВ полностью металлизированный.

Поскольку полупроводниковые структуры достаточно хо­ рошо согласуются с микрополосковыми линиями, для актив­ ных устройств целесообразно использовать гибридные струк­ туры из ДВ и щелевой линии (см. рис. 1.13, с) или ДВ и ком­ планарной линии (см. рис. 1.13, ж). Связь между этими ли­ ниями легко реализовать сдвигом их относительно друг дру­ га. При изготовлении ДВ могут быть использованы отливка в пресс-формы, формовка из пластин сырой керамики, толсто­ пленочная технология. В технологический процесс изготовле­ ния ДВ на полупроводниках легко вписывается эпитаксия и ионная имплантация.

Совместимость ДВ с другими линиями передачи предста­ вляет самостоятельную и очень сложную задачу. Ее реше­ ние возможно квазиоптическими и волновыми методами воз­ буждения ДВ. Квазиоптические методы используют обычно

лучевые линии передачи, возбуждающие открытый участок (торец) ДВ через линзу или призму. Наиболее известны три варианта лучевых линий передач, применяющихся для квазиоптической канализации энергии СВЧ миллиметрового и сан­ тиметрового диапазонов: линзовая, зеркальная и диафрагми­ рованная. Однако описание лучевых линий передач в рамки этой книги не входит.

1.3.Диэлектрические материалы микрополосковых плат

Основание - подложка - является не только механически прочной и химически стойкой основой конструкции ГИС СВЧ, но во многих случаях (в зависимости от типа линий передачи)

исредой, где распространяется электромагнитное поле (ЭМП)

иформируются процессы взаимодействия ЭМП, определяю­ щие функциональные характеристики устройств СВЧ с эле­ ментами конструкции. Размеры элементов конструкции ГИС СВЧ прямопропорционально связаны с длиной волны распро­ странения ЭМП, поэтому с повышением частоты ужесточа­ ются требования к номинальным параметрам подложек и до­ пускам на их отклонение для каждой подложки в отдельности

исерийной партии в целом.

Основными требованиями к материалам подложек ГИС СВЧ являются: низкая стоимость, хорошая обрабатывае­ мость, отсутствие газовыделений при большой температуре и вакууме, высокая механическая прочность, химическая стой­ кость, стойкость к термоударам, хорошая теплопроводность, высокая плоскостность и малая шероховатость поверхности, отсутствие микровключений и пор, согласованность темпе­ ратурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) с ТКЛР материалов наносимых пленок, высокое удельное элек­ трическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектриче­ ских потерь tg Sy стабильность диэлектрической проницаемо­ сти sr .

При конструировании ГИС СВЧ оцениваются, в первую очередь, электрофизические параметры материалов: электри­ ческое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь,

величина диэлектрической проницаемости, с тем, чтобы опре­ делить возможность реализации материала в устройствах за­ данного диапазона частот. Затем решается вопрос о возмож­ ности изготовления подложек из выбранного материала с рас­ считанными геометрическими размерами и их металлизации.

Для изготовления ГИС СВЧ применяются следующие ма­ териалы: ситаллы, керамика ВК 94-1 (22ХС) и ВК 100-1 (поликор), бериллиевая керамика, сапфир, кварц, композицион­ ные материалы на основе фторопласта.

Н ео р ган и ч ески е д и эл ек тр и ч еск и е м а т е р и а л ы . Си­ таллы представляют стеклокристаллические материалы на основе систем окислов металлов: ЭЮг - AI2O3 - СаО - MgO - Т1О2 и др. Широкий выбор используемых оксидов дал возмож­ ность освоить в производстве ряд типов ситаллов с разными номинальными значениями ег = 7 - 10 и tg Æ= (2 —50) • 10- 4 . Ситаллы имеют низкий ТКЛР, высокую химическую стой­ кость и шероховатость поверхности после обработки с откло­ нением профиля не более 0,05 мкм, наличие пористости до 5 %, небольшую теплопроводность (коэффициент теплопроводно­ сти КТ — 1 ... 1 ,5 В т/(м • К)), цвет белый с голубым или жел­ тым оттенком, непрозрачны.

Керамика ВК 94-1 - алюмооксидная керамика с содер­ жанием оксида алюминия 9 3 .. .96 %, имеет кристаллическую фазу 8 8 ...8 9 % , ег = 10,3, низкий ТК Л Р, высокую химиче­ скую стойкость, шероховатость поверхности после обработки

Ситаллы и керамика ВК 94-1 вследствие наличия в струк­ туре микродефектов (пор, инородных микровключений и т.п.) используются для подложек ГИС СВЧ, предназначенных для работы в низкочастотной части диапазона СВЧ.

Керамика ВК 100-1 - алюмооксидная керамика с содержа­ нием оксида алюминия. 9 8 ... 100 %, имеет низкий Т К Л Р, высо­ кую химическую стойкость, шероховатость поверхности после обработки с высотой микронеровностей до Rz = 0,02 мкм, хо­ рошую теплопроводность (К т = 3 1 ,5 В т/(м К )), цвет белый,

полупрозрачный. Она используется в основном для подложек ГИС СВЧ сантиметрового диапазона.

Сапфир - монокристаллический оксид алюминия с содер­ жанием AI2O3 не менее 99,6 %, бывает природным и искус­ ственным. Сапфир представляет монокристаллическую слож­ ную кристаллографическую структуру, поэтому его свойства зависят от направления измерения относительно оси кристал­ ла. Сапфир однороден по своим свойствам, его поверхность может быть обработана до высокой чистоты с высотой микро­ неровностей до Rz = 0,01мкм. Недостатком сапфира явля­ ется его высокая стоимость. Используется в сантиметровом диапазоне волн.

Локальное изменение плотности керамики из оксида алю­ миния, участки с “разрыхленной” структурой, наличие от­ дельных крупных пор и крупных кристаллических зерен явля­ ются причиной нестабильности диэлектрических, параметров в пределах одной пластины и партии пластин.

Разброс значений эффективной диэлектрической прони­ цаемости составляет:

-средних значений £Эф Для одной партии пластин до 1 %;

-средних значений еЭф различных партий пластин до 4 %;

-дисперсий величин еЭф Д° 1,6 %;

-роста дисперсий при увеличении частоты от 1,5 ГГц до 17 ГГц от 1,6 до 2 %.

Некоторые материалы плат даже высокой степени хими­ ческой чистоты, например керамика ВК 100-1, сапфир, имеют различные значения диэлектрической проницаемости при ее измерении в параллельном (в\\) или перпендикулярном (е±) направлении к плоскости, т.е. у этих материалов имеет место анизотропия электрических свойств.

Анизотропия относительной диэлектрической проница­ емости керамики ВК-100-1 объясняется текстурированием, т.е. различием формы и размеров зерна по направлениям из­ мерения, и может составлять 3 0 ... 40 %.

Анизотропия монокристаллических материалов, каким является сапфир, выращенных из расплава, определяется фор­ мированием предпочтительных осей кристалла: по направле­ нию вытягивания кристалла или параллельно этому напра­ влению.

Бериллиевая керамика - керамика на основе оксида бе­ риллия (при содержании Вег04 = 99,7% керамика называет­ ся “Брокеритом”). Бериллиевая керамика обладает высоки­ ми механическими, электрическими свойствами и химической стойкостью. Теплопроводность ее выше, чем у некоторых ме­ таллов и сплавов (210 Вт/(м -К )). Существенным недостатком является токсичнсоть ее паров и пыли.

Повышение диэлектрической проницаемости подложки - один из путей миниатюризации узлов СВЧ-диапазона. Если современные достижения в микросхемах СВЧ массового при­ менения связаны с материалами на основе оксида алюминия и ситаллами, имеющими ег = 7 — 10, то дальнейший про­ гресс, по-видимому, будет связан с материалами, имеющими

внесколько раз большую диэлектрическую проницаемость.

Ктаким материалам относятся титанатные керамики марки

Кварц - диоксид кремния, который обычно получают

плавлением чистого кварцевого песка, содержащего не более 0,25% посторонних примесей. Кварц высокой чистоты по­ лучаю т плавлением горного хрусталя или из чистого крем­ ния. Кварц обладает низким коэффициентом теплового рас­ ширения, высокой плотностью и химической стойкостью, от­ носительная диэлектрическая проницаемость чистого кварца

ет= 4, а кварцевого стекла ег = 3,7.

Кварц имеет и принципиальные недостатки: низкую теп­

проявляется в хрупкости этого материала, трудности его ме­ ханической обработки. Малый коэффициент линейного рас­ ширения (а т = 5 10“ 7оС“ 1) вместе с высоким классом ше­ роховатости поверхности затрудняет получение хорошей ад­ гезии осаждаемых проводниковых структур. С целью обес­ печения адгезии необходимо обеспечить специальные меры по очистке поверхности кварцевого стекла и созданию “согласо­ ванных” пленочных структур. К недостаткам кварцевого сте­ кла следует отнести также повышенную миграцию щелочных ионов, что может повлиять на стабильность резисторов. Этот материал используется для подложек ГИС СВЧ миллиметро­ вого диапазона.

Ферриты представляют собой класс материалов, у кото­ рых удачно сочетаются свойства диэлектриков, полупровод­ ников и ферромагнетиков. Поэтому их использование позво­ ляет создать новый вид устройств, в которых возможно упра­ вление свойствами за счет внешнего магнитного поля, напри­ мер циркуляторы, фазовращатели.

Среди ферромагнитных материалов для плат ГИС СВЧ на частртах до 12 ... 14 ГГц лучшие характеристики имеют железо-иттриевые феррогранаты (YaFesO^). По сравнению с диэлектрическими материалами феррогранаты имеют более пористую структуру и-примерно на порядок большие потери.

На магнитные свойства феррогранатов особое влияние оказывают: качество исходного сырья и параметры техноло­ гического процесса изготовления подложек. Трудность полу­ чения высококачественных феррогранатов с воспроизводимы­ ми параметрами и малыми потерями связана с многокомпонентностью структуры, а также с существованием ряда фак­ торов: переменной активностью исходного сырья, неустойчи­ востью феррообразующих окислов при высоких температурах, критичностью свойств материала к стехиометрическому со­ ставу. Так изменение состава железо-иттриевого граната на ОД формульную единицу приводит к значительному увеличе­ нию ширины кривой ферромагнитного резонанса и увеличе­ нию диэлектрических потерь.

О р ган и ч ески е д и электри чески е, м ат е р и а л ы . Не­ смотря на широкую номенклатуру неорганических диэлектри­ ческих материалов, удовлетворяющих требованиям разработ­ ки и изготовления ГИС СВЧ, дальнейшее их совершенствова­ ние связано с ликвидацией присущих им недостатков.

Например, все они (за исключением кварца, который пока в силу своих специфических особенностей имеет ограниченное применение) имеют ет= 9 и выше, что делает их пригодными для создания МЭИ СВЧ до 10 ... 12 ГГц. В более высоком диа­ пазоне частот (более 18 ГГц) использование неорганических диэлектриков - керамик и ситаллов - потребует уменьшения ширины линии и ужесточения на нее допуска, что значительно снижает эффективность процесса производства.

Причины использования органических материалов следу­ ющие:

-уменьшение величины диэлектрической проницаемости;

-малая толщина материалов (0,05 ... 0,1 мм);

-легкость механической обработки материалов в силу их малой твердости;

-большая “свобода” в увеличении размеров плат, так как полимерные пленки и материалы выпускаются в виде рулонов шириной от 250 мм и больше и длиной несколько десятков метров;

-эластичность материалов, что повышает их способ­ ность противостоять термоударам и механическим нагруз­ кам;

-малая удельная масса;

-низкая стоимость.

Среди органических диэлектрических материалов, имею­ щих возможности применения в ГИС СВЧ, следует отметить флан, ФФ-4, ФАФ-4Д, Ф-4МБСФ-1 и др.

В материале флан связующим веществом является полифениленоксид, а в качестве наполнителя используют порошок оксида алюминия и двуоксида титана. В зависимости от ко­ личества наполнителя этот материал выпускается с ег = 2,8; 3,8; 5,0; 7,2; 10,0; 16,0. Флан имеет высокую механическую