Файл: Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств..pdf

УДК 621.396.6 - 181.48:621.382.81

Авторы: В.И .Дьячков, П.В.Коробейников, Ю.Н.Кобцева,

,Г.М.Мельников, И.А.Миннигулов, В.И.Паречин, А.С.Семин ,

Ю.М .Суслов, А.Ф .Цветков, Ю.В.Швадчак.

Л?

Вкниге излагаются вопросы конструирования выоокочастот

ных гибридных пленочных микросхем кварцевых генераторов,

усилителей и фильтров, работающих в диапазоне до 1 Ггц , и

устройств, содержащих эти функциональные узлы. Приводятся требования к конструкции пассивных элементов гибридных пленочных микросхем, их частотные свойства и методика рас­ чёта, особенности разработки топологии и конструкции высокочастотных функциональных узлов и устройств. Книга написана на основе обобщения литературных сведений и результатов выполненных авторами исследований по различным направлениям микроминиатюризации узлов высокочастотных радиоустройств. Книга предназначена для инженерно-техниче­ ских работников, специализирующихся в области конструиро­ вания высокочастотной микроэлектронной аппаратуры, и сту­ дентов вузов специальности "Конструирование и производ­ ство радиоаппаратуры".

Одобрено методическим Советом Рязанского радиотехни­

ческого института 29 декабря 1971 года.

© Рязанский Радиотехнический институт, 1973 г .

3

ПР Е Д И С Л О В И Е

Впоследние года исследованиям и разработкам функцио­

нальных узлов и устройств, работающих на высоких и сверх­ высоких частотах, в гибридном пленочном исполнении уделяет­ ся оообое внимание. Это объясняется известными преимущества­ ми конструкций интегральных гибридных пленочных устройств по сравнению с аналогами на дискретных элементах, а именно малыми размерами, весом и повышенными частотными пределами интегральных пленочных устройств, достигаемыми существенным уменьшением влияния паразитных параметров.

Современная технология гибридных пленочных интегральных схем обеспечивает изготовление их элементов с сосредоточен­ ными параметрами, размеры которых составляют весьма малую долю длины волны генерируемого или усиливаемого оигнала.

Поэтому распределенные реактивности пленочных катушек инду­ ктивности, резисторов, диэлектрического слоя пленочных кон­ денсаторов получаются пренебрежимо малыми, не оказывают влияния на работу этих элементов.

Разработанные к настоящему времени гибридные интеграль­ ные пленочные усилители, генераторы* фильтры, построенные на использовании пленочных элементов с сосредоточенными ,

параметрами, по качественным показателям сопоставимы с • аналогичными устройствами на дискретных элементах. Уровень'

их •выходной мощности ограничивается типами.примененных

"транзисторов, а верхняя граничная частота определяется воз­ можностью изготовления пленочных элементов о наименьшими'

размерами.

4

Однако при разработке гибридных интегральных пленочных схем метрового и дециметрового диапазонов приходится преодо-.

левать трудности, обусловленные схемными, конструктивными и технологическими причинами. Основными из них является сл е -

дугацие.

1 . Паразитные параметры элементов устройств соизмеримы с параметрами самих элементов. Параметры устройств во многом определяются их конструкцией и топологией входящих в устрой­ ства пленочных микросхем. Их анализ и расчёт могут быть вы­

полнены только приближенно. Поэтому требуемые характеристики устройств достигаются их тщательной экспериментальной отра­ боткой.

2 . Параметры элементов схем устройств, подтвержденные на макете с дискретными элементами, обязательно должны подвер­ гаться коррекции с учётом всех паразитных реактивностей,

определяемых топологией разрабатываемой микросхемы.

3 . Ограниченная номенклатура высокочастотных бескорпусных активных элементов (транзисторов) обусловливает их использо­ вание в предельных по частоте и мощности режимах.

4 . Получение больших добротностей колебательных контуров сопряжено с усложнением технологии пленочных микросхем.

( Для успешной разработки гибридных пленочных устройств СВЧ диапазона необходимо комплексное (совокупное) решение схемных, конструкторских и технологических вопросов, что требует от разработчиков обязательных знаний в области схемотехники функциональных узлов, конструирования и техноло­ гии интегральных пленочных ВЧ и СВЧ устройств.

5

Так, топология функциональных узлов должна разрабатывать­ ся с учётом физики работы схем и технологии их изготовления.

При расчётах элементов пленочных схем, при разработке топо­ логии и технологических процессов изготовления пленочных узлов необходимо учитывать требования обеспечения параметров узлов в пределах заданных допусков. При разработке конструк­ ции корпусов UB4 устройств необходимо учитывать то , что они выполняют функции электромагнитных экранов, радиаторов и защиты устройств от механических воздействий.

В периодической научно-технической литературе имеются публикации, посвященные отдельным частным вопросам разработ­ ки интегральных пленочных схем . Однако многие вопросы кон­ струирования микроминиатюрных СВЧ радиоустройств в- литерату­ ре не получили пока достаточного отражения.

В данной книге сделана попытка систематизированного и достаточно полного рассмотрения и изложения сведений по кон­ струированию интегральных гибридных пленочных функциональных узлов и устройств, работающих в диапазоне до £ Г гц . Книга написана на основе обобщения литературных данных и результа­ тов выполненных авторами исследований по разным направлениям микроминиатюризации высокочастотных радиоустройств.

Глава первая посвящена конструкциям и методике расчёта элементов высокочастотных гибридных пленочных микросхем.

Во второй, третьей и четвертой главах изложены вопросы конструирования гибридных пленочных высокочастотных усилите­ лей, кварцевых генераторов и фильтров.

6

Глава пятая посвящена общим вопросам конструирования

высокочастотных устройств, разработки топологии микросхем,

защиты устройств от воздействия внешних факторов и повышен­ ной температуры.

В главе шестой рассматриваются особенности расчёта допу­

сков в гибридных пленочных высокочастотных устройствах.

Без ущерба существу излагаемых вопросов в книге вместо

часто употребляемого термина "интегральная пленочная гибрид­ ная схема" используется более короткий термин "пленочная

І

?

Глава первая. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГИБРИДНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ

1 . КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Емкость контурных конденсаторов ВЧ радиоустройств, как правило, не превышает ІОО пф, а емкость блокирующих, филь­

трующих и переходных конденсаторов не превышает 2000-3000 пф.

Наиболее распространенные конструкции пленочных конденсато­

ров, применяемых в усилителях ВЧ, изображены на р и с . І . І . В

конструкции конденсатора р и с . І . І , а используется тонкая плен­

ка диэлектрика, напыленная в вакууме через маску. Этот кон­ денсатор целесообразно применять при значении емкостей не менее 5-10 пф, так как при изготовлении конденсаторов этого типа емкостью меньше 5 пф резко возрастают технологические погрешности.

Конденсатор, изображенный на р и с . І . І , б , имеет в качестве

диэлектрика материал подложки. Этот конденсатор обладает зна­ чительными размерами вследствие малой величины диэлектриче­ ской проницаемости материала подложки. Его емкость в реаль­ ных схемах целесообразно ограничить величиной 10-20 пф. На р и с .1 ,1 ,в показана конструкция "дифференциального" конденса­ тора, в котором диэлектриком служит также материал подложки.

Конденсаторы, образованные двумя пленочными проводниками

9

ется он -в качестве подстроечного.

А) Трехслойные пленочные конденсаторы ( р и с .І .І ,а ,б ) .

Влиянием краевого эффекта на величину емкости конденсато­ ров данного типа можно пренебречь, если толщина диэлектрика

значительно меньше линейных размеров обкладок. Для определения

величины емкости правомерно применение формулы:

C - C y fl- S ,

где Суд - удельная емкость, приходящаяся на единипу площади S перекрытия обкладок.

Если в конденсаторе в качестве диэлектрика применяется

моноокись кремния, а обкладни-из алюминия, величину добротно­