Файл: Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств..pdf

Рис.5 .1 . Линия передачи, моделирующая параметры сосредоточенных элементов на СВЧ.

Л

дельного соединения сопротивления R и емкости -=- , рав-

О

ной одной трети полной емкости резистора на корпус устройства.

Сопротивление пленочного резистора, представляемого в виде

!Z

Анализ этого выражения показывает, что распределенную емкость резистора на корпус следует учитывать только в высокоомных ре­ зисторах.

Входной импеданс Z$x короткозамкнутой линии, образованной коммутационным проводником малой длины, определяется по выраже­ нию:

2-Вх - Г І -*jcoL0 i .

Схема замещения катушки индуктивности может быть представ­ лена последовательной соединением активного и индуктивного сопро­ тивлений передающей линии без учёта распределенаой емкости. Пле­ ночный конденсатор можно рассматривать как короткий отрезок ра­ зомкнутой передающей линии. Входной импеданс такой структуры мо­ жет быть вычислен по формуле:

где % - сопротивление проводника линии;

- сопротивление диэлектрика;

126

С - емкость проводника линии на корпус.

Весьма важным является то обстоятельство, что сам корпус СВЧ микросхемы в любой его точке не имеет постоянного нулевого потенциала. Поэтому при разработке топологии и корпуса высоко­ частотной микросхемы не всегда возможен учёт всех паразитных связей . Резонансные явления с паразитными элементами могут привести к неустойчивой работе устройотва, поэтому размещение элементов должно быть продуманным во избежание связи между ними. Макетная проработка компоновки ВЧ микросхем и корпусов позволяет выявить неучтенные паразитные связи и принять меры по их устранению или ослаблению.

Определенные трудности топологического и конструктивного характера приходится преодолевать при конструировании источ­ ников питания для микроэлектронной аппаратуры вообще и для аппаратуры, работающей в дециметровом и сантиметровом диапазо­ нах в частности. Эти трудности заключаются в обеспечении фи­ зической компактности источников питания и сопряжении всех функциональных узлов устройства, питаемых от одного источ­ ника питания.

При конструировании общих цепей питания следует иметь в виду, что возможно чрезмерное падение напряжения в подводя­ щих постоянный ток проводниках и проникновение действующих в системе сигналов переменного тока в цепи питания. Снижения потерь напряжения в питающих проводниках достигают увеличе­ нием их сечения, если проводники объемные, или увеличением толщины и снижением коэффициента формы, если проводники пле­ ночные. Иногда для подачи питания в микросхемы применяют

127

вместо проводников питающие плоские шины, которые обладают малым сопротивлением и незначительной индуктивностью.

Влияние сигналов переменного тока на цепи питания прояв­

ляется в том, что всякий р а з , как происходит включение или

выключение схемы, на большинстве шин питания возникают вы­

бросы напряжения. Еоли импеданс шины питания не согласован

с импедансом нагрузки, эти выбросы могут многократно отра­ зиться, вызывая лажные срабатывания устройств, в которые они проникают. Требуемое согласование импѳданоов в точках подключения соответствующих нагрузок можно обеспечить, при­ менив вместо питающих проводников питающие линии. Характе­ ристический импеданс распределительной питающей линии без потерь

Для целей согласования можно обеспечить любое Іо , варьируя

конструктивными параметрами линии.

Для достижения минимума отражений СВЧ энергии в микро­

электронном устройстве, что обеспечит более устойчивую и эф­ фективную работу устройства в целом, необходимо тщательное согласование между собой отдельных функциональных узлов и

отдельных цепей в пределах микросхемы.

Учёт перечисленных особенностей топологии ВЧ микросхем

и тщательная макетная отработка устройств позволяют преодо­ левать затруднения, возникающие при разработке гибридных пленочных ВЧ устройств.

128

2 . О ВЫБОРЕ МАТЕРИАЛОВ ДЕЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ГИБРИЛНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ

Характеристики гибридных пленочных СВЧ устройств в зна­ чительной мере определяются материалами, выбранными для из­

готовления пленочных элементов и элементов конструкции.

Подложка микросхемы СВЧ устройства является конструктив­ ной основой для пленочных проводников, резисторов, конденса­

торов, активных элементов, а также составной частью образую­ щихся структур с распределенными параметрами. Известно, что требования, предъявляемые к материалу подложки, к её конструк­ ции и изготовлению, зачастую бывают противоречивыми. Противо­ речивость этих требований становится более ощутимой в микро­ схемах ВЧ и СВЧ диапазонов. Например, о точки зрения уменьше­ ния габаритов полосковых элементов желательно применять под­ ложки из материала с более высоким значением диэлектрической

проницаемости, в то время как для остальной части микросхе­

мы этот материал будет служить причиной возросших паразитных нмкостей и связей .

Можно выделить следующие основные требования к материалам

подложек ВЧ и СВЧ микросхем.

1 . Электрические характеристики: высокое значение удельно­

го электрического сопротивления, достаточная электрическая прочность, малые потери на рабочей частоте и , что особенно

важно, стабильное значение диэлектрической проницаемости

и её однородность.

2 . Теплофизические свойства: малый температурный коэффи­ циент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР осажденных

129

пленок, физическая и химическая стойкость при нагревании до

400-500°С, высокая теплопроводность. При большом различии ТКЛР подложек и пленок, осаждаемых при повышенной температу­ р е , при охлаждении до комнатной температуры в них могут воз­ никать напряжения, приводящие к разрушению пленок.

3 . Механические, технологические и другие свойства: доста­ точная механическая прочность при небольших толщинах, высокая адгезия с осаждаемыми пленками, хорошая обрабатываемость, воз­ можность получения поверхности высокой степени чистоты, порядка

12-14 классов , отсутствие газоввделений в вакууме, химическая инертность к осаждаемым материалам.

В производстве гибридных пленочных схем в настоящее время используются подложки из материалов, электрофизические хара­ ктеристики которых удовлетворяют лишь некоторым из перечислен­ ных требований.

В т а б л .5 .I приводятся основные характеристики некоторых материалов, которые могут быть рекомендованы для подложек ВЧ микросхем. В качестве материала для подложек используются боросиликатные стекла различных марок, например С 48-3, и

керамические материалы, также такие полимерные диэлектрики,

как полистирол, полиэтилен и фторопласт-4, обладающие малы­ ми потерями в диапазоне СВЧ. Подложки из полимерных органи­ ческих материалов используются для изготовления микросхем фотохимическим и фотоэлектрохишческим методами.

Предпочтительно использование в качестве диэлектрическо­ го материала для пленочных СВЧ устройств керамики на основе окиси алюминия (до 96-99$ окиси алюминия), обладающей хоро-

130

§

XD

СО

É4

ІЗ І

пшми диэлектрическими свойствами, малыш температурными из­ менениями параметров и высокой стабильностью во времени. В

тех случаях, когда необходимо получить высокое разрешение

элементов микросхемы, применяется сапфир (монокристалл окиси алюминия) . Сапфир допускает более тонкую обработку поверхно­

сти .

Для изготовления СВЧ микросхем, работающих на сравни­ тельно высоких уровнях мощности сигнала, используют керамику на основе окиси бериллия, обладающую высокой теплопроводно­ стью (до 62% от теплопроводности м еди). Чистота бериллиевой керамики должна быть выше 99%. Примеси и пористость снижают теплопроводность. Недостатками бериллиевой керамики являются малое значение диэлектрической проницаемости и большая труд­

ность обработки поверхности подложек до высоких классов ше­ роховатости.

Общим недостатком заготовок керамических подложек является грубый микрорельеф поверхности. Для улучшения состояния их поверхности применяется покрытие глазурью слоем толщиной в несколько десятков микрон.

Опытным путем установлено, что подложки из керамики о удельным объемным сопротивлением выше ІО ^ о м -см удовлетворяют требованиям применения на СВЧ. Диэлектрические потери в таких подложках меньше потерь в нанесенных на них проводящих плен­ к а х .

Керамические подложки находят применение в устройствах,

работающих при относительно высоких уровнях рассеиваемой те­ пловой мощности. Для маломощных микросхем используются более дешевые и менее трудоемкие в обработке подложки из боросилн-

132

катных стекол и ситалла.

Особые требования предъявляются к материалам подложек СВЧ микросхем, содержащим полосковые элементы. Основным требованием является наибольшая возможная величина диэлек­ трической постоянной и её однородность в пределах одной под­ ложки и в партиях подложек.

Так как всевозможные неровности на поверхности подложки

приводят к появлению электрических неоднородностей в линиях,

а также к коротким замыканиям конденсаторов микросхемы, тре­ буются высокие плоскостность поверхностей подложки и их чи­ стота.

Системы температурной компенсации микросхем значительно усложняют их конструкцию, поэтому стремятся применять подлож­ ки из материалов с малым температурным коэффициентом диэлек­ трической проницаемости, обеспечивая тем самым в определен­ ных температурных интервалах стабильность параметров СВЧ микросхем.

3 . ЗАЩИТА МИКРОСХЕМ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

Микросхемы СВЧ устройств после напыления пассивных эле­ ментов, сборки и монтажа транзисторов и диодов необходимо защищать от неблагоприятных влияний таких внешних факторов,

как повышенная влажность, пыль, механические воздействия и д р .

Микросхемы, подвергающиеся в процѳосе эксплуатации ци­ клическому воздействию повышенной влажности порядка 98^ в