4.9.3 Подложки гимс свч

Подложка является одним из основных элементов гибридных микросхем СВЧ и в значительной степени определяет их параметры. К подложкам предъявляется ряд требований, главными из которых являются:

• высокая диэлектрическая проницаемость (ε ≥ 10);

• малые диэлектрические потери (tgδ < 110^–4);

• стабильность диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот (0,1–10 ГГц) и температур (–80–200 °С);

• минимальная пористость (0,5–1,0 %);

• высокая чистота поверхности (до 12–13-го класса чистоты);

• хорошее качество сцепления с проводниками схемы;

• высокая электрическая прочность;

• хорошая теплопроводность.

Основания корпусов микросхем, на которых устанавливаются кристаллы микросхем и располагаются соединения контактов кристалла с выводами корпуса, по своему функциональному назначению аналогичны подложкам ГИМС и исполняются из тех же материалов.

Параметры материалов подложек ГИМС СВЧ приведены в таблице 4.17.

Таблица 4.17 — Параметры материалов подложек ГИМС СВЧ

Материал	Состав, %	εотн		tgδ, 1/^˚˚С,10 ^– 4		λ, Вт/м, ˚С	Микроне-ровность, мкм
		F, 10 ГГц	F, 25 ГГц	F, 10 ГГц	F, 25 ГГц
Алюмооксид	96	9	8,7	6	7	7	0,6
–	98	9,4	–	4	–	5,5	–
–	99,6	9,8	–	4	–	5	0,1
–	99,9	9,9	–	0,25	–	–	–
Сапфир	–	10	–	1	–	6	0,025
Окись бериллия	99	6,3	6	2	40	400	0,6
–	99,5	6,4	6	1	40	430	–
Кварц плавленый	–	3,8	3,8	1	–	17	0,025
Стекло	–	5	–	4	–	3	0,025
Арсенид галлия	–	13,3	–	2,5	–	100	0,3
Титанат магния	–	12,7	–	–	–	–	–
Ферриты	–	9–14	–	10 –100	–	7	0,3
Рутил	–	95	–	4–15	–	10	0,6

Для обеспечения стабильности параметров микросхемы диэлектрическая проницаемость материала подложки не должна зависеть от частоты и температуры, а толщина подложки должна быть постоянной по всей площади.

Для уменьшения размеров ГИМС СВЧ необходимо выбирать материал подложки с более высокой диэлектрической проницаемостью. Размеры проводников линии (длина и ширина) находятся в обратно пропорциональной зависимости от корня квадратного из диэлектрической проницаемости. Однако следует помнить, что длина согласованной линии и частота обратно пропорциональны, причем на более высоких частотах (f > 30 ГГц) размеры линии на подложке, имеющей диэлектрическую проницаемость порядка 10, настолько малы, что их дальнейшее уменьшение за счет использования материала с очень высокой диэлектрической проницаемостью затрудняет изготовление ГИМС.

По таблице 4.17 видно, что наибольшей теплопроводностью обладает окись бериллия. Поэтому подложки из этого материала применяют в микросхемах, содержащих ферриты или рассеивающих большое количество тепла. В связи с технологическими ограничениями достижения до высокой степени чистоты, подложки из бериллиевой керамики покрывают слоем стеклянной глазури, обработка которой обеспечивает требуемую степень чистоты поверхности.

Широкое распространение для подложек СВЧ ИМС получила алюмооксидная керамика благодаря низким диэлектрическим потерям, стабильности электрических параметров в диапазоне температур, а также невысокой стоимости. Для обеспечения хорошего согласования и малых диэлектрических потерь рекомендуется применять подложки из сапфира. Подложки из титаната магния, имеющего высокую диэлектрическую проницаемость в сантиметровом диапазоне, целесообразно применять, когда важна стабильность диэлектрической проницаемости.

Важным фактором, определяющим механические и электрические параметры ГИМС, является чистота материала подложки. Например, алюмооксидная керамика при составе 99,9 % Al₂O₃ имеет тангенс угла диэлектрических потерь в 24 раза меньший, чем при составе 96 % (см. табл. 4.17). Чистая керамика имеет лучшие значения механических параметров прочности на сжатие.

Минимально достижимая ширина топологического фрагмента на подложке является функцией чистоты поверхности подложки и толщины слоя металлизации. Чем выше качество обработки поверхности подложки, тем меньше размер реализуемого топологического фрагмента. Наименьший уровень микронеровностей достигается в сапфировых подложках.

Полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия и кремний, мало пригодны для подложек на низких частотах (их проводимость относительно велика), но могут применяться на частоте свыше 20 ГГц, так как на высоких частотах затухание быстро уменьшается.