книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

для изготовления печатных схем, составляет около 2 мм, а ди­ электрическая проницаемость ет= 3-7. Изготовление диэлек­ трических оснований меньшей толщины связано с технологи­ ческими трудностями. Кроме того, при уменьшении толщины таких диэлектриков, как ПТ и СТ, уменьшается механическая жесткость и прочность материала, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик. Диэлектрические матери­ алы пленочных схем имеют толщину 0 , 5 . . . 2,0 мм. Механи­ ческие свойства материалов, таких, как ситалл, поликор, сап­ фир, значительно лучше, чем свойства материалов типа ПТ или СТ, так же как и диэлектрические потери, которые в ма­ териалах для пленочных микросхем намного ниже, чем для печатных.

Пленочные микросхемы СВЧ и устройства приобрели основные характеристики современных микроминиатюрных устройств в результате развития интегральной технологии на базе новых материалов и технологических процессов. Они характеризуются некоторыми особенностями по сравнению с пленочными низкочастотными схемами (НЧ-схемами).

Пленочные НЧ схемы обычно содержат большое число элементов (резисторов, конденсаторов), соединенных пленоч­ ными проводниками. Они имеют достаточно высокую плот­ ность расположения элементов, ограниченную в основном не­ обходимостью соблюдения определенного теплового режима. Высокочастотные схемы (ВЧ-схемы) могут быть выполнены на распределенных или сосредоточенных элементах.

ВСВЧ-схемах на элементах с распределенными параме­ трами выполнение ряда функций (передача сигнала, ответвле­ ние, деление и пр.) осуществляется с использованием микрополосковых линий и узлов на их основе.

Внекоторых случаях, когда схемы на элементах с рас­ пределенными параметрами не могут удовлетворить требова­ ниям миниатюризации, можно перейти к созданию схем на сосредоточенных элементах. ВЧ-схемы на сосредоточенных элементах позволяют повысить плотность размещения, умень­ шить габаритные размеры и массу СВЧ-устройства.

Факторами, ограничивающими уменьшение размера СВЧ-схем на сосредоточенных элементах, являются выделя­ емая мощность и потери. В гибридно-пленочных микросхе­ мах СВЧ, содержащих навесные элементы, дополнительными факторами, снижающими плотность размещения элементов, являются паразитные связи, возникающие между навесными элементами, имеющими “третье измерение”, т.е. высоту. Ос­ лабление этих связей достигается за счет размещения навес­ ных элементов на определенном расстоянии друг от друга или их экранировкой.

На плате (подложке) могут располагаться элементы и компоненты, выполняющие одну функцию* например: деле­ ния, ответвления или фильтрации СВЧ-энергии. Такая схема является простой. К простым схемам относятся направлен­ ные ответвители, балансные кольца, делители, фильтры раз­ личного вида и др.

Если на плате размещены несколько простых схем или элементов, имеющих самостоятельное назначение, а в целом схема выполняет более сложную функцию, то такая схема является сложной. Примерами сложных схем служат усили­ тели, детекторы, формирователи фаз и др.

Микросборка СВЧ - это большое число плат (простых или сложных), объединенных в едином корпусе.

Микросборкой СВЧ является МЭИ СВЧ, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала, состоящее из элементов или компонентов, размещенных на од­ ной или нескольких подложках, разрабатываемое для конкрет­ ной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с целью улучшения показателей ее миниатюризации и рассматриваемое как еди­ ное целое с точки зрения требований к приемке, поставке и эксплуатации.

Полупроводниковая интегральная схема СВЧ (ИС СВЧ) представляет собой МЭИ СВЧ, которое изготовляется в полу­ проводниковом кристалле. Активные элементы формируются непосредственно в самом кристалле или в осажденном на кри­ сталле эпитаксиальном слое методами диффузии и окисления.

Пассивные элементы, контакты и соединения получают обыч­ но нанесением тонких пленок металлов и сплавов.

Полупроводниковые ИС СВЧ из-за сложности технологи­ ческого процесса изготовления, низкого процента выхода год­ ных схем, трудностей достижения оптимальных рабочих ха­ рактеристик для большого числа узлов РЭА СВЧ-диапазона имеют ограниченное применение.

Уровень их разработки и технологии изготовления не по­ зволяет реализовать в одном полупроводниковом кристалле МЭИ СВЧ на уровне микроблока или микроустройства СВЧ. Наиболее широко ведутся разработки таких полупроводнико­ вых ИС СВЧ, как микрополосковые усилители, малошумящие усилители, смесители, переключатели и др., которые мож­ но считать выполненными по функциональному содержанию и конструктивному оформлению на уровне функционального микроузла СВЧ.

Проводятся работы по созданию таких полупроводнико­ вых ИС СВЧ, как частотные синтезаторы, интегральные при­ емники, которые могут считаться выполняемыми по функци­ ональному назначению на уровне микроблока СВЧ, и более слЬжных полупроводниковых ИС СВЧ - антенных фазирован­ ных решеток, приемников и передатчиков, являющихся мик­ роустройствами СВЧ.

Основанием гибридно-монолитных схем является преци­ зионная плата (обычно это сапфир) уменьшенной толщины (0,15.. .0,25мм) с изготовленными на ней пленочными эле­ ментами (с шириной линий 0,025... 0,040 мм). На плату уста­ навливают полупроводниковые элементы (транзисторы, дио­ ды) в виде бескорпусных кристаллов. Плата имеет уменьшен­ ные размеры (от 4x3 до 8x12 мм), а ее коммутации с выво­ дами корпуса осуществляются через 50-омные отрезки микрополосковых линий, расположенных на другой промежуточной плате из поликора.

Таким образом, можно дать следующее определение гиб­ ридно-монолитным схемам (ГМС).

ГМС - это МЭИ СВЧ, основанием которого является ди­ электрическая плата уменьшенных габаритных размеров и

толщины, на поверхности которой сформированы прецизион­ ные пленочные элементы и установлены полупроводниковые активные элементы в виде кристалла.

Каждая из рассмотренных групп МЭИ СВЧ при дальней­ шем оформлении конструкции приобретает конструктивные особенности, приведенные на рис. 1.1.

И ер ар х и ч еск и е у р овн и М Э И С В Ч . По мере разви­ тия и совершенствования схемотехнических решений, услож­ нения конструкции и улучшения технологии изготовления МЭИ СВЧ продвигаются вверх по иерархической лестнице. Усложнение конструкции проходит по двум направлениям (рис. 1.2). Первое - путем агрегатирования (сборки) из од­ нотипных изделий, простых в конструктивном и функцио­ нальном отношении, изделий более сложной конструкции и выполняемой функции (см. рис. 1.2, а). Второе - путем раз­ мещения в одном корпусе отдельных микрополосковых плат, каждая из которых представляет собой функциональный мик­ роузел СВЧ, а изделие в целом становится способным вы­ полнять функции микроблока или микроустройства СВЧ (см. рис. 1.2, б).

Очевидно, что при сборке более сложных МЭИ СВЧ из корпусированных узлов (см. рис. 1.2, а) увеличиваются массогабаритные характеристики, количество СВЧ-соединителей и высокочастотных кабелей. Поэтому этот путь нельзя считать прогрессивным.

Другой путь (см. рис. 1.2, б), т.е. размещение в одном корпусе микрополосковых плат, имеющих различное функ­ циональное назначение, является более рациональным. Кон­ струкции таких МЭИ СВЧ состоят из нескольких плат и мо­ гут быть многоуровневыми. Для исключения взаимодействия электромагнитных полей микрополосковых плат или кристал­ лов устанавливают внутренние металлические экраны.

По конструктивным признакам МЭИ СВЧ классифициру­ ются в следующем иерархическом порядке: функциональный узел, блок и устройство СВЧ-диапазона.

Функциональный узел СВЧ - сборочная единица или де­ таль, выполняющая одну или несколько радиотехнических

Рис. 1.1. Конструктивные особенности МЭИ СВЧ

	B	E
1
■ e b 4	> С	3*
		S

А

Рис. 1.2. Конструктивные варианты функционального усложнения МЭИ СВЧ:

а - за счет сборки из простых корпусированных узлов; 6 - за счет

объединения плат в одном корпусе; в - модульный ряд однотипных функциональных узлов; г - модульный ряд с изменением иерар­ хического уровня; 1 - функциональный узел СВЧ; 2 - блок СВЧ; 3 - устройство СВЧ; 4 ~ узел СВЧ - модуль СВЧ; 5 - узел СВЧ модульного типа; 6 - блок СВЧ, обладающий признаками модуль­

ности; 7 - устройство СВЧ, обладающее признаками модульности

функций и предназначенная для работы в СВЧ-диапазоне или в составе модуля или блока СВЧ.

Блок СВЧ - изделие радиоэлектронной техники СВЧдиапазона, состоящее из одного или нескольких модулей СВЧ, функциональных узлов СВЧ и линий передачи СВЧ.

Устройство СВЧ - составная часть радиотехнической системы, выполняющая сложную радиотехническую функцию в СВЧ-диапазоне, состоящая из нескольких функциональных узлов и (или) блоков СВЧ, связанных между собой элементами линии передачи (микрополосковые платы, отрезки кабелей), размещенных в общем корпусе.

Вместе с приведенными выше понятиями различных МЭИ СВЧ, проанализированными в связи с их конструктивно­ технологическими особенностями и местом в иерархической структуре, существуют еще различные понятия, в которых присутствует термин “модуль” .

У н и ф и кац и я кон струкц и и М Э И С В Ч . По мере по­ явления большого разнообразия МЭИ СВЧ, совершенствова­ ния конструкторско-технологической отработки, организации их серийного производства появились предпосылки и необхо­ димость унификации элементов конструкции и конструкции МЭИ СВЧ в целом, а сами МЭИ СВЧ приобрели признаки модульности.

Поэтому рассмотрение терминов в области МЭИ СВЧ должно быть связано с оценкой степени конструктивной сход­ ности и однотипности изделий, выполненных в любом кон­ структивно-технологическом варианте и находящихся на оп­ ределенном иерархическом уровне.

Определим критерии модульности следующим образом. 1. Существование “первичной ячейки”, имеющей мини­

мальные геометрические размеры и минимальное количество конструктивных элементов, дающих возможность удовлетво­ рять требованиям, предъявленным к готовому МЭИ СВЧ; обычно такой ячейкой является функциональный узел СВЧ, а его минимально необходимыми конструктивными элемента­ ми - корпус, микрополосковая плата, СВЧ-соединители.

2.Наличие размерных рядов, по которым происходит уве­ личение габаритных размеров других МЭИ СВЧ.

3.Упорядочение в размещении СВЧ-соединителей и дру­ гих элементов.

Если функциональный микроузел СВЧ удовлетворяет этим требованиям, его можно считать модулем, а изделия более высокого иерархического уровня, например блоки и устройства СВЧ, построенные на этих принципах, - удовле­ творяющими требованиям модульности.

Дадим определение модуля СВЧ.

Модуль СВЧ - это МЭИ СВЧ на уровне функционального узла или блока, имеющее законченное конструктивное и схем­ ное выполнение, обладающее свойствами “первичной ячейки” , на основе которой создается ряд изделий; неремонтопригодное в условиях эксплуатации, взаимозаменяемое.

Возможны два направления развития принципа модуль­ ности (см. рис. 1.2, в, г). Первое, когда модулем является функциональны^ узел СВЧ и на его основе создается ряд аналогичных функциональных узлов СВЧ, например, друго­ го диапазона (см. рис. 1.2, в). И второе, когда в основе ряда лежит функциональный узел, а по мере его развития происхо­ дит его переход в более высокий иерархический уровень, т.е. превращение в блок или устройство (см. рис. 1.2, г).

МЭИ СВЧ, находящиеся в модульном ряду, имеющие габаритные размеры в соответствии с принятым размер­ ным рядом, содержащие упорядоченное размещение СВЧсоединителей, являются модульными.

Целесообразно в этом разделе дать определения другим элементам, входящим в МЭИ СВЧ, которые будут неодно­ кратно встречаться в тексте.

Подложка - основание, на поверхности или в объеме ко­ торой формируются элементы и межэлементные соединения интегральных микросхем.

Полосковая плата - часть подложки (или целая подлож­ ка) с нанесенными на ее поверхность и (или) сформированны­ ми в ее объеме проводящими и непроводящими слоями, реа­ лизующая схему с полосковыми линиями передачи.

Если в качестве подложки использован материал с боль­ шой относительной диэлектрической проницаемостью (£г > > 8 ... 10), а размеры элементов составляют несколько или десятки микрометров, то такая плата называется микрополосковой платой (МПП).

Полосковый элемент - конструктивно неделимая часть полоскового узла, являющаяся элементом с распределенными параметрами принципиальной электрической схемы полоско­ вого узла.

Элемент с сосредоточенными параметрами (сосредото­ ченный элемент) - элемент с размерами меньше 1/8 длины волны.

1.2. Линии передачи СВЧ

Н еси м м етр и ч н ая м икрополосковая ли н и я (Н М П Л ). Большинство реализуемых в настоящее время ин­ тегральных устройств СВЧ использует НМПЛ, так как ми­ кросхемы СВЧ на НМПЛ имеют малые габариты и массу, технологичны для массового производства, удобны для монта­ жа навесных элементов и корпусирования. Потери мощности в НМПЛ несколько больше, чем в полых металлических вол­ новодах, но микросхемы на НМПЛ могут реализовать более сложные функциональные решения, чем на полых металличе­ ских волноводах.

Рис. 1.3. Несимметричная микрополосковая линия: w и t - ширина и толщина про­ водника соответственно; h -

толщина подложки

Силовые линии электромагнитного поля в НМПЛ нахо­ дятся не полностью в однородной среде подложки (рис. 1.3), поэтому распространяющуюся волну вдоль микрополоски на­ зывают волной квази-Г-типа. Чтобы учесть поле вне подлож­ ки, дополнительно к относительной диэлектрической постоян­ ной ег вводится новый параметр - эффективная диэлектриче­ ская постоянная

	£эф —	ег + 1 I £г “ 1 r f w) £г ~ 1	t/h	(1.1)
			(и»/Л)-1 / 2 ’
		-+~ г ук)-~ХТ

где при w /h < 1

<!М1+14ГЧ^)'

а при w /h > 1

KïM^r

Здесь to и t - ширина и толщина микрополоски, мм; h - толщи­ на подложки, мм. Рассмотрим основные параметры микрополосковых линий - волновое сопротивление и потери мощности.

Представим выражения для расчета волнового сопроти­

вления с учетом конечной толщины микрополоски (< ф 0):

W

при — < 1

п

( 1.2)

W

при — > 1 h

где w' = w + Aw - эффективная ширина микрополоски, учи­ тывающ ая влияние ее толщины на волновое сопротивление;

w

при тТ-- > ---

h 2тг

(1.4)

Выражение для суммарных потерь мощности:

а —ttnp + а д + ^изл,