книги из ГПНТБ / Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств

0Т

дусмотреть один из способов подстройки индуктивности.

Настройка экспериментальных образцов ФНЧ производилась в

соответствии с предлагаемой здесь методикой. Методика настройки ФНЧ, основанная на анализе коэффициентов влияния в уравнении погрешностей; оказалась достаточно эффективной. Она позволяет уменьшить время и снизить трудоемкость настройки фильтров в процессе изготовления.

I2I

Глава пятая. КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГИБРИДНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МИНИАТЮРНЫХ

РАДИОУСТРОЙСТВ

1. ОСОБЕННОСТИ ТОПОЛОГИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСХЕМ

В микросхемах усилителей дециметрового диапазона частот

вместо структур с распределенными параметрами на несим­

метричных полосковых линиях целесообразно применение пассив­ ных элементов с сосредоточенными параметрами: пленочных рези­ сторов, конденсаторов и катушек индуктивности, распределенны­ ми реактивностями которых можно пренебречь | 5 .і ] . При этом размеры микросхем получают значительно меньшие, чем в случае применения несимметричных полосковых линий.

Использование фотолитографических методов обработки позво­ ляет изготавливать сосредоточенные элементы весьма малых раз­ меров. Распределенными паразитными параметрами в таких элемен­ тах можно пренебречь, если их размеры не превышают І/ІОО дли­ ны волны на рабочей частоте. В настоящее время технология гиб­ ридных пленочных микросхем применяется для изготовления радио­ устройств до частот 15 ГГц. Верхняя граничная чаотота опреде­ ляется лишь тем, насколько малыми можно изготовить элементы микросхемы. Однако по мере увеличения частоты различие в раз­ мерах микросхем на сосредоточенных элементах и схем на основе несимметричных полосковых линиях уменьшается.

На таких высоких частотах конденсаторы и катушки индуктив­ ности имеют малые значения емкости и индуктивности, которые легко реализуются при полном удовлетворении требований к раз­

122

мерам, обусловленным рабочей длиной волны.

Однако малые размеры микросхем, построенных на пассивных элементах о сосредоточенными параметрами, порождают весьма серьезные проблемы. Во-первых, резко возрастают трудности со­ гласованного соединения их с внешними схемами и сильно ослож­ няется измерение их параметров. Во-вторых, затрудняется полу­ чение острых резонансных кривых колебательных контуров, так как добротность пленочных катушек имеет значения около 100, а

пленочных конденсаторов менее 100. Добротность высокочастотных дросселей и блокировочных конденсаторов существенной роли не играет. Более важной является величина их импеданоа на рабочей частоте.

В связи с этим представляется целесообразным, особенно в дециметровом и сантиметровом диапазонах, использовать вместо переходных конденсаторов последовательные контуры, образуемые емкостью переходного конденсатора и индуктивностью его выво­ дов. Кроме снижения импеданса, такая цепочка обеспечивает и дополнительную фильтрацию передаваемого сигнала.

Принципиальную схему функционального узла следует разрабо­ тать так, чтобы узел устойчиво работал и при больших допусках на параметры элементов микросхемы. После расчёта схемы её обыч­ но проверяют отработкой на макете. Для максимального приближе­ ния к реальным условиям стремятся изготовлять макет гибридной пленочной микросхемы. Методы макетирования во многом определя­ ются предполагаемой рабочей частотой схемы. На частотах до

1,5 ГГц реактивности проволочных выводов можно учесть достато­ чно точно и оценку параметров схемы можно производить на маке­

123

те, в котором пленочные элементы изготавливаются отдельно и затем соединяются в данную схему с активными элементами на общей подложке с помощью проволочных выводов. Такой макет до­ статочно точно воспроизводит условия работы гибридной микро­ схемы в отношении взаимных связей реактивностей и теплового режима.

После уточнения параметров схемы на макете, проводится корректировка значения пассивных элементов с учётом всех дей­ ствующих паразитных реактивностей, после чего составляется окончательный топологический чертеж микросхемы.

В микросхемах, предназначенных для работы на частотах вы­ ше 1,5 ГГц, настройка макета схемы существенно усложняется из-за сильного влияния паразитных параметров соединительных проводников. Поэтому даже собранный и построенный "мозаичный"

макет микросхемы из отдельных элементов будет существенно от­ личаться топологией от окончательного варианта микросхемы. В

этом случае приходится прибегать к изготовлению макета в ви­ де пленочной микросхемы, пассивные элементы которой имеют уве­ личенные диапазоны настройки. Налаживание макета схемы осуще­ ствляется при этом путем параллельного или последовательного соединения нанесенных на подложку конденсаторов, а изменения индуктивности катушек получают путем отключения или закорачи­ вания отдельных их секций или витков. Окончательная топологи­ ческая структура пленочной ВЧ микросхемы получается в резуль­ тате корректировки топологии макета.

На СВЧ, начиная с середины дециметрового диапазона, начи­ нают сказываться распределенные емкости пленочных элементов

124

и пленочных коммутационных проводников на металлические поверх­

ности корпуса [5 .2 ]. В тех случаях, когда не представляется воз­ можным изготовление пленочных элементов очень малых размеров,

начинают проявляться их распределенные параметры, В этом случае любой элемент схемы (резистор, конденсатор, катушка индуктивно­ сти, коммутационный.проводник) может быть прѳдотавлен в виде эквивалентной линии передачи (рис.5.1) с входным сопротивлением

Z- импеданс нагрузки;

постоянная распространения;

£- длина линии.

с'- погонная емкость.

Приведенное выражение для определения входного сопротив­

ления Z.ßx приходится использовать при составлении схем заме­

щения различных типов элементов с учётом их реактивностей.

Так, например, по схеме замещения пленочного резистора, за­

земленного на конце, получаем выражение для определения его сопротивления

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-