ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

80

Таблица 4.16 — Размеры магнитных тороидальных сердечников

4.9 Гибридные микросхемы СВЧ диапазона

4.9.1 Введение

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) охватывает область спектра электромагнитных колебаний в пределах от единиц до сотен гигагерц. Диапазон СВЧ разделяется на три поддиапазона:

–дециметровый (1–3), ГГц;

–сантиметровый (3–30), ГГц;

–миллиметровый (30–300), Гц.

Совокупность элементов, объединённых в общую цепь с электромагнитными связями, выполняющую заданную функцию по отношению к сигналу СВЧ, называют схемой СВЧ или функциональным узлом (ФУ) СВЧ. Типовыми ФУ СВЧ являются: генераторы, усилители, преобразователи частоты, коммутирующие устройства, фазосдвигающие устройства (фазовращатели) и т.п. Функциональные узлы, включая элементы с распределенными параметрами, объединяются операциями сборки и электромонтажа.

Интегральная микросхема (ИМС СВЧ) реализуется из не отделимых друг от друга элементов. В ней принципиально не-

81

возможна замена отдельных элементов в процессе обработки, проверки и эксплуатации. В СВЧ ИМС не применяется механическая подстройка и регулировка элементов. Если это необходимо, то для этих целей применяются электронные элементы состава микросхемы.

Подобно иным ИМС микросхемы СВЧ могут быть полупроводниковыми или гибридными. Полупроводниковые ИМС СВЧ из-за низкого процента выхода годных схем, технологических ограничений и больших потерь имеют ограниченное применение. Однако совместимость групповых технологических процессов производства конструкций активных и пассивных элементов даёт основание полагать, что в верхней части СВЧ диапазона (в миллиметровом диапазоне) полупроводниковые микросхемы получат более широкое распространение.

Сложность технологии производства приборов СВЧ не позволяет сразу перейти к высоким степеням интеграции на основе технологии пленочных или полупроводниковых микросхем. Практическое использование находят преимущественно гибридные микросхемы ограниченного функционального назначения с небольшим числом активных элементов.

В гибридных ИС СВЧ активные элементы включаются как компоненты, заранее изготовленные методами полупроводниковой технологии. В основном применяются планарные приборы, которые монтируются либо последовательно (в разрыв микрополоскового проводника), либо параллельно (между сигнальным проводником и металлизированной поверхностью подложки, выполняющей функцию обратного провода). Активные приборы располагаются как на поверхности подложки, так и в ее объеме (в углублениях или отверстиях). Распространение получили ГИМС в диапазоне частот от 1 до 15 ГГц, изготовляемые на диэлектрических или ферритовых подложках. Пассивные элементы изготавливаются осаждением тонких или толстых пленок. Активные приборы (в корпусном или бескорпусном исполнении) монтируются на подложке и электрически соединяются с пассивными элементами микросхемы.

Гибридные ИС СВЧ разделяются на два основных типа:

–с распределенными параметрами;

–с сосредоточенными параметрами.

82

К преимуществам гибридных ИС относится существенное уменьшение габаритов и массы, снижение стоимости и повышение надёжности по сравнению с волноводными и коаксиальными устройствами. Вопросы проектирования диапазона микросхем СВЧ рассматриваются в работах [10,12,13].

4.9.2 Элементы ГИМС СВЧ

Устройства СВЧ используются в аппаратуре радиолокации, связи, телеуправления и др., где они связаны с передачей мощности СВЧ на большие расстояния или приемом сигналов от удаленных источников. Габариты устройств СВЧ определяются размерами антенны, которые должны быть значительно больше длины волны, а также размерами источников питания. Оптимальным для приемо-передающих устройств является создание фазированных антенных решеток, состоящих из большого числа однотипных приемо-передающих модулей. Такие решетки позволяют суммировать в пространстве мощность большого числа источников, электрически изменять и сканировать диаграмму направленности антенны, осуществлять самонастраивающиеся схемы, передающие информацию в нужном направлении, и т.п.

Линейные размеры элементарного модуля ФУ СВЧ сравнимы с половиной длины волны. Это и определяет требования к размерам отдельных элементов СВЧ, составляющих микросхему. В общем случае один приемо-передающий модуль содержит передатчик, приемник, коммутирующее устройство, преобразователь напряжения и излучатель, к которым часто добавляют систему кодирования и обработки информации. Такой модуль содержит до 100 активных элементов в объеме порядка (0,5∙λ)3. При этом линейные размеры активных элементов составляют (0,01–0,1)λ. Если λ = 3 см, то линейный размер составляет от 0,3 до 3 мм, определяя степень миниатюризации компонентов размещаемых на плоскости подложки. Толщина модулей собираемых из плат может превышать половину длины волны.

Таким образом, анализ линейных размеров элементов СВЧ схем показывает практическую возможность интеграции на основе гибридных микросхем, использующих комбинацию компонен-

83

тов полупроводниковых приборов (активных элементов) и пленочных пассивных элементов.

Пассивные элементы ГИМС СВЧ (конденсаторы, индуктивности, резонаторы, элементы связи, нагрузки и т.п.) могут быть как с распределенными параметрами (в виде отрезков и комбинаций полосковых линий), так и с сосредоточенными параметрами. В сантиметровом диапазоне возможно использование элементов обоих типов и их комбинаций. Применение элементов с сосредоточенными параметрами наиболее целесообразно в длинноволновой части сантиметрового и дециметрового диапазонов, где размеры полосковых линий уже велики, а размеры элементов с сосредоточенными параметрами еще не слишком малы и их можно реализовать без больших затруднений.

В качестве активных элементов ГИМС СВЧ могут служить полупроводниковые приборы, выполняющие при низких уровнях мощности все основные радиотехнические функции. Эти приборы в бескорпусном исполнении малы (объем не превышает долей кубического миллиметра) и хорошо вписываются в гибридные микросхемы. В гибридных микросхемах СВЧ уже применяются усилители на транзисторах, лавинно-пролётных диодах и диодах Ганна, переключатели и фазовращатели на диодах p-i-n структур, с барьером Шоттки.

Средства коммутации и доставки сигналов цифровых устройств, функционирующих с фронтами переключения 5–50 пикосекунд, по частотному диапазону соответствуют диапазону СВЧ. Применение конструкций элементов (соединительные линии, нагрузки) СВЧ в цифровых устройствах является актуальным и на кристаллах полупроводниковых микросхем и в исполнении электромонтажа кристаллов в корпусах.

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);

84

–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

85

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

86

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.

4.9.4 Микрополосковые линии передачи ГИМС СВЧ

Микрополосковые линии (МПЛ) передачи применяются в основном в ГИМС СВЧ с распределенными параметрами, хотя, как отмечалось, в её состав могут входить элементы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Распространена конструкция несимметричной МПЛ, изображённая на рисунке 3.30, состоящая из сигнального проводника 2, размещённого на диэлектрической подложке 1, на противоположной поверхности которой нанесён проводящий слой 3, выполняющий функцию обратного провода.

Проектными параметрами МПЛ являются волновое сопротивление W [Ом] и затухание A [дб]. Сопротивление W [Ом] несимметричной МПЛ определяется по формуле

W = 377∙h /{(ε)1/2 ∙b∙ [ 1+ 1,73 ε – 0,072 ∙ (b/h)– 0,84]}. (4.65)

87

При проектировании ГИМС СВЧ следует учитывать, что рабочая частота МПЛ должна быть ниже критической частоты Fk [ГГц]:

где h — толщина подложки, мм. Для МПЛ, изображённой на рисунке 4.30, при волновом сопротивлении 50 Ом, подложке из алюмооксидной керамики (толщина подложки h = 0,63 мм, диэлектрическая проницаемость ε ≈ 10), ширине сигнального проводника b = 0,6 мм, критиче-

ская частота равна 39,3 ГГц. На рисунке 4.31 изобра-

жена зависимость волнового сопротивления несимметричной МПЛ от ее геометрических размеров и относительной диэлектрической проницаемости ε.

Затухание (Ас) сигнала в МПЛ складывается из составляющих

Ас = Апр + Ад + Аи,

где Апр — затухание, определяемое сопротивлением проводника линии, оценивается по графическим зависимостям, изображённым на рисунке 4.32;

Ад — затухание, обусловленное потерями в диэлектрике, определяется по выражению

Ад ≈ (27,3∙tgδ∙√ε)/λ, дБ/м,

88

Аи — затухание, обусловленное излучением из структуры линии, определяется по формуле

Аи ≈ (320/W)∙[π∙h/λ2]2, дБ/м.

Внесимметричной МПЛ часть электромагнитной энергии находится в пространстве над проводником (см. рис. 4.30). Этот воздушный зазор определяет плохо контролируемое рассеяние энергии на излучение.

Всимметричной МПЛ, изображённой на рисунке 4.33, которая определяется как МПЛ с «подвешенной подложкой» 2 в проводящем корпусе 3, основным является воздух, что позволяет получать повышенные значения волновых сопротивлений.

Так при толщине h = 0,6 подложки 2, ширине сигнального проводника 1 b = 60 мкм, и H = 3 мм волновое сопротивление равно 160 Ом. Эта конструкция применяется для МПЛ повышенной добротности. Волновое сопротивление симметричной МПЛ определяется по формуле

где К, K′ — табличные значения эллиптических интегралов первого и второго рода от модулей

k = sch (π∙b/2h); k′= th (π∙b/2h).

На рисунке 4.34 изображены компланарная (см рис. 4.34, а) и щелевая (см рис. 4.34, б) МПЛ.

89

В МПЛ несимметричных и с «подвешенной подложкой» распространяются поперечные волны ТЕМ типа. В компланарных и щелевых МПЛ присутствует повышенная продольная составляющая магнитного поля, что позволяет конструировать гиромагнитные элементы, например вентили. В щелевой МПЛ повышение волнового сопротивления достигается расширением

землены, а в линии распространяется «чистая» электромагнитная волна ТЕМ. Для исключения

влияния и обеспечения необходимой симметрии сигнального проводника воздушные зазоры между диэлектрическими пластинами не должны превышать 1–2 % от расстояния между заметаллизированными поверхностями.

На рисунке 4.36 изображены для сравнения частотные зависимости потерь несимметричной МПЛ на алюмооксидной подложке толщиной 0,65 мм и симметричной МПЛ с двойным диэлектриком суммарной толщины 2 мм (см. рис. 4.36) при равных значениях волнового сопротивления W = 50 Ом.

На частотах до 10 ГГц оба типа линий имеют примерно одинаковые потери (выраженные в децибелах и отнесенные к длине волны), но в диапазоне частот 10–18 ГГц потери в несимметричной МПЛ (линия 2) существенно возрастают.

На рисунке 4.37 изображены зависимости добротности полуволновых резонаторов на МПЛ без нагрузки в зависимости от частоты. График 1 соответствует МПЛ с двойной диэлектрической пластиной из окиси алюминия, а график 2 соответствует несимметричной МПЛ на подложке из того же материала. Согласно приведенным материалам, добротность несимметричной МПЛ