Лабораторная работа № 6

Изучение технологии изготовления СВЧ-узлов

Цель работы: изучение конструкций и технологий изготовления СВЧ гибридных интегральных микросхем и микросборок (СВЧ ГИС и МСБ).

Продолжительность работы – 4 ч

Теоретические сведения

Конструкции СВЧ ГИС и МСБ

СВЧ ГИС – микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию передачи или преобразования СВЧ сигнала.(1)

СВЧ МСБ – микроэлектронное изделие, имеющее самостоятельное функциональное назначение. СВЧ МСБ разрабатываются специально для конкретной аппаратуры, имеют большую по сравнению с СВЧ ГИС функциональную сложность и являются в отличие от них изделиями частного применения.

Основной частью СВЧ ГИС и МСБ является микрополосковая платa - диэлектрическая подложка с нанесёнными на её рабочую поверхность плёночными элементами, реализующими элементы электрической схемы с сосредоточенными и распределёнными параметрами (рис.1)

Рис. 1. Поперечный разрез микрополосковой платы фрагмента СВЧ ГИС: 1 – адгезионный слой; 2 – нижняя обкладка; 3 – диэлектрик; 4 – верхняя обкладка; 5 – проводник;

6 – гальванический наращенный слой; 7 – антикоррозионный слой; 8 – резистивный слой;

9 – подложка.

На рабочей поверхности подложки располагают навесные активные и пассивные компоненты, а обратная сторона подложки может быть полностью или частично металлизирована и служить экраном.

Линии передачи

В СВЧ схемах сигнал распространяется посредством линии передачи, которая образуется в толще подложки между плёночными проводниками заданной конфигурации и экраном.

В отличие от обычных плёночных проводников линии передачи не только соединяют элементы между собой, но и выполняют определённые функции, например, являются делителями мощности, ответвителями, фильтрами и т. д. Они должны обеспечить задание величины параметров: волнового сопротивления, мощности и длины волны, а также минимальные потери. Типы линий передач показаны на рис.2.

Рис. 2. Типы линий передачи: а – симметричная; б – несимметричная;

в – микрополосковая; г – высокодобротная; д – щелевая; е – копланарная;

1 – полосковый проводник; 2 – подложка; 3 – металлизированная плоскость (экран).

Симметричные линии (рис.2,а) позволяют передавать большие мощности, имеют малые потери на излучение. Однако при их изготовлении требуется высокая точность сборки, затруднен монтаж навесных компонентов. Симметричную конструкцию обычно применяют при разработке схем, содержащих только пассивные элементы.

В несимметричных линиях (рис.2,б) потери на излучение больше, чем в симметричной, труднее получить большое волновое сопротивление, однако она проще в монтаже навесных компонентов, изготовлении, сборке и настройке.

Наибольшее распространение получила микрополосковая линия (МПЛ) (рис.2,в), представляющая собой несимметричную экранированную полосковую линию у которой подложка имеет малую толщину(h < 1мм.) и большую диэлектрическую проницаемость(ε > 10). В МПЛ электромагнитное поле концентрируется в области между проводником и экраном, в связи с чем потери на излучение и паразитные связи очень малы. МПЛ имеет следующие важные достоинства: малые габариты и массу, низкую стоимость при серийном производстве; высокую надежность; простоту конструкции. Недостатком являются сравнительно большие потери.

Высокодобротная полосковая линия (рис 2,г). В связи с тем, что рабочим диэлектриком является воздушное пространство между проводником и основаниями данная линия имеет преимущество; малые потери и соответственно высокую добротность (до 2000); слабое влияние изменения диэлектрической проницаемости подложки на электрические характеристики линии; возможность получения высокого волнового сопротивления. Указанные свойства наиболее существенны при проектировании высоко добротных фильтров. Недостатки высокодобротной полосковой линии - необходимость двусторонней печати на подложке, что вызывает трудности при конструировании и изготовлении, низкая степень интеграции, необходимость крепления подложки.

Линия с подвешенной подложкой является модификацией высокодобротной полосковой линии, у которой отсутствует проводник с нижней стороны подложки, благодаря чему упрощается ее изготовление. Эти линии используют в СВЧ схемах, где наиболее важны высокая добротность и малые размеры разброс параметров.

В перечисленных линиях распространяющаяся волна близка к типу ТЕМ. Волна типа ТЕМ отличается характерными особенностью – в ней электромагнитное поле не имеет продольной составляющей, силовые линии электрического и магнитного полей лежат полностью в плоскости поперечного сечения.

Щелевая линия (рис. 2,д) представляет собой узкую щель в сплошном проводящем слое, нанесенном на подложку. Распространяющаяся в ней электромагнитная волна имеет продольную и поперечную составляющую, что позволяет присоединять параллельно линии внешние сосредоточенные компоненты (диоды, резисторы, конденсаторы). В щелевой линии существует область с эллиптической поляризацией магнитного поля, поэтому ее можно использовать для построения невзаимных (не влияющих друг на друга) ферритовых устройств (вентилей, фазовращателей). В отличие от несимметричной линии, параметры которой в первом приближении не зависят от частоты, параметры щелевой линии(волновое сопротивление и сдвиг фаз)частотно не зависимы. С ростом частоты волновое сопротивление щелевой линии падает.

При использовании одинаковых подложек на щелевой линии можно получить более высокое волновое сопротивление, чем на микрополосковой линии.

Копланарная линия (рис. 2,е) состоит из центрального проводника и двух параллельных ему заземленных, расположенных в той же плоскости по обе стороны от центрального проводника, в щели между которыми распространяется электромагнитная волна. Она также содержит продольную и поперечную составляющие, что позволяет использовать копланарную линию для создания резонансных вентилей, дифференциальных фазовращателей и других невзаимных ферритовых устройств. Важным преимуществом таких линий является практическая независимость волнового сопротивления от толщины подложки.