Подложки и проводники мпл

Подложки СВЧ ГИС и МСБ является не только механическим основанием для размещения пленочных и навесных элементов, но и элементом линии передачи, поэтому от свойств материала и геометрических размеров подложки зависят параметры СВЧ ГИС и МСБ.

К подложкам СВЧ ГИС и МСБ предъявляются более жесткие требования, чем к подложкам низкочастотных ГИС и МСБ; высокая диэлектрическая проницаемость ε; производительность величины ε в одной подложке и партии подложек в пределах 1%; стабильность величины ε в интервале температур от -60 до +150ºС и в диапазоне частот от 10⁸ до 10¹⁰ Гц; малые диэлектрические потери (tgδ<10⁴); возможность механической обработки (сверления, резки, шлифовки или полировки); высокий класс обработки поверхности; минимальная пористость (менее 1%); хорошая теплопроводность, механическая прочность, стойкость к воздействию химических веществ.

Для подложек СВЧ ГИС и МСБ применяются ситаллы, керамика и ферриты.

Ситаллы имеют хорошие электрофизические свойства, но являются хрупкими. Диэлектрические потери в них определяются составом и структурой кристаллической фазы, а также наличием стекловидной фазы.

При выборе подложек из керамики необходимо учитывать требования, предъявленные к СВЧ ИМС. Самую высокую теплопроводность имеет бериллиевая керамика на основе окиси бериллия (BeO 97%) – брокерит. Он имеет хорошие электрофизические свойства, но трудно обрабатывается. Кроме того, пыль, возникающая при механической обработке брокерита, является токсичной, что приводит к большим затратам на создание средств техники безопасности. Брокерит применяется для мощных СВЧ ГИС и МСБ.

По сравнению с бериллиевой керамикой, керамика на основе окиси алюминия имеет лучшие диэлектрические свойства. Так поликор (керамика с содержанием Al₂O₃ 99,7%) характеризуется минимальной пористостью (менее 0,5%), а также повышенной химической и термической стойкостью, хорошо обрабатывается. Сапфир представляет собой монокристаллическую окись алюминия с содержанием Al₂O₃ примерно 99,6%. Он бывает природным и искусственным. Диэлектрические свойства искусственного сапфира зависят от направления измерения: перпендикулярного или параллельно оси кристалла. Сапфир и сапфирит (на его основе) очень хорошо обрабатывается и применяются в тех случаях, когда необходимо высокое разрешение и наибольшая однородность электрических свойств.

Ферритовые подложки получают искусственным путем спекания окиси редких и редкоземельных металлов и окислов железа. Наибольшее применение в технике СВЧ нашли ферриты со структурой шпинели и граната.

Подложки СВЧ схем могут быть простыми (состоящими из одного материала) или комбинированными, имеющими «вставки» из другого материала, например, феррита. Комбинированные подложки применяют для создания СВЧ схем, содержащих мощные активные компоненты, которые размещают на вставках материала с высокой теплопроводностью (например, брокерита).

Основные параметры подложек – диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и коэффициент теплопроводности – определяют предельные размеры параметры и рассеиваемую мощность СВЧ схем.

Наиболее важными параметром подложек является относительная диэлектрическая проницаемость ε, которая определяет длину волны линии передачи и, следовательно, линейные размеры микросхемы. Для повышения степени интеграции и уменьшения потерь желательно применять подложки с высоким значением ε. Однако при этом легко возбуждается поверхностные паразитные волны, что побуждает выбирать материалы подложки с малым значением ε [2].

В последнее время широко применяются подложки из фторопласта. Они имеют самые низкие потери по сравнению с другими подложками, но малую величину ε (≈ 2).

Потери и добротность линии передач связаны с затуханием в линии. Затухание происходит за счет излучения, а также потерь в диэлектрике и проводниках. Мерой диэлектрических потерь является tgδ. Получение подложек с низкими потерями связано с проблемой обеспечения высокой частоты материала. В СВЧ ГИС, выполненных на подложках с ε = 10 и tgδ < 10^-5, затуханием за счет излучения и диэлектрическими потерями можно пренебречь. Преобладающими являются потери в проводниках, обусловленные в основном скин-эффектом: на СВЧ ток концентрируется в слое, толщина которого равна толщине скин-слоя δ_с (на глубине скин-слоя плотность тока в 2,7 раза меньше, чем на поверхности проводника).

Толщина скин-слоя определяется по формуле:

δ_с =1/,

где μ – абсолютная магнитная проницаемость проводящего слоя, σ – проводимость Ом^-1см^-1.

С ростом частоты толщины скин-слоя падает (рис.3).

Рис. 3. Зависимость толщины скин-слоя от частоты для проводников из золота (кривая 1) и меди (кривая 2).

По ширине проводника плотность тока также неодинакова [3]. На краях проводника она более чем в три раза превышает плотность тока в средней его части.

Возможность уменьшения конструктивных размеров СВЧ устройств ограничена рядом принципиальных трудностей, обусловленных требованиями к электрическим характеристикам линии передачи. Так, для обеспечения малых потерь в МПЛ необходимо, чтобы толщина проводника была по крайней мере в три раза больше толщины скин-слоя.

Между шириной МПЛ W и толщиной подлодки h существует тесная связь, определяемая, в частности, заданной величиной волнового сопротивления Z. Поэтому чаще всего рабочие характеристики МПЛ определяются через отношение W/h/

Хотя строго теории МПЛ нет, наиболее часто Z определяют по формуле:

Z=

Где W_ε- эффективная сторона МПЛ.

На рис. 4 и 5 приведены зависимости волнового сопротивления микрополосковой и щелевой линии от их геометрических размеров.

Рис. 4. Зависимость волнового сопротивления МПЛ 2 от ширины проводника W.

Наиболее противоречивыми оказываются факторы, определяющие выбор толщины подложки. Чем подложка тоньше, тем меньше потери на излучение и вероятность возбуждения паразитных поверхностных волн. Однако уменьшение толщины подложки h для сохранения заданного волнового сопротивления Z должно сопровождаться уменьшением ширины проводников W, что в свою очередь приводит к увеличению потерь и снижению добротности, так как растет индуктивность проводников. Кроме того, при малых W и h требуемые технологические допуски для обеспечения удовлетворительных электрических характеристик трудно реализуемы.

Таким образом, исходя из изложенных фактов, а также для обеспечения заданной механической прочности при определении толщины подложки необходимо идти на компромисс. Существует ряд толщин подложек: h=0,25; 0,5; 1 мм.

Рис. 5. Сравнительная оценка волновых сопротивлений микрополосковой и щелевой линий для ε = 16; микрополосковая (1) и щелевая (2) линии при ƒ = 1,7 ГГц; щелевая линия (3) при ƒ = 5,4 ГГц.

Немаловажное значение имеет шероховатость подложки, которая влияет на величину потерь, точность геометрических размеров элементов, адгезию пленок к подложке. Чем больше шероховатость, тем лучше адгезия пленок к подложке, но выше потери и хуже точность геометрических размеров элемента. Ниже приведены некоторые наиболее употребительные для подложек СВЧ микросхем классы частоты поверхности v и существующие им значения средне арифметического отклонения профиля R_а:

v	10	11	12	13	14
Ra,мкм	0,16	0,08	0,04	0,02	0,01

Проводники МПЛ СВЧ ГИС и МСБ, изготовленные по тонкопленочной технологии, обычно состоят из нескольких слоев. Нижний тонкий адгезионный слой (подслой) напыляют из материалов, имеющих толщину 0,01-0,03 мкм. Сопротивление этого слоя влияет на потери и добротность МПЛ. Основной (проводящий) слой выполняют из материалов с хорошей проводимостью – меди или алюминия. Учитывая большую толщину основного слоя, применение для этих целей золота экономически невыгодно. Чаще всего используют медь. Медный слой получают термическим напылением тонкого (около 1мкм) с последующим гальваническим (электролитическим) наращиванием толстого (до 10 – 20 мкм.) слоя. Для предотвращения окисления меди после вакуумного напыления на нее непосредственно в вакууме напыляют защитный слой хрома, который затем стравливается перед гальваническим наращиванием. Поверх меди напыляют защитный (антикоррозионный) слой, который должен обеспечить также возможность присоединения выводов навесных компонентов или СВЧ разъемов. Для пайки верхний слой облуживается. При использовании сварки материалом верхнего слоя может быть серебро, золото, никель, алюминий. Золото для защитного слоя обычно напыляется с подслоем никеля для предотвращения диффузии золота в медь как при монтаже компонентов, так и в процессе эксплуатации.

В зависимости от частотного диапазона и материалов толщина проводников МПЛ составляет 4 – 20 мкм.