ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
отличаются высокой плотностью и однородностью, их сдельное сопротивление с
точностью до погрешности измерения равно сдельному сопротивлению массивного
образца меди. Поэтому потери в СВЧ диапазоне будут минимальными, а
травление слоев равномерным. К общим недостаткам последних маршрутов
изготовления СВЧ микросхем с распределенными параметрами можно отнести
следующее:
. необходимость повышать скорость удаления продуктов реакции,
уменьшать клин подтравливания и увеличивать вязкость травителя для
исключения проникновения последнею в поры фоторезиста и на границе
раздела фоторезистивная пленка — приводящая пленка,
. ограничение, накладываемое на минимальный размер зазора между
проводниками, связанное с наличием клина подтравливания и
необходимостью изготовления фотошаблонов с его учетом;
. при нанесении защитного антикоррозийного покрытия до проведения
процессов фотолитографии торцы проводящих элементов оказываются
незащищенными, что может привести к изменению параметров микросхемы
при длительной работе без герметизации, когда основной рабочий слой
подвержен интенсивной коррозии; нанесение же защитного покрытия
после формирования рисунка элементов микросхемы химическими
методами требует дополнительной активации поверхности, а
гальваническим осаждением специального контактирования между
элементами.
Таким образом, рассмотренные технологические методы формирования
микрополосковых схем позволяют создавать проводящие элементы,
обеспечивающие различные выходные параметры микросхем. Для получения
микросхем с малым зазором между проводниками целесообразно использовать
первые два маршрута с учетом их особенностей. При формировании схем с
высокой добротностью и воспроизводимостью геометрических размеров при
зазоре между элементами не менее 40 мкм рекомендуется метод полного
травления толстых пленок, полученных термическим испарением в вакууме,
который не имеет аналогов и в этом случае является наиболее оптимальным.
Плотные осадки можно также получить и гальваническим осаждением, если
создать особенно чистые условия получения пленок, применяя реверсирование,
импульсные или переменные токи в процессе осаждения, а также резко
увеличивая скорость осаждения слоев.
Микрополосковые схемы, содержащие сосредоточенные элементы.
Микросхемы СВЧ диапазона, содержащие сосредоточенные элементы, по
своей структуре и конструкции напоминают низкочастотные микросхемы общего
назначения. Они отличаются от последних повышенной толщиной рабочих слоев и
малыми номинальными значениями элементов. Расчет пассивных сосредоточенных
элементов аналогичен расчету пленочных R- и С- элементов с учетом
повышенной мощности и добротности. Микросхемы с такими элементами
предназначены для работы в более низкочастотной области СВЧ диапазона
Изготавливают указанные микросхемы по танталовой технологии, усиливая
проводники гальваническим наращиванием или термическим испарением в вакууме
в сочетании с фотолитографией и химическим никелированием, и золочением
(рис. 2 4). В первом случае всю поверхность подложки покрывают тонким слоем
пятиокиси тантала. При этом образуется очень твердая и гладкая пленка,
устойчивая к воздействию реактивных сред используемых в технологическом
процессе при последующем формировании рабочих элементов (резисторов,
полосковых линий, конденсаторов и др. ). Затем на всю поверхность подложки
наносят слой нитрида тантала, служащий основой для создания резистивных
элементов, а также для формирования диэлектрика конденсаторной структуры.
Конфигурация резистивных и емкостных элементов задается методом
фотолитографии. Величину сопротивления резисторов можно доводить до
заданного номинала с высокой точностью, изменяя толщину слоя нитрида
тантала в результате формирования на его поверхности пятиокиси тантала
способом электрохимического анодирования.
[pic]
Пленочные проводники получают термическим испарением в вакууме тонкого
слоя золота с адгезионным подслоем хрома при последующем наращивании
гальванической меди, защищаемой золотым покрытием. Общая толщина проводника
такой многослойной структуры составляет не менее 10 мкм.
Для создания надежной конденсаторной структуры с малым значением
удельной емкости применяют двухслойный диэлектрик. Первый слой пятиокиси
тантала формируют анодированием пленки тантала или нитрида тантала. Толщина
полученной пленки Та2О5 относительно мала, а удельная емкость ее слишком
велика для создания конденсаторов с малыми номинальными значениями. Нанося
на основной слой пятиокиси тантала с большим значением диэлектрической
постоянной ( ( ~ 22) пленку окиси кремния с малым значением диэлектрической
постоянной (( ( 6), легко получить малые удельные емкости в двухслойной
структуре. Наличие двух слоев различных диэлектриков в конденсаторной
структуре повышает надежность пленочных емкостных элементов. Верхний
электрод — золото с подслоем хрома 4 — получен термическим испарением в
вакууме. Нижним электродом является слой нитрида тантала 3, сопротивление
которого достаточно велико.
Рассмотренный вариант комплексной технологии изготовления пассивной части
ГИС СВЧ диапазона очень сложен и трудоемок, а совместимость различных
технологических методик приводит к серьезным ограничениям рабочих
характеристик микросхемы в целом. Все это сдерживает внедрение ГИС СВЧ
диапазона, содержащих сосредоточенные R- и С- элементы в массовое
производство.
В настоящее время наиболее широкое распространение в производстве ГИС
общего применения получил вакуумный метод нанесения тонких пленок с
использованием избирательного химического травления как наиболее простой,
менее трудоемкий и пригодный для массового производства. Достигнутые успехи
в области создания пассивных R-,C- и L-элементов, а также в получении
бездефектных пленок меди толщиной более 5 мкм термическим испарением в
вакууме способствовали созданию комплексной технологии изготовления ГИС СВЧ
диапазона (см. рис. 2.4). Применение вакумно-термических методов для
получения СВЧ микросхем позволяет по производственным признакам поставить
их в общий ряд гибридных интегральных микросхем. В качестве резистивных
элементов в этом случае используют пленки хрома, нихрома и
металлосилицидных сплавов, диэлектриком конденсаторной структуры служит
боросиликатное стекло. Проводники создают также термическим испарением в
вакууме толстых пленок меди с адгезионным подслоем при последующей защите
их химическим или гальваническим способом.
Конструктивные основы пленочных СВЧ микросхем.
Микрополосковые схемы СВЧ диапазона, построенные на элементах с
распределенными параметрами, представляют наиболее обширный класс
микросхем, предназначенных для работы в коротковолновой части СВЧ диапазона
(3 ... 30 ГГц). Пассивные СВЧ элементы с распределенными параметрами
выполняют в виде разветвленных отрезков микрополосковой линии заданной
конфигурации, которая образуется между нижней металлизированной
поверхностью и проводником, нанесенным на верхнюю поверхность платы.
Поэтому конструкция прибора и его рабочие характеристики в значительной
степени зависят от основных параметров исходного материала подложки и
технологического маршрута изготовления микросхемы. При этом важно, чтобы
потери в микрополосковой линии передачи на фиксированной частоте были
минимальны, а конструкция обеспечивала надежность микросборки после монтажа
навесных элементов и сборки узла или ячейки в целом.
Потери в микрополосковой линии передачи зависят от удельного
сопротивления металлической пленки — проводника, его конструкции и
характеристического сопротивления микрополосковой линии, величина которого
является функцией толщины и диэлектрической постоянной подложки. Для
уменьшения потерь в микрополосковой линии удельное сопротивление
металлического покрытия должно быть минимально возможным. Уменьшают
удельное сопротивление проводящего покрытия, выбирая исходный материал с
высокой проводимостью и обеспечивая высокую идентичность свойств пленочного
и массивного образцов.
С другой стороны, уменьшить потери можно и конструктивным решением
функционального узла. Известно, что потери уменьшаются при увеличении
ширины микрополосковой линии. Это можно учесть при конструировании
микрополосковых схем и снизить потери, увеличивая толщину подложки, чтобы
обеспечить постоянство характеристического сопротивления. Кроме того,
конструкцию элементов можно изменить, если выбрать материал подложки со
свойствами, оптимальными для данной группы микросхем. С этой точки зрения
при конструировании СВЧ микросхем к подложкам предъявляются дополнительные
требования, связанные со спецификой работы СВЧ устройств. Наряду с общими
требованиями к классу чистоты обработки поверхности и механическим
свойствам подложек, обеспечивающим возможность их химической и механической
обработки, а также работу устройства в заданном интервале температур,
должны выполняться следующие требования:
. диэлектрическая проницаемость исходного материала должны быть ( > 8
для уменьшения геометрических размеров элементов линий передач,
работающих в нижней части диапазона СВЧ;
. диэлектрические потери в подложке должны быть минимальными и иметь
высокую воспроизводимость не только от партии к партии, но и в
каждой точке подложки для уменьшения потерь в линии передачи;
. подложки должны обладать высокой теплопроводностью, а коэффициенты
линейного расширения материалов подложек, корпусов и
вспомогательных материалов должны быть согласованы для обеспечения
работы микросхем при повышенных уровнях мощности.
Конструирование СВЧ микросхем включает расчет и проектирование изделия
по заданным электрическим параметрам с учетом процессов сборки и
регулировки. При этом определяют вариант схемы узла, материал и
геометрические размеры подложки, исходные материалы и последовательность их
нанесения для получения проводящих, резистивных и емкостных элементов, а
также их геометрические размеры и взаимное расположение.
Исходными данными для расчета геометрических размеров полосковой линии
передачи являются характеристическое сопротивление и добротность, которые
зависят от параметров материала обложки и металлического покрытия.
Исходя из требований к добротности, рассчитывают геометрические
размеры микрополосковой линии передач и выбирают исходные материалы и
технологический маршрут изготовления микросхемы. Погрешность параметров
микрополосковой линии передачи определяют с учетом как погрешности исходных
формул для расчета, так и технологических допусков и невоспроизводимость
толщины и диэлектрической проницаемости подложки. Поскольку толщину
микрополосковой линии передачи выбирают не менее 1 скинслоев,
невоспроизводимостью по толщине проводника, как правило, пренебрегают.
Исходными данными для расчета геометрических размеров резистивных
элементов являются номинальное значение их сопротивления R и рабочая
мощность рассеяния Р. Резистивный материал выбирают с учетом удельного
сопротивления единицы поверхности пленки ро, ее толщины 1, допустимой
удельной мощности рассеяния Ро. Необходимое удельное сопротивление должно
обеспечиваться при толщине пленки не менее 0,05 мкм, в противном случае
надежность резисторов при повышенных электрических и тепловых нагрузках не
гарантируется. Следует учитывать также, что допустимая удельная мощность
рассеяния для конкретного резистивного материала определенной толщины
зависит от теплопроводности материала подложки и класса чистоты обработки
се поверхности. Поэтому при конструировании микросхем, работающих при
повышенной мощности рассеяния, допустимую мощность целесообразно
рассчитывать по температуре локального перегрева в зоне резистора, которая
не должна превышать 100 С.
Перекрытие резистивной пленки и проводящего элемента в зоне их
контактирования (рис. 2.5) должно обеспечивать надежный контакт независимо
от способов формирования элементов и придания им заданной конфигурации.
Геометрические размеры резистивных элементов СВЧ микросхем
рассчитывают по формулам, применяемым для расчета низкочастотных
резисторов:
[pic]
где S, 1, b—площадь, длина и ширина резистора; N—число квадратов; Р0 и
R( — удельные мощность рассеяния и сопротивление.
При вычерчивании топологии резистивного слоя к расчетной длине
резистивной полоски прибавляют не менее 100... 200 мкм с каждой стороны на
перекрытие с проводником.
Конденсаторы СВЧ микросхем могут быть выполнены как в виде трехслойной
пленочной структуры, содержащей обкладки и диэлектрический слой, так и в
виде планарной конструкции, формируемой в едином технологическом цикле с
другими проводящими элементами (микрополосковая линия передачи, индуктивная
катушка и др.). Планарные конденсаторы имеют малые значения емкости (не
более 2 пФ), а пленочные— емкости больших номиналов. Погонная емкость
планарных конденсаторов зависит от ширины зазора, толщины пленок и
диэлектрической постоянной материала подложки или наполнителя. Если
использовать наполнители с большим значением диэлектрической постоянной, то
можно увеличить ее погонную емкость между электродами на порядок.
[pic]
Пленочные конденсаторы рассчитывают исходя из требуемого номинального
значения емкости с учетом удельной емкости структуры. Площадь перекрытия
обкладок определяют по формуле Sc = С/Со, где С — номинальное значение
емкости, а Со — удельное. Затем вносят технологическую поправку на под-пыл
и выводы для контактирования. Для повышения надежности конденсаторов длина
линии пересечения нижней и верхней обкладок, разделенных диэлектрическим
слоем, должна быть минимальной. С другой стороны, для снижения потерь за
счет сопротивления обкладок рекомендуется прямоугольная форма конденсатора
с выводом по широкой стороне. Конструкцию конденсатора выбирают на основе
компромиссного решения с учетом его рабочих характеристик в составе
микросхемы.
Индуктивные элементы также выполняют в едином технологическом цикле (в
одном слое) с остальными элементами микросхемы. Существующая технология
позволяет реализовать индуктивные элементы высокой добротности (Q > 100) в
виде спирали с номинальными значениями L = 1 ... 100 нГ.
Индуктивные элементы малых номинальных значений иногда выполняют в
виде отрезков полосковых линий или в виде меандра. В этом случае при
расчете индуктивности учитывают не только длину и ширину линии, но и ее
толщину, а также влияние металлического основания (металлизации обратной
стороны).
При составлении и расчете топологического чертежа микросхемы
необходимо учитывать конструкцию и геометрические размеры навесных
элементов, а также способ их присоединения к пленочным элементам. Кратко
остановимся на особенностях СВЧ микросхем. В ГИС СВЧ диапазона применяют
полупроводниковые приборы различной конструкции. Оптимальной с точки зрения
возможности автоматизации процессов сборки является конструкция
полупроводниковых приборов типа LID с балочными выводами и с керамическими
полукорпусами (безвыводной перевернутый прибор). Навесные пассивные
элементы (резисторы и конденсаторы) выполняют в виде таблеток с балочными
выводами.
После монтажа навесных элементов и настройки микросборок их стыкуют в
корпусе. В этом случае должны быть выполнены два наиболее важных условия:
. микросхемы должны стыковаться геометрически одна с другой по
входным и выходным контактам с достаточно высокой точностью;
. переход от одной микросхемы к другой должен обеспечивать надежный
электрический контакт не только по проводникам микрополосковых
линий, но и по металлизации основания (обратных сторон микросхем).
Требования к точности совмещения «вход—выход» повышаются с ростом
рабочей частоты. При смещении стыкуемых микрополосковых линий или
возникновении между ними зазора в СВЧ тракте устройства проявляют
реактивность, которые приводят к рассогласованию.
Надежный электрический контакт обеспечивают, выбирая методы и
материалы крепления подложек микросхем к корпусу. В случае пайки мягким
низкотемпературным припоем важна совместимость материалов подложек и
корпуса по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР). При
нагреве или охлаждении системы из-за жесткости конструкции могут возникнут
внутренние напряжения в подложке и, как результат ее механическое
разрушение или отслоение проводящего покрытия. eсли для крепления подложек
использовать токопроводящие эластичные клеи, то проблема механической
надежности исключается, однако переходное сопротивление систем
металлизация—корпуса и подложка — подложка увеличивается. Кроме того,
сопротивление эластичных проводящих клеев характеризуется существенной
температурной зависимостью.
Интересным вариантом является механическое крепление подложек к
корпусу с помощью столбиков или уголковых прижимов. Достоинство
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|