CC BY
78
МАЛИНКИН Евгений Витальевич, инженер-исследователь, аспирант кафедры многоканальной электрической связи и оптических систем. КУРАШ Елена Фёдоровна, магистр, аспирантка, старший преподаватель кафедры многоканальной электрической связи и оптических систем. СОБОЛЕВА Ольга Валерьевна, магистр, аспирантка кафедры многоканальной электрической связи и
оптических систем, доцент кафедры систем автоматизированного проектирования. Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 24.06.2010 г. © В. Б. Малинкин, Е. В. Малинкин, Е. Ф. Кураш, О. В. Соболева
УДК 621.372.82 д. и. ТЮМЕНЦЕВ
В. Л. ЛРЖЛНОВ
Омский государственный технический университет
АНАЛИЗ
СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕАЛИЗАЦИИ СВЧ-УСТРОЙСТВ
Проведен сравнительный анализ современных технологических средств реализации СВЧ-устройств, таких как технология тонких пленок, «сэндвич» и ИСС-технологии. Сделаны выводы по применению камедой из рассмотренных технологий к производству устройств СВЧ-диапазона.
Ключевые слова: тонкие пленки, «сэндвич»-технология, ИСС.
В настоящее время известны различные способы реализации СВЧ устройств и их компонентов, отличающихся друг от друга технологией изготовления, используемыми материалами и т.д.
Одним из таких способов является технология тонких пленок, обеспечивающая покрытие из металлов или диэлектриков толщиной не боле 8—10 мкм [ 1 ]. При использовании тонкопленочной технологии пассивные компоненты формируются избирательным осаждением тонких пленок на подложках из различных диэлектрических материалов. Данная технология широко используется в полупроводниковых и гибридных интегральных микросхемах для создания проводниковых соединений, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, изоляции между элементами и проводниками, а также для реализации квазисосредоточенных и распределенных элементов СВЧ-устройств.
Основными достоинствами тонкопленочной технологии являются ее сравнительная дешевизна и возможность прецизионного изготовления элементов топологии, обладающих к тому же минимальными размерами, что становится особенно актуальным с ростом частоты.
Однако данная технология мало пригодна для реализации реактивных элементов, так как позволяет реализовать небольшой набор таких компонентов с ограниченными значениями их номиналов. Кроме того, она не позволяет создавать многослойные структуры, что приводит к увеличению площади, занимаемой устройством.
Более приемлемой по сравнению с тонкопленочной технологией для создания многослойных ВЧ-и СВЧ-устройств различного назначения с высокой степью интеграции является, так называемая, «сэндвич »-технология [2].
Данная технология уже достаточно долгое время используется для изготовления многослойных кера-
мических плат с многоуровневой коммутацией, в том числе и в СВЧ диапазоне. Впервые применение многослойной «сэндвич»-технологии к реализации СВЧ-устройств описано в [2].
В «сэндвич»-технологии, основанной на последовательной трафаретной печати, используется «толстая» диэлектрическая подложка, выступающая в качестве основания, на которую поочередно наносят металлизированные и диэлектрические слои с последовательным обжигом каждого слоя при температурах до 900 °С [2]. Таким образом, можно сформировать несколько проводящих и диэлектрических слоев с разных сторон подложки именно в тех местах, где это необходимо.
Основной недостаток такой технологии — ее низкая технологичность, так как весь процесс изготовления происходит не параллельно, а последовательно, что во много раз увеличивает время изготовления устройства.
В последнее время все более широкое применение находит гибридная технология на основе керамики с низкой температурой обжига — LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics — низкотемпературная совместнообжигаемая керамика).
Достоинство данной технологии, как и предыдущей, основано на сравнительно низкой температуре обжига, которая составляет 870 °С и позволяет применять золотые и серебряные проводники, точка плавления которых соответственно 960 °С и 1100 °С.
Благодаря использованию толстопленочной технологии такие устройства обладают низкой себестоимостью, что представляет значительный интерес с точки зрения массового производства СВЧ-устройств.
На современном уровне развития технологии низкотемпературной совместнообжигаемой керамики стало возможным создание сложных керамических плат размером 200x200 мм, с разрешающей способностью проводник/зазор — 50 /50 мкм [3].
Рис.1. Трехмерная модель фильтра
Рис. 2. Послойная топология фильтра
Наряду с улучшением массогабаритных характеристик создаваемых технических средств и повышением их надежности, технология низкотемпературной совместно обжигаемой керамики позволяет повысить и другие тактико-технические характеристики изделий за счет оптимизации общей компоновки электронного модуля и сокращения длины проводников.
Изготовление радиотехнических устройств различного назначения в виде многослойных структур на основе LTCC позволяет обеспечить их малые габариты и низкую себестоимость. Эта технология обладает широким спектром возможностей как по реализации элементов внутри многослойной структуры, так и по интеграции с компонентами, изготовленными с применением других технологий. Многослойная керамическая структура с размещенными внутри конструктивными RLC-элементами выступает в роли подложки, на которую монтируются другие компоненты, в том числе усилительные элементы, преобразователь частоты (смеситель), устройства акустоэлектроники, пьезоэлементы и цифровые схемы — устройства цифровой обработки сигналов, цифровые системы управления, встроенные средства вычислительной техники. Все это позволяет создавать малогабаритные многофункциональные ВЧ-и СВЧ-модули, реализующие концепцию система-в-корпусе (Systemin-Package — SiP) и система на единой подложке (System-on-Chip — SoC) [4].
Сопоставление рассмотренных технологий применительно к изготовлению СВЧ-устройств позво-й ляет выделить следующие основные преимущества о LTC С-технологии:
s — температура обжига порядка 850 0С позволяет
^ применять материалы с малым удельным сопротив-| лением, такие как золото и серебро, вместо молибдена | и вольфрама, которые используются в высокотемпе-2 ратурной технологии;
— возможность создания трехмерных структур, ЙИ1 в том числе и со встроенными в слоях пассивными
элементами, что обеспечивает компактность модулей и плат;
— в качестве основы модулей и плат могут быть использованы пленки с различными термофизическими характеристиками (например, с рабочей частотой свыше 30 ГГц и температурой до 3500 °С);
— лучшая теплопроводимость по сравнению с обычными печатными платами;
— каждый слой инспектируется до сборки модуля и, при необходимости, может быть заменен, что повышает процент выхода годных изделий;
— хорошая герметизация слоев;
— отсутствие химических процессов;
— сокращение производственных циклов по сравнению с обычными толстопленочными технологиями (параллельные процессы).
По свойствам применяемых материалов, точности разрешения элементов топологии, надежности и долговечности технология LTCC обеспечивает реализацию перспективных требований к радиотехнической аппаратуре на ближайшие десятилетия.
К основным электрическим характеристикам керамики относятся — относительная диэлектрическая проницаемость материала и тангенс угла диэлектрических потерь tg5; к температурным — линейный коэффициент теплового расширения (АКТР) и теплопроводность; к механическим — модуль Юнга и прочность на изгиб.
Для проверки характеристик устройств, получаемых по данной технологии, был рассчитан и изготовлен трехзвенный полосно-пропускающий СВЧ-фильтр на квазисосредоточенных LC элементах [5], показанный на рис. 1. Эквивалентная схема устройства представлена на рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика данного фильтра приведена на рис. 3. Фильтр выполнен с использованием керамики DuPont Green Таре 951 и имеет размеры 27x12x1 мм3.
Таким образом, обобщая выше сказанное, для реализации реактивных элементов и многослойных
Рис. 3. Экспериментальная амплитудно-частотная характеристика
устройств с высокой степенью интеграции на их основе наиболее перспективной является ЬТСС керамика. Наряду со стабильной диэлектрической проницаемостью, низким тангенсом угла диэлектрических потерь и сопротивлением проводников, высокой устойчивостью к воздействию внешних факторов достоинствами низкотемпературной керамики является возможность создания трехмерных структур, в том числе и со встроенными в слоях пассивными элементами, что обеспечивает компактность модулей и плат.
Результаты проведенных исследований по реализации СВЧ-элементов по ЬТСС-технологии дают основание прогнозировать проектирование устройств СВЧ-диапазона с высококачественными характеристиками.
Библиографический список
1. Романова, М. П. Проектирование полосковых устройств СВЧ: учеб. пособие / М. П. Романова. - Ульяновск: УлГТУ, 2001. — 123 с.
2. Капитанова, П. В. Исследование параметров пассивных СВЧ-компонентов, выполненных по многослойной интегральной технологии / П. В. Капитонова, А. В. Симин, Д. В. Холодняк //
Радиоэлектроника : труды высших учебных заведений России. - 2005. - Вып. 1. - С. 75- 81.
3. Yoshihiko Imanaka. Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC). Technology. Springer, 2005. - 229 p.
4. Вендик, И. Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига / И. Б. Вендик, Д. В. Холодняк, А. В. Симин // Компоненты итехнологии. - 2005. - №5. - С. 190-196.
5. Тюменцев, А. И. Моделирование СВЧ-фильтров на основе LTCС-технологии / А. И. Тюменцев, А. Н. Лепетаев // Наука, образование, бизнес: материалы регион, науч.-практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов пром. и связи, посвящ. Дню радио. — Омск: Изд-во КАН, 2010. -С. 229-231.
ТЮМЕНЦЕВ Александр Иванович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 24.12.2010 г. © А. И. Тюменцев, В. А. Аржанов
