Исследование параметров пассивных СВЧ-компонентов, выполненных по многослойной интегральной технологии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1

УДК 621.3.049.77:621.372.54

П. В. Капитанова, А. В. Симин, Д. В. Холодняк

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Исследование параметров пассивных СВЧ-компонентов, выполненных по многослойной интегральной технологии

Исследуются возможности многослойной "сэндвич "-технологии по реализации интегральных схем СВЧ. Представлены варианты реализации пассивных СВЧ-компонентов, резонансных структур и полоснопропускающего фильтра на их основе. Приведены эквивалентные схемы, расчетные характеристики и результаты экспериментальных исследований тестовых структур.

Многослойные интегральные схемы СВЧ, фильтры, "сэндвич "-технология

Использование многослойных технологий для реализации пассивных СВЧ-уст-ройств является приоритетным направлением научных и инженерных разработок в последние годы. Размещение элементов в нескольких слоях позволяет уменьшить массо-габаритные параметры устройства. Низкая стоимость интегральных схем при массовом производстве делает "сэндвич"-технологию привлекательной для рынка телекоммуникаций. Одной из наиболее популярных в настоящее время технологий для реализации пассивных СВЧ-компонентов и устройств является многослойная технология керамики с низкой температурой обжига (КНТО) (Low Temperature Co-fired Ceramics - LTCC) [1]-[2].

Однако уже достаточно долгое время для изготовления многослойных керамических плат с многоуровневой коммутацией на низких частотах (до 100 МГц), используется так называемая "сэндвич"-технология. Впервые применение многослойной "сэндвич "-технологии к реализации СВЧ-устройств описано в [3].

Несмотря на то, что и в КНТО, и в "сэндвич "-технологии применяется метод последовательной трафаретной печати, принципы формирования структур различны. Различия между двумя технологическими процессами иллюстрируются рис. 1.

Особенностью технологического процесса изготовления устройств на базе КНТО (рис. 1, а) является использование тонких диэлектрических листов, на которые наносится рисунок топологии проводящих слоев, после чего листы собирают в " стек" и производят обжиг при температуре около 850 °С. При этом все проводящие слои структуры формируются "параллельно" [4]. Готовые КНТО-модули в дальнейшем монтируются на керамическую подложку с другими элементами СВЧ-тракта.

В отличие от структур на основе КНТО-технологии, в "сэндвич "-структурах 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 [5] (рис. 1, б). Таким образом

© П. В. Капитанова, А. В. Симин, Д. В. Холодняк, 2005

75

Межслойные отверстия Контактные площадки

Нижний экран

Обкладки конденсатора

Структура КНТО

Первый Первый Второй Второй Третий

металлический диэлектрический металлический диэлектрический металлический

слой слой слой слой слой

(печать, обжиг) (нанесение, обжиг) (печать, обжиг) (нанесение, обжиг) (печать, обжиг)

Нижний

экран Диэлектрическая подложка

Обкладки конденсатора Межслойные соединения

б

Рис. 1

можно сформировать разное количество проводящих и диэлектрических слоев с разных сторон подложки именно в тех местах, где это необходимо.

Обе технологии предоставляют возможности для реализации СВЧ-устройств на сосредоточенных и квазисосредоточенных элементах, что позволяет уменьшить габаритные размеры интегральных схем и решить проблему паразитных резонансов кратных гармоник. При этом меньшая толщина диэлектрических слоев в "сэндвич"-структурах в сравнении с толщиной КНТО-листов обеспечивает более компактную реализацию емкостных элементов, а наличие толстой керамической подложки позволяет практически избавиться от паразитных связей между экранами и проводящими слоями.

Реализация пассивных компонентов по "сэндвич"-технологии. На основе многослойной "сэндвич"-технологии изготовлены и экспериментально исследованы следующие тестовые структуры: распределенные полуволновые резонаторы с емкостными связями, квазисосредоточенные емкостные и индуктивные элементы и колебательные контуры.

Основанием для "сэндвич"-структуры служила подложка из поликора толщиной 0.5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью вг = 9.8 и тангенсом диэлектрических потерь 8 = 0.0015 . Для нанесения проводящих слоев применялись пасты на основе серебра с сопротивлением по постоянному току = 0.02 и 0.003 Ом/□ толщиной 15 мкм, что соответствует погонному затуханию 0.023 и 0.009 дБ/мм. Наносимые диэлектрические слои (£г = 10.2; 5 = 0.002) имели толщины 45 и 60 мкм.

а

Экспериментальные исследования проводились на анализаторе цепей НР 8720В в диапазоне частот 1...4 ГГц. Измеренные характеристики сравнивались с результатами численного электродинамического моделирования и расчетами эквивалентных схем.

Полуволновый резонатор. На основе полуволнового отрезка микрополосковой линии передачи (МПЛ) с волновым сопротивлением 50 Ом разработан резонатор на частоту 3 ГГц с возбуждением с помощью емкостных связей. Ширина МПЛ с сопротивлением 50 Ом составила 450 мкм. Емкостные связи (0.36 пФ) реализованы за счет перекрытия концов резонатора линиями возбуждения, размещенными в верхнем слое (рис. 2, а).

I, ГГц

Рис. 2

Экспериментальные характеристики резонатора приведены на рис. 2, б для трех образцов в сравнении с результатами численного электродинамического моделирования многослойной структуры (штриховые линии). Имеют место хорошее совпадение между расчетными и экспериментальными данными и малый разброс параметров для серии тестовых образцов. Собственная добротность резонатора составляет Qo = 25.

Плоскопараллельный конденсатор. На рис. 3, а изображена структура плоскопараллельного конденсатора емкостью 40 пФ. Один из его электродов расположен на поликоровой подложке, а другой - отделен от него слоем диэлектрика толщиной 45 мкм. Размеры

электродов 4.5 х 4.5 мм . Для формирования электродов использовалась проводящая паста с = 0.02 Ом/□. Отрезки линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом служат для подсоединения конденсатора к внешним цепям. Эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 4 [6], где - индуктивность электродов конденсатора и линий возбуждения; ^ отражает потери в проводящих слоях; Ср и Cg - паразитные емкости. Значения пара-

3 /, ГГц

- 4 -

- 8

S, дБ Рис. 3

1

2

0

б

а

метров эквивалентной

схемы: C = 40 пФ ;

С% = 1.710 пФ ; Ср = 0.860 пФ ; Ь5 = 0.120 нГн;

Д = 0.023 Ом .

Расчетные характеристики конденсатора, полученные при помощи электродинамического Рис. 4 (штриховые линии) и схемотехнического

(пунктирные линии) моделирования, показаны на рис. 3, б в сравнении с результатами экспериментального исследования нескольких образцов. Собственная добротность конденсатора Qo на частоте 3 ГГц составила 65 при использовании проводящей пасты с = 0.02 Ом/ □.

Спиральная индуктивность. Спиральная индуктивность с номинальным значением 2 нГн показана на рис. 5, а. Ширина проводников составляет 450 мкм, а расстояние между ними - 550 мкм. Подводящие линии выполнены поверх тонкого слоя диэлектрика толщиной 45 мкм и соединены с выводами индуктивности через переходные отверстия. При изготовлении экспериментальных образцов использовалась проводящая паста с = 0.02 Ом/ □. Эквивалентная схема индуктивности представлена на рис. 6, где Cg -

паразитная емкость на землю; С^ - межвитковая паразитная емкость. Параметры элементов эквивалентной схемы: Ь = 2 нГн; Cg = 1.470 пФ ; С^ = 0.053 пФ; Д = 1.338 Ом .

1 2 3 /, ГГц

S, дБ Рис. 5

б

Результаты электродинамического (штриховые линии) и схемотехнического моделирования (пунктирные линии) приведены на рис. 5, б в сравнении с характеристиками экспериментальных образцов. Собственная добротность индуктивности составила Qo = 30 на частоте 3 ГГц.

Колебательные контуры. Численно промоделированы и исследованы два параллельных колебательных контура, реализованных на сосредоточенных элементах. Один контур включен в основную цепь последовательно (рис. 7, а), а другой - параллельно с помощью емкостных связей (рис. 8, а).

- Т и _

Рис. 6

а

Для каждого контура были подобраны соответствующие эквивалентные схемы (рис. 9, а и б), на которых Ь5, С5 и Ьр, Ср - индуктивности и емкости последовательного и параллельного контуров соответственно; ^ и ^ отражают потери в каждом из контуров; Cg -

паразитные емкости на землю индуктивности и емкости последовательно включенного контура; Сс - элементы емкостной связи параллельно включенного контура с линиями возбуждения. При моделировании толщина диэлектрических слоев принималась равной 60 мкм, а сопротивление проводящей пасты постоянному току = 0.003 Ом/□ . Значения параметров эквивалентных схем:

• для последовательного контура: С5 = 4.58 пФ ; Ь8 = 0.47 нГн; = 970 Ом; Cg =

= 0.23 пФ;

• для параллельного контура: Ср = 5.7 пФ ; Ьр = 0.575 нГн; = 460 Ом; Сс = 0.506 пФ.

Результаты электродинамического моделирования структур (штриховые линии) в сравнении с данными, полученными из расчета электрических схем (сплошные линии), представлены на рис. 7, б и 8, б. Частотная характеристика последовательно включенного

f, ГГц

- 10 - 20

S, дБ Рис. 7

0 - 5

- 10

- 15

- 20

S, дБ

Рис. 8

- / \ |Si1 S21I

=—

2.0

2.5

3.0

f, ГГц

C

- I

$ gr

ё а I

^ ,

ч

Ю I

о I

X X

Rs

Cs

C

C

Cg

X X

I I

n ч

и ^ o °

lü

Рис. 9

2

3

4

0

6

6

L

s

a

колебательного контура показана на рис. 7, б, частотная характеристика параллельно включенного контура - на рис. 8, б.

СВЧ-фильтр для беспроводной связи. С применением "сэндвич"-технологии разработан малогабаритный СВЧ-фильтр для беспроводной связи стандартов Bluetooth и IEEE 802.11b/g [7]. Трехзвенный полосно-пропускающий фильтр на квазисосредоточенных параллельных контурах с емкостными связями реализован в виде многослойной интеграль-

2.G 2.25

2.75 f, ГГц

Рис. 10

ной схемы, состоящий из двух тонких диэлектрических слоев и четырех слоев металлизации, нанесенных на поликоровую подложку. Фильтр имеет размеры 5.0х 4.0х0.6 мм (рис. 10, а). Полоса пропускания фильтра 2.4...2.5 ГГц.

Емкости параллельных контуров выполнены в виде плоскопараллельных конденсаторов, образованных электродом, находящимся между диэлектрическими слоями, и металлическим экраном. Емкостные элементы связи реализованы за счет частичного перекрытия электродов конденсаторов, расположенных в разных слоях. Индуктивности выполнены в виде отрезков линий передачи и заземлены с помощью переходных отверстий.

Результаты электродинамического моделирования многослойной структуры фильтра представлены на рис. 10, б. Частотные характеристики фильтра с учетом потерь приведены в сравнении с характеристиками идеального фильтра без учета потерь. Вносимые потери в полосе пропускания фильтра (2400.2500 МГц) не превышают 4.5 дБ, коэффициент отражения по входу 18 дБ.

В заключение отметим, что проведенные исследования тестовых структур пассивных компонентов СВЧ ИС, реализованных на базе многослойной "сэндвич "-технологии, выявили малый разброс параметров структур, изготовленных в разных производственных циклах, и хорошее совпадение экспериментальных характеристик с результатами электродинамического и схемотехнического моделирования. Проектирование полосно-про-пускающего фильтра продемонстрировало хорошие перспективы использования "сэн-двич"-технологии для реализации пассивных СВЧ-устройств, работающих в системах беспроводной связи и телекоммуникаций.

Библиографический список

1. Многослойные интегральные схемы СВЧ-фильтров и диплексеров на основе керамики с низкой температурой обжига / А. В. Симин, А. В. Лапшин, Д. В. Холодняк, И. Б.Вендик // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Мат-лы 13-й Междунар. Крымск. конф., Севастополь, 8-12 сент. 2003 г. М.: Вебер, 2003. С.559-561.

б

а

2. Highly-Integrated LTCC Frontend-Modules for Bluetooth and Wireless-LAN Applications / P. Heide, A. Cher-nyakov, K. Markov et al. // Proc. of European Wireless Technologies Conf. 7-9 October 2003, Munich. Munich, Germany: Horizon House, 2003. Vol. 3. P. 359-362.

3. Investigations of microwave passive components based on multilayer "sandwich" technology / P. Kapitanova, A. Simine, D. Kholodnyak // Proc. of 11-th Int. Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena, 7-9 June, 2004. SPb.: Publishing house SPGETU "LETI", 2004. P. 48-50.

4. Cahn R. W., Haasen P., Kramer E. J. Materials science and technology. A comprehensive treatment // Proc. of ceramics. New York: VCH Publishers Inc., 1996, Vol. 17A. 478 p.

5. ОСТП.027.904-83. Платы многослойные керамические. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1986.

6. Bahl I. Lumped Elements for RF and microwave circuits. Norwood, MA: Artech House, 2003. 488 p.

7. A novel design of multilayer front-end devices for Bluetooth and WLAN applications / A. Simine, I. Fich-shuk, J. Shakulo et al. // Proc. of 11-th Int. Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena, 7-9 June, SPb.: Publishing house SPGETU "LETI", 2004. P. 48-50.

P. V. Kapitanova, A. V. Simine, D. V. Kholodnyak Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Passive Components of Microwave Integrated circuits based on the multilayer "sandwich" technology

Benefits of alternative multilayer technology for microwave applications are demonstrated. Various passive "sandwich" structures have been simulated, fabricated and measured. Design of a miniature bandpass filter for wireless systems is presented. The results obtained proof good potential of the "sandwich" technology for microwave integrated circuits.

Multilayer microwave integrated circuits, filters, multilayer "sandwich" technology

Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.