CC BY
11УДК 621.38
Расчетно-экспериментальное моделирование СВЧ-характеристик металлокерамических и металлостеклянных корпусов ИС
В.В. Елесин, Г.Н. Назарова, Г.В. Чуков Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ
Представлена комплексная расчетно-экспериментальная методика исследования СВЧ-характеристик корпусов ИС, основанная на технологии векторных измерений и электромагнитного анализа. Определены параметры модели и предельная частота использования металлокерамических и металлостеклянных корпусов отечественного производства.
Ключевые слова: корпус ИС, модель, эквивалентная схема, СВЧ-диапазон, электромагнитный анализ.
Успешное развитие систем беспроводной связи, навигации и радиолокации СВЧ-диапазона сопровождается растущей потребностью в снижении цены и массогаба-ритных показателей соответствующих ИС. Совмещение полного набора функций радиочастотного приемопередающего тракта с процессором обработки и памятью в одном корпусе - система в корпусе (СвК) или на одном кристалле - система на кристалле (СнК), ставшее возможным с появлением СВЧ-БиКМОП-технологии, предъявляет принципиально новые требования к самим корпусам и технологии корпусирования. Развитие направления СвК нашло свою реализацию в технологиях MLO, ЬТСС и High K (CFP) [1]. Технология корпусирования однокристальных схем также достигла впечатляющих результатов. Например, зарубежные серийно-выпускаемые корпуса QFN обеспечивают характеристики всего спектра СВЧ ИС в диапазоне до 12 ГГц, а в ряде случаев - до 33 ГГц [2]. Между тем производство серийных отечественных корпусов ИС ориентировано в основном на цифровые и смешанные схемы разной степени интеграции (ОАО «ЗПП», г. Йошкар-Ола, ОАО «Завод «Марс», г. Торжок, ЗАО «Тестприбор» г. Москва). Исключение составляют появившиеся около двух лет назад современные 8-выводные корпуса типа LCC производства ОАО «ЗПП», уже нашедшие применение для монтажа СВЧ ИС, например серии 1324 с диапазоном рабочих частот до 8 ГГц [3].
В условиях увеличения числа российских дизайн-центров, ориентированных на западные фабрики, и планов по вводу в эксплуатацию новых отечественных полупроводниковых производств, актуальность проблемы качественного и оперативного корпусирования аналоговых и смешанных ИС СВЧ-диапазона будет возрастать. В связи с этим важной представляется задача создания моделей имеющихся отечественных корпусов ИС, позволяющих рассчитывать корпусированные СВЧ ИС средствами современных САПР, и разработка методики определения параметров этих моделей.
Объектами настоящего исследования являются три типа серийных отечественных корпусов:
- 6-выводной металлокерамический СВЧ-корпус производства ЗАО «НПП «Плане-та-Аргалл» (далее корпус «Планета»), предназначенный для сборки простейших анало-
© В.В. Елесин, Г.Н. Назарова, Г.В. Чуков, 2012
говых составных функциональных блоков с малым числом выводов (усилителей, генераторов и т.д.);
- 14-выводной металлостеклянный корпус 401.14-5 (ОКБ «Марс»), подходящий по конструкции для сборки смесителей, модуляторов/демодуляторов, в том числе с дифференциальными сигналами, синтезаторов частоты и их элементов и других ИС со средним количеством выводов;
- 24-выводной металлокерамический корпус Н06-24-2В (ОАО «ЗПП»), по количеству выводов подходящий для сборки аналого-цифровых ИС с большим количеством выводов, таких как приемопередающие тракты и их элементы с цифровым управлением.
Общим свойством перечисленных корпусов является наличие металлизированного основания, играющего роль «высокочастотной земли», при этом электрические связи между контактной площадкой кристалла ИС и внутренним выводом корпуса или его основанием обеспечиваются посредством соединительных проволочек (Bond Wire). Внешний вид корпусов представлен на рис. 1,а, а их основные параметры приведены в таблице.
Рис.1. Внешний вид корпусов (а), изображение МСИ (б) и МСЭА (в) для корпуса «Планета» (выводы не показаны): 1 - металлическое основание; 2 - керамическое основание; 3 - металлический полосок вывода; 4 - кристалл ИС; 5 - проволочка
Основные параметры исследуемых корпусов
Наименование Количество вы- Габаритные раз- Размер монтажной Подробная ин-
корпуса водов меры, мм площадки, мм формация
«Планета» 6 4,0x4,0x0,8 2,0x2,0 [4]
401.14-5 14 10,0x6,7x1,85 5,5x2,6 [5]
Н06-24-2В 24 9,2x7,6x1,5 5,3x3,7 [6]
Маршрут создания моделей корпусов. На первом этапе на основании технической документации изготовителя восстановлена конструкция и определены размеры элементов корпусов, а также проведена предварительная оценка параметров диэлектрического материала корпуса (в, tg5).
Исходя из условий соединения кристалла ИС, определены модельная структура для измерений (МСИ), т.е. практически реализуемая структура, предназначенная для экспериментального исследования параметров рассеяния, и модельные структуры для электромагнитного анализа (МСЭА), т.е. структуры, возникающие при корпусировании реального кристалла ИС и предназначенные исключительно для расчетного моделирования. На рис.1,б,в представлены МСИ и МСЭА для корпуса «Планета».
С целью определения условий корректного электромагнитного анализа и предварительной оценки предельной частоты использования корпусов на втором этапе экспериментально исследовалась МСИ, состоящая из корпуса и разварочной проволочки, соединяющей два противоположных внутренних вывода корпуса «на проход» (см. рис. 1,6). Экспериментальное исследование параметров рассеяния МСИ проводилось средствами векторного анализатора цепей серии PNA-L в составе специально разработанной измерительной оснастки [7]. Необходимое в таких случаях устранение влияния измерительной оснастки осуществлялось методом TRL-калибровки и процедурой исключения ее средствами САПР (De-embedding).
На третьем этапе проводился электромагнитный анализ МСИ, обеспечивший в совокупности с результатами измерений верификацию размеров элементов корпусов, 8 диэлектрических материалов корпусов и настройку параметров электромагнитного моделирования. Наиболее точным и универсальным методом анализа СВЧ-характеристик структур корпусов является применение полного электромагнитного моделирования с использованием специализированных программных пакетов [8]. Основное отличие между программами электромагнитного моделирования заключается в численном методе, применяемом для решения системы уравнений Максвелла. Наиболее известными из них являются метод моментов (Method of Moments), метод конечных разностей во временной области (Finite Difference Time Domain Method) и метод конечных элементов (Finite Element Method). Поскольку корпус ИС является сложной трехмерной структурой, состоящей из проводников и диэлектриков, наилучшие результаты дают программы на основе двух последних методов.
В настоящей работе применяется программа электромагнитного моделирования на основе метода конечных элементов, который обеспечивает универсальную пространственную схему дискретизации, применимую для моделирования таких сложных электромагнитных структур, как система планарного корпуса с соединительной проволочкой. Представленные на рис.2,а результаты электромагнитного анализа МСИ корпуса «Планета» хорошо согласуются с результатами измерений в диапазоне частот 0,1-5 ГГц. Определенное расхождение расчетных и измеренных значений модуля и фазы S11 на частотах выше 5 ГГц обусловлено погрешностью измерений, вызванной неидеальностью калибровочного набора, имеющего для стандарта «Reflect» резонанс на частоте 5 ГГц.
Расчет корпусированных ИС средствами САПР подразумевает наличие модели элементов корпуса и соединительных проволочек в виде блоков ¿'-параметров или эквивалентных схем. На четвертом этапе средствами оптимизации САПР решалась задача выбора эквивалентных схем для МСЭА (см. рис. 1,в) и определения значений ее элементов по наилучшему совпадению ¿-параметров эквивалентных схем с результатами электромагнитного анализа [8]. МСЭА состоит из корпуса «Планета» и золотой соединительной проволочки диаметром 25 мкм и длиной 0,73 мм, идущей на расположенный в центре колодца кристалл размером 1*1x0,37 мм. Использованная упрощенная эквивалентная схема показана на рис.3,а и представляет собой несимметричную Т-образную LC-цепь, последовательные индуктивности которой моделируют внутренний вывод корпуса и соединительную проволочку, а шунтирующий конденсатор - эффективную суммарную емкость. Сравнительные результаты расчетов ¿-параметров, полученные в ходе электромагнитного анализа и с использованием эквивалентной схемы, свидетельствуют, что МСЭА корпуса «Планета» в диапазоне частот до 10 ГГц имеет не более 0,6 дБ вносимых потерь и не более -10 дБ потерь на отражение. Гладкая монотонная АЧХ без резонансов и линейная ФЧХ обусловлены короткими выводами с малой последовательной индуктивностью и наличием проводящего основания корпуса (малая индуктивность на землю), что указывает на возможность его применения в рассматриваемом частотном диапазоне.
Рис.2. Сравнительные результаты измерений и электромагнитного (ЭМ) анализа ^-параметров МСИ (а) и результаты, полученные для МСЭА путем электромагнитного анализа и расчета с использованием эквивалентной схемы (ЭС) (б), для корпуса «Планета»
Рис.3. Эквивалентная схема МСЭА на сосредоточенных элементах (а), модельная структура изогнутой проволочки, расположенной между двумя МПЛ (б), аналитический и электромагнитный расчет эквивалентной индуктивности проволочки в зависимости от расстояния Б (при Н = 0,25 мм) и высоты над металлом Н (при Б = 1 мм) для диаметра проволочки а = 25 мкм и угла в = 0 (в)
Важным аспектом практического применения приведенной методики, использующей эквивалентную схему, является определение индуктивности, отражающей соединительную проволочку, которая существенно зависит от ее геометрии и определяется размерами и топологией кристалла [9]. Оценка зависимости индуктивности от геометрических размеров структуры, показанной на рис. 3,6, может быть проведена по следующим соотношениям:
в 2
' ' IXI
Ь = 1011п{р{х))^х [нГн], (1)
Р( х) = -а
1
В ■ соб есв Л- - („ В '
I -х2 +1Н --«ар ^
(2)
где Б - расстояние между микрополосковыми линиями (МПЛ); Н - высота над основанием; в - угол изгиба; а - диаметр проволочки (в дюймах). Расчеты зависимостей индуктивности проволочки от расстояния Б и высоты Н по выражениям (1), (2) подтверждаются показанными на рис.3,в результатами, полученными средствами электромагнитного анализа для случая в = 0 и а = 25 мкм.
Апробация. Апробация полученных моделей корпуса «Планета» и оценка влияния корпусирования на параметры конкретной ИС проведены в ходе сравнительного рас-четно-экспериментального исследования параметров тестового кристалла СВЧ-малошумящего усилителя (МШУ), изготовленного по SiGe-БиКМОП-технологии SGB25VD [10]. При расчетах ИС учитывались паразитные элементы корпуса, соединительных проволочек и измерительной оснастки. Сравнительные результаты расчетов параметров самого кристалла МШУ (без учета элементов корпуса и измерительной оснастки) и МШУ, собранного в корпус «Планета» (с учетом элементов корпуса и измерительной оснастки), представленные на рис.4 вместе с результатами измерений в составе измерительной оснастки, свидетельствуют о существенном влиянии корпуса и измерительной оснастки на характеристики МШУ. В частности, на частоте 3 ГГц значения коэффициента усиления и развязки МШУ ухудшаются на 5 и 7 дБ соответственно. Важно отметить, что подобная деградация характеристик может быть в определенной степени исправлена как путем оптимизации схемы разварки кристалла в корпус, так и коррекцией схемы и топологии самого МШУ при условии учета модели корпуса на этапе проектирования.
По изложенной методике проведено исследование СВЧ-характеристик корпусов 401.14-5 и Н06-24-2В. Сравнительные результаты измерений и электромагнитного моделирования параметров МСИ и МСЭА, аналогичных показанным на рис.1,б,в, в диапазоне частот 0,1-6 ГГц представлены на рис.5.
Согласно представленным результатам верхний диапазон частот использования корпуса «Планета» составляет не менее 10 ГГц (по уровню 0,6 дБ вносимых потерь и -10 дБ потерь на отражение для МСЭА). Корпус 401.14-5 может применяться в диапазоне до 5 ГГц (по уровню 0,5 дБ вносимых потерь и -10 дБ потерь на отражение для МСЭА). Наличие явно выраженного резонанса в МСЭА и МСИ корпуса Н06-24-2В в районе 1,7-1,8 ГГц, а также резкий рост потерь на частотах выше 1 ГГц ограничивают
о
Рис.4. Сравнительные результаты измерений и расчетов ^-параметров СВЧ МШУ в корпусе «Планета» и в плоскостях контактных площадок: £21 (а) и 511 (б)
Рис.5. Сравнительные результаты измерений и электромагнитного анализа параметров МСИ (а) и МСЭА (б) для корпусов «Планета», 401.14-5 и Н06-24-2В
частотный диапазон его использования. Из анализа распределения электромагнитного поля следует, что причиной резонанса и высоких потерь является неоднородная конструкция длинных внутренних выводов корпуса и вывод наружу заземления металлического основания корпуса через специальный вывод.
Разработанная комплексная расчетно-экспериментальная методика исследования СВЧ-параметров металлокерамических и металлостеклянных корпусов ИС основана на векторных измерениях и электромагнитном анализе модельных структур кристалл ИС -корпус и предназначена для оперативного создания моделей для САПР отечественных и зарубежных корпусов ИС.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (ГК №13.G36.31.007).
Литература
1. Kamgaing T., Ichikawa K. Future package technologies for wireless communication systems // Intel Technology Journal. - 2005. - Vol. 9. - № 4. - P. 353-364.
2. Техническое описание на ИС смесителя XM1001-QH. - URL: http://www.mimixbroadband.com (дата обращения: 01.04.2012).
3. Серия 1324 - СВЧ монолитные интегральные схемы. - URL: http://www.pulsarnpp.ru/ /index.php/2010-06-25-10-46-19/-1324 (дата обращения: 01.04.2012).
4. Интернет-сайт компании ЗАО «НПП «Планета-Аргалл». - URL: http://www.argall.ru (дата обращения: 01.04.2012).
5. Конструкторская документация на металлостеклянный корпус 401.14-5. - URL: http://www.z-mars.ru/ /docum/401_14_5.pdf (дата обращения: 01.04.2012).
6. Техническое описание на корпуса типа LLCC. - URL: http://www.zpp12.ru/catalog/llccnew.doc (дата обращения: 01.04.2012).
7. Елесин В.В., Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чуков Г.В. Комплекс методических, аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость // Спецтехника и связь. - 2011. - С. 28-32.
8. Liang T., Pla J.A. Equivalent-circuit modeling and verification of metal-ceramic packages for RF and microwave power transistors // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1999. - Vol. 47. - P. 709-714.
9. Елесин В.В., Назарова Г.Н. Оптимизация параметров СВЧ переключателей для монолитных фазовращателей и аттенюаторов // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 2010. -Вып № 1 (224). - С. 7-11.
10. Исследование влияния ионизирующих излучений на характеристики кремний-германиевых интегральных схем СВЧ диапазона / В.В. Елесин, Г.В. Чуков, Д.В. Громов и др. // Микроэлектроника. -2010. - Т. 39, № 2. - С. 136-148.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Елесин Вадим Владимирович - кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: СВЧ-электроника, проектирование, измерения, радиационные эффекты в элементах СВЧ-электроники, радиочастотная идентификация.
Назарова Галина Николаевна - младший научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: СВЧ-электроника, проектирование СВЧ ИС и антенн, расчетное моделирование радиационных эффектов в элементах СВЧ ИС.
Чуков Георгий Викторович - младший научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: СВЧ-электроника, коаксиальные и зондовые СВЧ-измерения, экспериментальные исследования радиационных эффектов в элементах СВЧ ИС. E-mail: gvchuk@spels.ru
