CC BY
6А.И.Погалов, А.М.Грушевский, Г.А.Блинов, А.Ю.Титов
У. мкм
Вывод Алюминий
Медь
Припой
Медь
Полиимид
Г
0 5 10 15 20 25 а , МПа Рис.3. Эпюра распределения эквивалентных напряжений по толщине паяного соединения МКМ
су, МПа
35
30 + 25 20-0
а, МПа
20 1510-
Напряженно-деформированное состояние (НДС) материалов ПС исследовалось при температурном воздействии в диапазоне от +20 до +60 °С, что соответствует первой степени жесткости испытаний МКМ на повышенные температуры (ГОСТ 30630.2.1, ст. МЭК 68-2-14-84). Результаты исследований представлены в табл.2, где атах - максимальное напряжение в материале; а - номинальное напряжение в материале на оси симметрии ПС; И - толщина припоя в ПС. Эпюра распределения эквивалентных напряжений по высоте ПС на его оси симметрии показана на рис.3. Распределения напряжений по длине ПС в разных материалах имеют схожий характер - в центре соединения напряжения минимальны, максимальные напряжения возникают на краю ПС (рис.4).
ст, МПа
15
10
5
1/2, мкм 0
1/2, мкм
1/2, мкм
Рис.4. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в материалах по длине паяного соединения МКМ: а — в медной металлизации на выводе (толщина 2 мкм); б — в припое; в — в медной металлизации на полиимиде (толщина 21 мкм)
В местах изменения формы или сплошности материала происходит местное повышение напряжений. Это явление называется концентрацией напряжений и оценивается коэффициентом концентрации напряжений К = атах/а. Концентрация напряжений в материалах на краю ПС достигает 350% (табл.2). Трещинообразование, отслоение металлизации, разрушение соединения начинается, как правило, на краю.
Разработано восемь конечно-элементных моделей. В базовой модели ПС1 (см. табл.2) использовался припой ПОС61 с толщиной паяного шва И = 60 мкм, вывод -алюминиевый. В последующих моделях по сравнению с базовой моделью изменен только один варьируемый фактор. В модели ПС2 толщина паяного шва И = 100 мкм, в модели ПС3 И = 20 мкм. При уменьшении толщины паяного шва происходит снижение максимальных и увеличение номинальных напряжений в припое, что обусловило снижение концентрации напряжений и выравнивание напряжений по длине ПС. В медной металлизации наблюдается снижение атах и а на 20-40%.
Замена алюминиевого вывода на медный (модель ПС4) привела к снижению напряжений в медной металлизации в 1,5 раза при увеличении напряжений в припое на
а
б
0
в
Термомеханическая прочность материалов.
13,3%. Применение жесткого цинкового припоя (модель ПС6) ведет к существенному повышению напряжений в припое на 75% и в медной металлизации на 22%. Использование висмутового припоя (модель ПС7) практически не влияет на напряжение в паяном шве и снижает напряжение в медной металлизации на 53%. Применение индиевого припоя (модель ПС5) позволяет существенно снизить напряжения в припое почти в 2 раза, в медной металлизации - в 1,5-2 раза.
В модели ПС8 использовались наиболее совместимые материалы - висмутовый припой и медный вывод, у которых минимальная разница ТКЛР Датщ = 5-10"6 °С-1. Это позволило уменьшить по сравнению с базовой моделью напряжения в припое в 2,2-2,7 раза, в медной металлизации - в 3-6 раз.
Проведенные исследования подтвердили существенное влияние конструктивно-технологических факторов на НДС и прочность материалов ПС. Материалы соединения должны быть совместимы по механической прочности, модулю упругости и ТКЛР. Основным критерием создания прочностного ПС при тепловых воздействиях является уменьшение разницы ТКЛР соединяемых материалов. Наилучшей физико-механической совместимостью и наименьшей разницей ТКЛР обладают ПС с медным выводом и бессвинцовыми припоями 42Sn58Bi или 48Sn52In.
Литература
1. Заводян А.В., Волков В.А. Производство перспективных ЭВС. В 2 ч.: уч. пособие. Ч. 2. Современная технология сборки и монтажа на поверхность плат. Проблемы эксплуатационной надежности. -М.: МИЭТ, 1999. - 280 с.
2. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1986. - 175 с.
3. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных микромодулей: уч. пособие / Под ред. Л.А.Коледова. - М.: МИЭТ, 2003. - 196 с.
4. Технологии в производстве электроники. Ч. III. Гибкие печатные платы / Под ред. А.М.Медведева, Г.В.Мылова. - М.: Технологии, 2008. - 488 с.
5. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы. - М.: Техносфера, 2005. - 304 с.
6. Нинг-Ченг Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP и flip chip технологии. - М.: Технологии, 2006. - 392 с.
7. Кузнецов О.А., Погалов А.И. Прочность паяных соединений. - М.: Машиностроение, 1987. - 112 с.
8. Кузнецов О.А., Погалов А.И., Сергеев В.С. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1990. - 144 с.
9. Алямковский А.А. Solid Works / COSMOS Works. Инженерный анализ методом конечных элементов. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 432 с.
Статья поступила 7 июня 2009 г.
Погалов Анатолий Иванович - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой технической механики МИЭТ. Область научных интересов: механика материалов и конструкций микроприборов.
Грушевский Александр Михайлович (1950-2009) - доктор технических наук, профессор кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: твердотельная электроника, технология сборки и монтажа микросистем.
Блинов Геннадий Андреевич -доктор технических наук, профессор кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: твердотельная электроника, технология сборки и монтажа микросистем.
Титов Андрей Юрьевич - аспирант кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: проектирование и технология электронных средств.
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.049.77
Мощные СВЧ LDMOS-транзисторы для беспроводных технологий передачи данных (Обзор)
Е.В.Кузнецов, А.В.Шемякин НПК «Технологический центр» МИЭТ
Проанализированы области применения, структура, технология производства и корпусировки мощных СВЧ LDMOS-транзисторов, а также основные достоинства данных приборов. Базовые физические параметры и некоторые технологические факторы согласованы для оптимального функционирования устройства.
Твердотельная СВЧ-электроника стремительно развивается в последние 10-15 лет. Наряду с совершенствованием старых активно идет освоение новых приборов и структур, проводится промышленное освоение новых полупроводниковых материалов. СВЧ LDMOS-технология широко востребована в таких областях, как авионика, радары гражданского и военного применения, ретрансляторы, базовые станции сотовой системы связи, телевизионные и радиовещательные передатчики, приемо-передающие устройства, реализующие создание быстродействующих беспроводных компьютерных сетей (перспективные стандарты Wi-Fi, Wi-Max).
На рынке СВЧ-транзисторов с точки зрения полупроводниковых материалов до недавнего времени лидирующее место по объемам применения занимали GaAs-приборы. В самой емкой рыночной нише - выходные усилительные каскады сотовых телефонов в 80% случаев использовались приборы на основе GaAs, который является оптимальным вариантом для производства качественных СВЧ-приборов. При ширине запрещенной зоны 1,42 эВ, напряженности поля пробоя 4-105 В/см его использование явно предпочтительнее кремния. GaAs - первый промышленно освоенный материал группы AiilBv и на сегодняшний день широко используется фирмами-изготовителями. Достаточное распространение получили и SiGe-технологии. На базе данного материала серийно выпускаются HBT- и Би-КМОП-транзисторы. Необходимо также отметить материалы, не нашедшие такого широкого применения, как GaAs и SiGe, но физические свойства которых перспективны при решении сопряженных с производством проблем. Это нитриды III группы, прежде всего нитрид галлия GaN и карбид кремния SiC. Уже ведутся разработки СВЧ-транзисторов на основе соединений InAs, AlSb, InSb. Исследуются возможности алмаза как материала для создания транзисторов, в частности СВЧ-применения. Работы по освоению производства приборов на основе вышеперечисленных полупроводников сейчас находятся на различных стадиях решения, рыночная масса этих устройств невелика. Проблемой являются получение качественных подложек с прецизионными характеристиками, разработка и внедрение нового технологического оборудования для этих материалов. Таким образом, преимущества кремниевых приборов становятся очевидными [1]. Стоимость Si-подложек невысокая, технологии отработаны и имеют широкое распространение. Относительно просто разместить на одном кристалле цифровую и аналоговую части схемы. Фотолитографиче-
© Е.В.Кузнецов, А.В.Шемякин, 2009
Мощные СВЧ LDMOS-транзисторы.
ские возможности на современных кремниевых фабриках позволяют применять размеры элементов менее 100 нм. В связи с этим характеристики Si-СВЧ-транзисторов настолько повысились, что в диапазоне частот до 5 ГГц при подвижности электронов 1300 см2/(В-с) они успешно конкурируют с приборами на основе GaAs, где подвижность носителей выше практически в 7 раз [2].
К кремниевым транзисторам, выступающим в качестве элементной базы для авиарадаров, предъявляются повышенные требования. Высокая выходная мощность таких передатчиков достигается путем «запараллеливания» нескольких транзисторов друг с другом. Основные условия, которым должен удовлетворять дискретный прибор [3, 4]:
- достаточный коэффициент усиления, для того чтобы минимум четыре (предпочтительно шесть и более) транзисторов могли бы участвовать в схеме с параллельным управлением;
- минимальное рассогласование нагрузки 3: 1 для предотвращения выгорания в стадии настройки;
- обеспечение стабильной работы при рассогласовании выше 2:1;
- стабильность фазы, что критично для обеспечения доплеровской чувствительности системы.
Использование транзисторов в качестве элементов активных фазированных антенных решетках (АФАР) диктует похожие требования, за исключением усилительных свойств, которые могут быть ниже вследствие того, что в единичной ячейке (так называемой «соте» решетки) транзисторы обычно не объединяются между собой.
До недавнего времени основой для СВЧ-приборов с рабочими частотами до 3,5 и даже до 4 ГГц служили кремниевые биполярные транзисторы. Исследуя продукцию различных производителей на примере фирмы Integra Technologies, можно проследить эволюцию на рынке радиочастотных приборов. В научных публикациях этой компании можно найти сведения о том, что одним из наиболее технически удачных и при этом востребованных рынков биполярных приборов являлся транзистор с пиковой мощностью 100 Вт и усилением полезного сигнала 9 дБ. Изделие имеет наименование IB3135M100, для достижения выходной мощности более 600 Вт возможно объединение до 6 таких транзисторов друг с другом. В работе [5] даны сведения о другой биполярной транзисторной структуре IB2729M150, имеющей пиковую мощность 150 Вт и усиление 7,5 дБ. Также существует возможность объединения четырех таких транзисторов с получением результирующей мощности 550 Вт и последующим монтажом в приемно-передающее устройство, оперирующее на частотах 2,7-2,9 ГГц. На базе данного транзистора разработан и внедрен в производство сверхмощный усилитель с пиковой мощностью 1,8 кВт.
Использование современных средств математического моделирования [6] позволяет без затратных производственных циклов найти оптимальное технологическое решение, при котором транзисторная структура будет обладать требуемыми электрофизическими параметрами. Моделирование с использованием пакета утилит фирмы Synopsys -TCAD Sentaurus показывает, что предельная мощность для биполярного транзистора лежит в области значения 0,5 Вт на 1мм длины эмиттерной области при рабочей частоте 3,5 ГГц. Подобные результаты уже не могли удовлетворить разработчиков радиочастотных устройств ввиду очень бурного и стремительного развития рынка беспроводных технологий передачи данных, предъявляющего завышенные требования к линейности и удельной мощности усилителей.
В настоящее время передовые фирмы-изготовители радиочастотных устройств интенсивно развивают и внедряют на рынки новое поколение приборов, основывающихся на технологиях VDMOS (Vertical Diffusion Metal Oxide Semiconductors) - МОП-транзистор с вертикальной диффузией и LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) - МОП-транзистор с боковой диффузией. Данное направление полу-
Е.В.Кузнецов, А.В.Шемякин
проводниковой промышленности относительно молодое - ему около 10-15 лет, появилось оно в период с 1980-1990 гг. как альтернатива используемой тогда биполярной технологии. Если сравнивать эти два типа транзистора с традиционной биполярной технологией, которая до недавнего времени занимала лидирующие позиции в сегменте устройств радиочастотного применения, то можно выявить у транзисторов, выполненных по передовым УВМОБ/ЬОМО Б-технологиям, ряд преимуществ по таким важным параметрам как линейность, усиление, тепловые режимы, устойчивость к рассогласованию, высокий КПД, запас по рассеиваемой мощности, надежность, переключающие свойства, число возможных элементов СВЧ-схемы.
На рис.1 представлены для сравнения типовые сечения транзисторов обоих типов.
а б
Рис.1. Сечение типового биполярного СВЧ-транзистора с БЮе базой (а) и типового и-канального ЬБМОБ-транзистора [7] (б)
Отличия между транзисторами, выполненными по технологиям УОМОБ и ЬБМОБ, существенны, что обусловливает их применение в разных сферах приборостроения. Основные сравнительные результаты этих типов транзисторов представлены в таблице.
Ключевые особенности конструкции и параметров транзисторов, выполненных
по технологиям УБМ08 и ЬБМ08
ЬБМОБ УБМОБ
Контакт к истоку объединен с подложкой и выполнен с нижней стороны кристалла (не выводится отдельно) Контакт к истоку выводится отдельно
В корпусе не производится проволочная пайка к истоку В корпусе кристалла производится проволочная пайка к истоку
Не требуется изоляция на основе ВеО ВеО-изоляция необходима
Высокая эффективность усиления, высокая рабочая частота (более 2 ГГц) Пиковая мощность до 600 Вт, рабочая частота не более 500 МГц
Технология производства с достаточно критичными операциями. В процессе работы прибора возможно рассогласование Технология хорошо воспроизводимая, стабилен в работе
В основном усилия разработчиков для достижения все более улучшенных технических характеристик производимых ЬБМОБ-транзисторов достаточно активно стимулируются расширением рынка, связанного с базовыми станциями сотовой связи. Веду-
