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