ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

1. Особенности СВЧ микроэлектронных устройств

В диапазон СВЧ микроэлектроника начала внедряться в последнюю очередь, примерно в середине 60-х годов. В первую очередь это связано с трудностью создания твердотельных СВЧ активных приборов. Кроме того, при проектировании и разработке СВЧ микроэлектронных устройств необходимо учитывать очень многие факторы, обусловленные малыми размерами узлов, концентрацией сильных полей в малых объемах, наличием цепей паразитной связи, взаимодействием близко расположенных элементов, трудностью отвода тепла, требованиями к точности изготовления и однородности материалов.

При проектировании микроэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона редко удается разделить электрический расчет схемы, разработку конструкции и даже технологию изготовления. Как правило, это единый процесс.

Для определения параметров микроэлектронного узла СВЧ, строго говоря, необходимо решать граничную задачу электродинамики. Однако даже для регулярных микрополосковых линий, не говоря уже о сложных СВЧ узлах, граничные поверхности имеют сложно форму и волновые уравнения разрешить не удается. Отсюда вытекают требования создания приближенных теорий, различных степеней приближения. Кстати, к настоящему времени строгой теории ни одного микрополоскового устройства нет. Приближенные теории всегда нуждаются в экспериментальной проверке. Поэтому микроэлектронные СВЧ устройства приходится испытывать и настраивать экспериментально.

Несмотря на все эти трудности в развитии микроэлектроники СВЧ диапазона на сегодня имеются заметные успехи. Уже применяются различные твердотельные генераторы и приемники СВЧ. Широкое развитие получили различные микрополосковые устройства: сложные тракты питания, делители мощности, направленные ответвптели и мостовые схемы, частотно-избирательные и невзаимные устройства, фазовращатели, многоканальные коммутаторы и другие узлы радиоаппаратуры СВЧ диапазона. Широко ведутся работы по созданию полностью микроэлектронных РЛС, аппаратуры радиопротиводействия, связных систем и т. д.

Развитию интегральной техники СВЧ диапазона предшествовало освоение полосковых линий передачи, появление тонкопленочной гибридной технологии и разработка твердотельных активных СВЧ приборов, особенно бескорпусных.

Стремление к снижению массы и габаритов аппаратуры привело к развитию техники печатного монтажа. В диапазоне СВЧ появились симметричная и несимметричная полосковые линии с воздушным и диэлектрическим заполнением. Они хорошо переносят ударные нагрузки и вибрацию, просты в изготовлении, их производство можно автоматизировать. Конструкция этих линий позволила применить фотогравирование при изготовлении сложных СВЧ узлов.

На первых этапах развития техники полосковых линий устройства выполнялись на пластинах из фольгированного диэлектрика. Роль механических элементов выполняли сами пластины.

В последующие годы начали широко применять в качестве подложек керамические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. Это привело к значительному уменьшению размеров СВЧ узлов.

Одновременно развивалась полупроводниковая электроника СВЧ. Появились новые активные приборы, работающие в СВЧ диапазоне: диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, СВЧ транзисторы, варакторы, туннельные и переключающие диоды и т. д. Эти приборы позволили решить проблему микроминиатюризации СВЧ аппаратуры на основе техники интегральных схем, улучшить характеристики радиотехнических устройств, повысить их экономичность и надежность.

Использование бескорпусных или малокорпусных активных элементов, встраиваемых непосредственно в пассивную часть схемы, позволило уменьшить паразитные реактивности вводов, улучшить условия согласования активной и пассивной частей схемы.

При достаточно большой функциональной насыщенности каждой схемы существенно сокращается число межсхемных соединений. Отпадает необходимость в большом числе разъемов, что существенно увеличивает надежность устройства. Так, по оценке имеет расчетный срок службы 100 лет. Как показали испытания, при общей наработке в 1 млн. ч в схемах транзисторных усилителей мощности и схемах управления фазой было лишь 3 отказа. Надежность приемопередающего модуля проекта RASSR, представляющего сложное функциональное устройство, характеризуется величиной среднего времени между отказами 30 000 ч.

Важнейшей характеристикой любой аппаратуры является се стоимость. Анализ методов проектирования, изготовления и испытания радиоэлектронной аппаратуры на СВЧ ГИС показывает большие потенциальные возможности снижения ее стоимости при серийном изготовлении.

В стоимость СВЧ аппаратуры входит стоимость активных элементов, интегральных схем, сборки и, если необходимо, корпусирования и испытаний.

Стоимость активных приборов СВЧ непрерывно уменьшается по мере улучшения технологии их производства и объема выпуска.

Стоимость пассивной микросхемы слабо зависит от ее сложности и приблизительно пропорциональна площади занимаемой подложки. Чтобы уменьшить стоимость микросхемы, необходимо ее упрощать и, как следствие, уменьшать число этапов обработки и циклов откачки; уменьшать размеры схемы, используя подложки с большой диэлектрической проницаемостью и улучшая ее топологию; использовать, где это возможно, безвакуумную технологию толстых пленок; применять технологические процессы, для которых существует оборудование массового производства.

Стоимость сборки микросхемы существенно зависит от степени ее автоматизации. Возможности автоматизации, в свою очередь, зависят от конструкции навесных элементов.

В стоимость корпусирования входит стоимость корпуса, герметичных разъемов и процесса герметизации. На стоимость корпусирования существенно влияет функциональная насыщенность устройства, заключенного в корпус.

Относительно большой вклад в стоимость микроэлектронного СВЧ устройства вносят операции его проверки. Отсюда вытекает важность создания высокопроизводительной автоматизированной измерительной аппаратуры.

Как известно, главным методом снижения стоимости аппаратуры является максимальная автоматизация всех технологических процессов изготовления и проверки. Это возможно только при большой программе выпуска. Из опыта известно, что в микроэлектронной технике увеличение выпуска на 3 порядка снижает стоимость одного изделия на порядок.

На существующем этапе развития микроэлектронной техники СВЧ аппаратуре на интегральных схемах присущи и свои недостатки.

Первый из них заключается в энергетических ограничениях. Твердотельные генераторы и усилители СВЧ пока еще имеют относительно невысокий к. п. д., что приводит к выделению значительной мощности внутри твердого тела и, следовательно, к его перегреву. Как известно, даже для кремниевых приборов температура не должна превышать 150 ... 170С, в то время как у электродов вакуумных приборов она может достигать нескольких сотен градусов.

Потери в микрополосковой линии существенно больше, чем у других типов линий. На них трудно осуществлять высокодобротные системы.

Однако эти недостатки не являются принципиальными. По мере разработки новых активных элементов, повышения к. п. д. генераторов и усилителей, развития техники охлаждающих устройств, улучшения характеристик материалов, применяемых в микроэлектронике, она все больше будет продвигаться в области более высоких частот и больших мощностей.

2. Технологические и конструктивные основы СВЧ интегральных микросхем

Интегральные микросхемы СВЧ диапазона могут быть выполнены как в монолитном, так и гибридно-пленочном исполнении.

В качестве материалов подложек применяют высокоомный кремний, полуизолирующий арсенид галлия, керамику с высоким значением диэлектрической проницаемости, а также кварц, ферриты и комбинации перечисленных материалов для составных конструкций.

В настоящее время в СВЧ диапазоне наибольшее практическое применение получили гибридно-пленочные ИС. Отличительной особенностью микросхем данного класса является то, что подложка вместе с металлизацией лицевой (проводник) и обратной сторон образует микрополосковую линию передачи (рис. 2.1).

По конструктивно-технологическим признакам, а также с учетом элементной базы гибридно-пленочные микросхемы СВЧ можно разделить на две основные группы: микрополосковые схемы с распределенными параметрами; пассивные RCL-микросхемы, содержащие сосредоточенные элементы

Микрополосковые схемы с распределенными параметрами.

Первая группа пленочных СВЧ микросхем содержит пассивные элементы (резонансные контуры, подстроечные элементы и др.), выполненные в виде отрезков линий передачи определенной конфигурации. Структура микрополосковой линии передачи зависит от технологии изготовления (рис. 2 2). Иногда проводящий слой микрополосковой линии выполняют без защитного покрытия, если основу проводника составляют пленки благородных металлов, например золота, и без адгезийного подслоя, например, если рабочим слоем служит алюминий.

Рис 1.2 Микрополосковая линия передачи.