По решению Международного комитета по радиочастотам сегодня разрешено использование частот до 1000 ГГц. При освоении частот этого диапазона возникли серьезные проблемы при изготовлении оснований из ситалла, поликора, кварца и др. Резко возрастают требования к точности воспроизведения как геометрических размеров этих оснований, так и их электрофизических параметров – диэлектрических потерь и проницаемости. В такой ситуации представляется перспективным использование алюминиевых оснований с диэлектрическим слоем из оксида алюминия.
По решению Международного комитета по радиочастотам сегодня разрешено использование частот до 1000 ГГц. При освоении частот этого диапазона возникли серьезные проблемы при изготовлении оснований из ситалла, поликора, кварца и др. Резко возрастают требования к точности воспроизведения как геометрических размеров этих оснований, так и их электрофизических параметров – диэлектрических потерь и проницаемости. В такой ситуации представляется перспективным использование алюминиевых оснований с диэлектрическим слоем из оксида алюминия.
Тонкие слои оксида алюминия формируются методом электрохимического анодирования, скорость роста до 10 мкм/мин, толщина – от единиц до сотен микрон. Контролируя время и плотность тока анодирования, можно формировать слои оксида с высокой точностью (до ±1%). Алюминиевые основания изготавливаются из широко распространенных промышленных сплавов. Диэлектрическая проницаемость оксида 5–6,5, минимальные потери tgδ < 10-3. При создании СВЧ-устройств на оксидный слой электрохимическим способом (без напыления) осаждается медь толщиной 10–50 мкм. Активные элементы мощных СВЧ-устройств размещаются в окнах, расположенных в слое оксида. Микрополосковые линии передачи на алюминиевых основаниях Основой коммутационных элементов микроэлектронных устройств СВЧ-диапазона служит система микрополосковых линий (МПЛ). В литературе отсутствуют сведения об использовании металлических, в частности алюминиевых, оснований в микроэлектронных устройствах по прямому назначению, т.е. когда само основание используется как заземленная металлическая плоскость.
Для оценки эффективности использования микрополосковых линий передачи на основе пленок алюминия, осажденных на алюминиевых подложках с анодным диэлектрическим слоем, был проведен анализ возможности достижения высоких параметров МПЛ и их зависимости от характерных размеров микрополосковой линии [2]. Основные параметры МПЛ (рис.1) – волновое сопротивление, коэффициент потерь, предельная передаваемая мощность, длина волны и ее дисперсия. В литературе есть уравнения для их расчета, но они громоздки и неудобны. Поэтому в ряде случаев удобнее пользоваться табличными данными. Например, в табл.1 приведены расчетные данные, взятые из [3], для волнового сопротивления и эффективной диэлектрической проницаемости МПЛ с полосками различной толщины. Видно, что для получения заданного волнового сопротивления и повышения степени интеграции (уменьшения ширины полосков) необходимо уменьшить толщину диэлектрического слоя (h). Так, например, для zв = 70 Ом и толщины полоска 50 мкм толщина диэлектрического слоя должна составлять 100 мкм. Естественно, что получение диэлектрического основания такой толщины практически невозможно. Отсюда следует первый очень важный аргумент в пользу металлических оснований: диэлектрический слой в них теряет одну из своих традиционных функций, а именно, функцию несущей части конструкции микросборки СВЧ. Эту функцию начинает выполнять алюминиевое основание, на которое также возлагается и функция металлического экранного слоя (ранее он специально формировался на обратной стороне диэлектрической подложки). Из-за отсутствия экспериментальных данных по параметрам толстых пористых оксидов рассчитать и оценить величину потерь в СВЧ-диапазоне не представляется возможным. Однако величины потерь, определенные экспериментально, в МПЛ на поликоровой подложке и на алюминиевой с анодным оксидом сравнимы [4]. Это второй аргумент в пользу использования алюминиевых оснований в диапазоне СВЧ. Предельная частота волны, распространяющейся в МПЛ, определяется возникновением поверхностной волны в области диэлектрического слоя вдоль границы раздела диэлектрик–воздух. Частота (в гигагерцах), на которой возникают эти паразитные поверхностные волны и до которой возможно использование МПЛ, определяется по формуле [3]: . Предельная частота использования МПЛ увеличивается с уменьшением толщины диэлектрического слоя, а ее на алюминиевых основаниях легко можно варьировать. И это третий аргумент в их пользу. Не менее важным, а в ряде случаев, например, в мощных СВЧ-схемах, самым важным параметром является величина предельной средней мощности, которую можно передать через МПЛ в непрерывном режиме. Эта мощность ограничивается погонными потерями, тепловым сопротивлением материала подложки и допустимыми температурами перегрева материалов основания и полоска. Следует отметить, что если эти потери МПЛ на диэлектрических и алюминиевых основаниях сравнимы по порядку величин, то тепловое сопротивление последних в 10 и более раз меньше и, как следствие, допустимая мощность рассеяния транзисторов возрастает в 2,5 раза. Это очень важно, особенно для случая, когда на подложке монтируются мощные СВЧ активные элементы, отвод тепла от которых становится принципиальным. Все эти доводы, а также тот факт, что металлические основания являются хорошим конструкционным материалом, позволяют сделать вывод о перспективности их использования в микроэлектронных СВЧ-устройствах при повышенных частотах и мощностях. СВЧ-генератор Практическая реализация микрополоскового СВЧ-устройства показана на примере генератора (рис.2). Полупроводниковый кристалл помещен в углубление на алюминиевом основании с диэлектрическим покрытием, к микрополосковой схеме он присоединяется с помощью навесных межсоединений. Технологический процесс создания алюминиевых оснований существенно не отличается от известного [4, 5]. При монтаже корпусных активных элементов в основании сверлились отверстия и производилась ультразвуковая сварка. Если по технологии необходима пайка, то производится никелирование алюминиевых контактных площадок с последующим их лужением. Для контроля выходных электрических параметров использовали комплект приборов – измеритель мощности М3-22 и частотомер Ч2-45 (табл.2). Для исключения влияния нагрузки на работу генератора использовали вентиль с затуханием 20 дБ.
* * * Сравнение характеристик аналогичных генераторов на поликоровой и алюминиевой подложках показало их практическую идентичность, что является обнадеживающим результатом и дает основание сделать вывод о перспективности применения алюминиевых оснований в микроэлектронных СВЧ-устройствах [6]. Литература Кренделев А.Е. Технологические средства изготовления микрополосковых линий для ГИС КВЧ-диапазона. – Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, №4–5, с.33–39. Филатов И.Н., Баркунов О.А., Панасенко П.В. Микроэлектронные СВЧ-устройства. – М.: Высшая школа, 1987. Тюхин М.Ф., Сайхулин В.Х., Ахметов Р.А. Технологические аспекты применения анодных оксидных пленок, сформированных на основе АМг-6 и ИС СВЧ./Тез. докл. республиканской НТК "Анод-88". – Казань, 1988, с.25–26. Сокол В.А. Электрохимическая алюмооксидная технология. – Печатный монтаж, 2010, №4, с.18–20. Сокол В.А., Турцевич А.С., Белоус А.И. Светодиодные устройства на алюминиевом основании. – Электронная промышленность, 2012, №1, с.11–14. Seong-Ho Shin, young-Se Kwon. Selectively anodized aluminum substrates for microwave power module package./Electronic Components and Technology Conference. – Proceedings, 2005, v.55, Issue, 31 May–3 June, v.2, p.1904–1908.