Выпуск #1/2013
В.Сокол, А.Турцевич, А.Белоус
Перспективы использования алюминиевых оснований в СВЧ-устройствах
Перспективы использования алюминиевых оснований в СВЧ-устройствах
Просмотры: 1843
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.
Теги: al substrates microstrip transmission lines microwave generator аl-основание микрополосковые линии передачи свч-генератор
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.
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.
Отзывы читателей
