Главная Промышленная автоматика.

Металлизащ1я диэлектрической подложки осуществляется с использова-шем толстопленочной или тонкопленочной технологии. Первый подход Г)ычно основывается на методе шелкографии, в котором применяются различные проводящие пасты, выдавливаемые через специальные сетчатые 1 рафареты на подложку с последующим вжиганием их в подложку. В случае юнкопленочной технологии металл наносится на подложку, например, ме-юдом термического распыления в вакууме, а конфигурацию микрополосковой линии получают с использованием технологии фотолитографии. В по-леднем случае металлизационный слой состоит из тонкого металлического 1-лоя, имеющего хорошую адгезию к подложке (например, слой хрома или нихрома толщиной около 20нм), и основного слоя металла (толщиной не-.-колько микрометров), имеющего низкое удельное сопротивление (например, медь с Ро = 1,7 • 10"* Ом -см или золото с ро = 2,44 10"* Ом см) . При этом чаще используется золото из-за более высокой стойкости к окис-1ению. Толщину полоскового проводника выбирают равной примерно нескольким толщинам скин-слоя для минимизации потерь. Поскольку толщина скин-слоя (Лц = \J~Pol{Tiflo)) обратно пропорциональна корню квадрат-кому от частоты, то толщина металлизационного слоя на низких частотах должна быть определенным образом увеличена.

Толстопленочная технология наиболее применима для изготовления широкой номенклатуры микрополосковьсх схем, применяемых на частотах до диапазона 8-12,5 ГГц. К основным их недостаткам по сравнению с тонкопленочными схемами можно отнести более высокие потери и существенно меньшую разрешающую способность из-за особенностей, присущих данному технологическому методу создания металлических слоев. В диапазоне 8-12,5 ГГц типичная постоянная затухания для микрополосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом и толщиной подложки 0,63 мм оценивается для толстопленочной технологии величиной 0,24 дБ/см по сравнению с 0,09 дБ/см для тонкопленочных схем. Ширина микрополосковых линий и расстояние между ними в случае толстопленочной технологии имеют ограничения по минимуму в 120 и 80 мкм соответственно, в то время как для тонкопленочных схем эти величины составляют примерно 20 мкм. Именно по этой причине для создания микрополосковых схем, работающих на частотах 8 - 12,5 ГГц и выше, используется исключительно тонкопленочная технология.

Для изготовления специальных микрополосковых схем наряду с кварцем и керамикой на основе А12 0з используется большое разнообразие диэлектрических материалов. К ним можно отнести ферриты (требуются для создания невзаимных устройств типа циркуляторов, применяемых, например, в усилителях отражательного типа), материалы на основе окиси бериллия (отличаются высокой теплопроводностью и часто используются в микрополосковых усилителях на биполярных транзисторах), шпинель и сапфир. Когда требуются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (20<е< <150), можно применять рутил, различные титанаты [117] и другие более редкие диэлектрики. В случае разработки полупроводниковых интегральных микросхем возможно применение высокоомного кремния и полуизолирую-



щего арсенида галлия, легированного хромом. Среди них необходимо упомянуть материалы, которые наиболее важны для создания схем на GaAs ПТШ и к которым вернемся позднее: кварц (е = 3,8), керамика на основе AI2O3 (б = 9,7), сапфир (бц =11,5, е=9,6), -полуизолирующий GaAs, легированный хромом (е = 13) [38].

Электрические характеристики микрополосковых линий, выполненных на этих четырех материалах, приведены в табл. 14.6. Керамика на основе А!2 0з наиболее популярна из-за применимости в СВЧ интегральных микросхемах и высокой технологичности. Среди ее характеристик необходимо отметить относительную дешевизну, прочность, стабильность параметров, высокую относительную диэлектрическую проницаемость, которая зависит от технологии изготовления и чистоты исходного материала и составляет 9- 10,2. Кроме того, при необходимости получения подложек с круглыми или квадратными отверстиями последние могут быть легко изготовлены методом штамповки, осуществляемой на этапе до проведения отжига, когда материал еще не приобрел окончательную твердость. Таблица 14.6. Характеристики микрополосковых линий на различных подложках

Наименование материала

Кварц

Керамика

Сапфир

Арсенид гал-

Структура материала

Плавленый

99%Alj03

Монокристалл

Монокрис-

тал1г полуизо-

лирующий, ле-

гированный Сг

-9,7

ei =9,4

ем =11,6

13,0

tgs.io-

< 1

< 1

2,97

6,64

WlH*

0,96

0,86

0,78

Х74,мм (/ = 10 ГГц)*

4,34

2,90

2,74

2,67

С» (/ = 10 ГГц)

420*

300*

380**

70 - 100*

аХ= 8,686 7г/2,дБ

I 0,065

0,091

0,072

0,27

6Я, мкм

1 0,05

0,05

0,005

0,05

, мм

0,64

0,51

Структура микрополос-

1 Ni-Ph,Au

Сг, Аи

Сг, Ли, Си

ковой линии:

подслой

100 нм

20 нм

20 нм

основной слой

7 мкм

7,5 мкм

3 мкм

1,5 мкм

Примечание; е - относительная дизлектрическая проницаемость; зфф - эффективная диэлектрическая проницаемость; tg 6 ~ тангенс угла диэлектрических потерь; \ длина волны в микрополосковой линии; Q - добротность; Н /Я - отношение ширины микрополосковой линии к толщине подложки; а Л. - затухание на длине волны.

* Дзя ,0 = 50 Ом.

**Для р = 20 Ом.



После соответствующей механической обработки (шлифовка, полировка) подложки из керамики на основе AI2O3 имеют разброс по толщине, не превышающий 0,05 мкм, что обеспечивает выполнение необходимых требований для применения в СВЧ ИС. Характеристики сапфира, представляющего собой , монокристалл окиси алюминия, аналогичны характеристикам керамики на: основе AI2O3.

Для применения в СВЧ ИС сапфир имеет определенные преимущества перед керамикой на основе AI2O3. Они связаны с возможностью подучения в подложках хорошо повторяемых электрических характеристик и практически идеальной, сравнимой с удовлетворяющей требованиям к оптическим приборам поверхностью. Однако кристалл сапфира анизотропен, что приводит к различию относительной диэлектрической проницаемости вдоль оптической оси (ец) и перпендикулярно к ней (ej), причем ej>6j [161].

С учетом этого сапфировые подложки имеют специальную ориентацию и обычно оптическая ось направлена перпендикулярно поверхности подложки. Если ось у направить вдоль оптической оси, а оси д: и г - вдоль подложки, то бу =е =11,6 6 =е = =9,4. Ддя проектирования микрополосковых цепей на сапфировых подложках такого типа можно определить эквивалентную относительную диэлектрическую проницаемость учитывающую эффект анизотропии и зависимость W/Я [161]. В табл. 14.6 указана ее величина (ё = 11,1), которая соответствует микрополосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом {W/H = 0,S6), выполненной на сапфировой подложке указанной ориентации.

Кварц является более хрупким материалом, чем керамика на основе ,\12 0з, но он имеет определенные преимущества на высоких частотах (10 ГГц</<30ГГц) из-за меньшей относительной диэлектрической про-нип,аемости (е = 3,8) . Его применение позволяет получить большие размеры схемы (длина волны в кварце примерно в 1,5 раза больше, чем в керамике на основе AI2O3) и меньшие потери. Последнее объясняется тем, что для то-I о же волнового сопротивления ширина микрополосковой линии будет больше (как это следует из рис. 14.28), а качество обработки поверхности кварца может быть существенно выше, чем у керамики на основе AI2O3 (разброс по толщине подложки из кварца не превышает 0,03 мкм).

Арсенид гатшия полупроводниковых интегральных микросхем является также подходящим материалом для использования в качестве подлож- ки микрополосковых линий. Обычно GaAs ПТШ изготавливается в областях полупроводника с высокой проводимостью. В противоположность этому пассивные элементы (в том числе и микрополосковые линии) формируются на изолирующей подложке. Удельное сопротивление полуизолирующих высококачественных подложек оценивается примерно в 70 000 Ом - см.

При проектировании микрополосковых схем важно определить области возможных значений волнового сопротивления и вносимых потерь при конкретной реализации микрополосковых линий на различных подложках. Для этого можно воспользоваться данными, приведенными в табл. 14.7, относящимися к определенному значению отношения WlH (волновое сопрогивление равно 50 Ом), относительной диэлектрической проницаемости и





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [99] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0039