Диссертация (1137142), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Так ее минимальнаятолщина ограничивается 120 мм, что соответствует минимальномуразмеручастицкерамики.Крометого,ограничиваетсяиминимальный размер между отверстиями в плате – он не может бытьвыполнен менее 250 мм.При разработке микрополосковых СВЧ устройств особоевниманиеуделяетсяопределяетсясогласованиювеличинойлинийволновогопередачи,котороесопротивленияэлектродинамической структуры заданной топологии [2, 12-15, 23]. В28этомслучаемалаядиэлектрическаяпроницаемостьподложкипозволяет увеличить ширину микрополоскового проводника, а значит,снизить потери мощности принимаемого или передаваемого сигнала.Кроме того, изготовить более широкие проводники технологическизначительнопроще.Этотфактобеспечиваетзначительноепреимущество фторопластовых оснований по сравнению с другимидиэлектрическими подложками.

В таблице 1.2 приведена зависимостьширинымикрополосковыхдиэлектрическойпроводниковпроницаемостиподложекотдлятолщиныиобеспеченияволнового сопротивления 50 Ом [21].Таблица 1.2 – Зависимость ширины проводника от толщины идиэлектрической проницаемостиТолщина материалаоснования, мм0,050,050,0750,0750,10,10,1250,125Диэлектрическаяпроницаемостьматериала основания4,52,24,52,24,52,24,52,2Ширина проводника,мм0,0840,1420,1300,2180,1780,2980,2260,376Благодаря сходству технологий производства печатных плат изстеклотекстолита FR4 и тефлона, практический интерес представляетсоздание многослойных плат, содержащих слои из обоих материалов.При этом в рамках одного комплексного радиотехническогоустройства, СВЧ блоки могут быть выполнены на участках платы сфторопластовым основанием, а НЧ узлы на участках платы изстеклотекстолита.

Это позволит в целом удешевить конструкциюустройства и обеспечить целостность информативного сигнала.Несмотря на значительные преимущества, печатные платы нафторопластовом основании имеют и ряд недостатков. Так известны29исследования, проведенные компанией Arlon [24], показавшие, чтокоэффициент рассеяния таких печатных плат существенно изменяетсяпод воздействием температуры и влажности, что в конечном итогеможетпривестикухудшениюстабильностиэлектрическихпараметров и характеристик устройств.

Также отмечена зависимостьнакопления такой платой влаги от количества выполненных отверстий– чем их больше, тем больше влаги способна накопить плата. А это, всвою очередь, приведет к расслоению участков платы, образованиювздутий, трещин и деформаций.Другим недостатком печатных плат на основе фторопластаявляется так называемый эффект переплетения (Weave effect) [22, 25].Он заключается в неравномерности заполнения тефлоновой основынаполнителем из стекловолокна и керамики, что ведет к изменениюдиэлектрическойпроницаемостиплатывцелом,ухудшениюдисперсионных свойств и выходных характеристик СВЧ модуля.

Этоособенно важно учитывать при необходимости уменьшения толщинслоев многослойной платы для разработки устройств миллиметровогодиапазона.1.3.2 Печатные платы на керамическом основанииВ настоящее время проектирование микрополосковых устройствСВЧосуществляетсянабазекерамическихподложек,представляющих собой многослойные структуры, выполненные сиспользованиемтехнологийвысокотемпературногоилинизкотемпературного обжига [26].Для создания изделий микроэлектроники широко используетсятехнология HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) – на основе30высокотемпературной керамики, спекаемой за одну технологическуюстадию.

К преимуществам технологии HTCC можно отнести высокуютеплопроводностьпрочность,аматериалатакжеоснованиястабильностьимеханическуюэлектрическихпараметровустройств (рисунок 1.5) [27 - 29].Для изготовления подложек используется либо алюмоксиднаякерамика с 92% содержанием Al2O3, либо нитрид алюминия,обладающий почти на порядок большей теплопроводностью (100170 Вт/м°С) по сравнению с оксидом алюминия (20-30 Вт/м°С).Спекание слоев оксида алюминия в технологии HTCC происходит притемпературе около 1600°С.Рисунок 1.5 - Изделия микроэлектроники, изготовленные сприменением технологии HTCCДиэлектрические свойства керамики, изготовленной по НТССтехнологии, приведены в таблице 1.3.31Таблица 1.3 - Диэлектрические свойства керамической основы HTCCподложекПараметрДиэлектрическаяпроницаемостьчастоте 10 ГГцДиэлектрическаяпроницаемостьчастоте 30 ГГцТангенс угла диэлектрических потерьчастоте 10 ГГцТангенс угла диэлектрических потерьчастоте 30 ГГцДиэлектрическая прочностьнаЗначение9,2на9,2на0,003на0,00411,6 кВ/мм; 295 В/милДля создания топологического рисунка платы используютсявысокотемпературные пасты на основе вольфрама и молибдена,обладающие худшей электропроводностью по сравнению с широкоиспользуемыми в СВЧ диапазоне золотом и серебром.

Удельноесопротивление проводника из молибдена – 5,2, а из вольфрама –5,5 мкОмсм против 1,6 и 1,7 мкОмсм для проводников из серебра имеди соответственно. Применение таких паст приводит к увеличениюгруппового времени задержки сигналов и потерям их мощности, чтозатрудняет использование НТСС технологии в диапазоне СВЧ.

Тем неменее, известны экспериментальные данные, указывающие навозможностьтехнологии,примененияначастотахизделий,доизготовленных24 ГГц,априпотакойсоблюденииконструкторских и топологических требований – на частотах до30 ГГц [27].Однако наибольшие перспективы в СВЧ диапазоне имеет методнизкотемпературного совместного обжига керамической подложки исхемы (LTCC - Low Temperature Co-fired Ceramics) [3, 4].Температурный профиль обжига показан на рисунке 1.6 [30].32Рисунок 1.6 - Температурный профиль обжига керамических подложек потехнологии LTCCК основным преимуществам создания многослойных структур спомощью LTCC технологии, последовательность операций которойпредставлена на рисунке 1.7, следует отнести [31- 33]:Рисунок 1.7 - Последовательность технологических операций,выполняемых при производстве многослойных структур методом LTCC33 возможность создания печатных структур с количеством слоевдо 70; возможность обеспечения расстояния проводник-зазор 60 мкм, апри струйном нанесении токопроводящих паст до 30 мкм; возможность уменьшения массогабаритных размеров изделий засчет создания внутренних пассивных компонентов схем; возможность обеспечения минимальных потерь сигнала начастотах до 60 ГГц за счет минимизации влияния реактивностей– паразитных индуктивностей и емкостей; возможность обеспечения эффективного теплоотвода прирабочих температурах до 350 0С за счет создания матрицыканалов, заполненных термопроводящей пастой; возможностьобеспечениялинейногокоэффициентатермического расширения (КТР), близкого к КТР кремния иарсенида галлия; экономичное производство и сокращение производственногоцикла по сравнению с традиционными толстопленочнымитехнологиями.На рисунке 1.8 показано сравнение габаритных размеровустройства на двухсторонней печатной плате 20х20 мм и весом 0,8 г.и устройства, выполненного по технологии LTCC – 7х7 мм,вес 0,2 г.

[34, 35].Рисунок 1.8 - Сравнение габаритных размеров устройства надвухсторонней печатной плате и устройства, выполненного по технологииLTCC34Основныехарактеристикиипараметрымногослойныхкерамических плат, выпускаемых в настоящее время известнымипроизводителями по технологии LTCC, сведены в таблицу 1.4 [36].Таблица 1.4 - Характеристики и параметры керамических плат потехнологии LTCCХарактеристикиМатериалDuPontGreenTape943GreenTape951HeraeusХимическийсостав,%76Al9Ca7,5Ti42Al47Si7CaТолщинапосле обжига,мкмЭлектрическиеrtg   10Тепловые3МеханическиеТеплопроводно Модульсть, Вт/(мК) Юнга, ГПа7,5 на 101,0на 10 ГГцГГц36; 96; 130; 7,8на 101,5 на 10 ГГц216ГГц107; 217Прочностьна изгиб,МПа4,41492303,0152320-310-200921708216020,3; 40,6;78,7; 104,1;203,29,1 на2,0 на 2,5 ГГц2,5 ГГц3,052Al28Si8,5Ca6Ti-927,3 на2,6 на 2,5 ГГц2,5 ГГц3,0A6-M48Si47Ca93; 1852,0A6-S-98; 1915,9 на 102,0на 10 ГГцГГц6,0 на 102,5 на 10 ГГцГГцCeramTecCeramTapeGCNikko-507,9 на 12,0 на 1 МгцМГц2,2-170AG350Al + 50Si40; 80; 100;1407,1 на 13,0 на 1 МГцМГц-80-HeratapeCT2000HeratapeHL2000Ferro2,0В таблице 1.5 представлены основные параметры «зеленыхлистов» - керамических лент, представляющих собой основу дляпоследующего изготовления многослойныхпечатных структур.Анализ и сравнение величин в таблице 1.5 позволяет сделать вывод одовольно сильном разбросе параметров керамических материалов.Поэтому разработчики микрополосковых СВЧ устройств должныобеспечить правильный выбор диэлектрических, механических и35тепловых свойств, для их последующей эффективной работы взаданном диапазоне частот [37, 38].Таблица 1.5 - Параметры материалов керамических подложекПараметрТолщина единичного слоя после обжига, мкмПрочность на изгиб, МПаМодуль Юнга, ГПаЛинейный коэффициент температурногорасширения, х10-6/КТеплопроводность, Вт/мК1 МГцДиэлектрическая2 ГГцпроницаемость начастоте10 ГГцЗначение20,3…217160…32082…1525,3…8,01,2…3,54,5…165,6…11,75,9…9,11 МГц2 ГГц10 ГГцТангенс угладиэлектрических потерьна частоте2,0…4,0…1,0…2,0Несмотря на отмеченные достоинства, в базовом вариантетехнологияимеетLTCCдваосновныхнедостатка.Первымнедостатком является усадка керамики в процессе обжига во всех трехизмерениях, что ограничивает размер печатных плат и усложняетпроцесс их последующей обработки.

Вторым и более важнымнедостатком является необходимость монтажа дополнительноготеплоотвода для отдельных компонентов схемы, осуществляемогопосле обжига [26, 39 - 41].Указанные недостатки могут быть устранены с помощьюусовершенствованной LTCC – технологии на металле (LTCC-M), прикоторойспециальносоставленнаямногослойнаякерамическаяструктура помещается на металлический носитель или каркас [40]. Врезультате, в процессе обжига фактически не происходит усадкиструктурыпоплоскостиподложки.Поперечноесечениеодносторонней LTCC-M печатной платы показано на рисунке 1.9. Длякаркаса могут быть использованы несколько систем – одна,обеспечивающая максимальный теплоотвод, на основе слоев медь-36молибден-медь, а другая - на основе ковара.

Обе системы имеют КТР,сравнимыйсКТРарсенидагаллия,чтодопускаетмонтажнегерметизированного кристалла непосредственно на теплоотвод.Рисунок 1.9 - Поперечное сечение односторонней LTCC-M платыИспользование LTCC-М – технологии позволяет освоить ипроводить комплексную интеграцию приемопередающих систем,включая микрополосковую схему и антенный модуль [40, 41].Следует отметить, что двусторонняя печатная плата может бытьспроектирована таким образом, что излучающие структуры и СВЧэлементы, включая микрополосковую антенну, расположены наверхней стороне платы, а низкочастотные элементы и устройствасопряжения – на нижней (рисунок 1.10).Рисунок 1.10 - Интегральный приемопередающий LTCC-M модуль:1 – низкочастотные элементы, 2 – компоненты с поверхностныммонтажом в корпусе, 3 – активные интегральные элементы СВЧ37Сравнительные характеристики и параметры многослойныхпечатных плат, выполненных по разным технологиям, сведены втаблицу 1.6 [40].Таблица 1.6 – Характеристики и параметры различных основанийпечатных платХарактеристикаLTCCM наковареLTCC-M LTCCнаCu-Mo-СuКерами- Фторопласт с Стекловолокка (96%) наполнителем но FR4из керамикиГабариты, см40x4040x4015x1515x1560x6060x601702-324,70,611,71,7 - 2413(до 400ºС)(до 400ºС)300ºС)5,88,2(до(до 400ºС) (до400ºС) 400ºС)Диэлектрическаяпостоянная6 на15 ГГц5,5 на15 ГГц7,8 на2 ГГц6,15 на 15 ГГц 5,4 на 15 ГГцТангенс угладиэлектрических0,0015на15 ГГц0,0005 на15 ГГц0,0020,001 нана15 ГГц16 ГГц0,0025 на15 ГГц0,032 на15 ГГц0,3 на12 ГГц0,17 на12 ГГц0,2-0,5 0,25 нана12 ГГц12 ГГц0,4 на 12 ГГц1,5 на 12 ГГцТеплопроводность, 40Вт/м ºСКоэффициентлинейногорасширения, 106 /6,7(до5,5ºСпотерь при 25ºСВЧ - потери, дБ9 на15 ГГц1.3.3 Гибкие печатные платы на основежидкокристаллических полимеровНекоторую альтернативу многослойным печатным платам,выполненным с помощью технологии LTCC, составляют гибкиепечатные платы на основе жидкокристаллических полимеров (ЖКП)[3-5, 42].

Характеристики

Список файлов диссертации