25_Оригинальные конструктивы ИУР (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2)

Конструктивы интегральных устройств.

Трехмерные конструктивы позволяют соединять горизонтально и вертикально расположенные интегральные схемы.

Рис. Соединение ортогональных ИС.

Ортогональное соединение необходимо для сборки фазированных антенных решеток с подводящими трактами.

В конце 2001 года разработчики фирмы Intel доказали возможность изготовления таких транзисторов с минимальными размерами элементов 15 нм. При этом был сделан вывод, что это предел. Дальнейшее уменьшение размеров физически невозможно. Однако чуть позже решение все-таки было найдено. Был осуществлен прыжок из плоскости в трехмерное пространство (4). Трехзатворный транзистор представляет собой трехмерный прибор, в котором затвором служит приподнятая область с токопроводящими линиями, нанесенными на три ее стороны. Такая структура позволила практически в три раза увеличить область пропускания тока, не занимая при этом лишнюю площадь кристалла. Кроме того, благодаря трехмерной структуре ток утечки у таких транзисторов стал меньше, чем у обычных планарных транзисторов такого же размера.

Сотрудники Шанхайского института оптики и точной механики также ушли от традиционной планарной технологии и разработали принципиально новую технологию изготовления трехмерных микросхем (5). В ходе экспериментов ученые добавили в состав стекла золото в концентрации один к десяти тысячам. Далее, фокусируя короткий лазерный импульс на определенных частях стеклянного блока, смещали атомы золота с их начальных позиций. На завершающем этапе при нагревании до 550 0С получалась сложная пространственная структура из крошечных золотых шариков. На демонстрации возможностей этой технологии было представлено изображение бабочки, состоящее из миллионов крошечных золотых гранул диаметром 7 нм каждая. Разработчики утверждают, что такая нанотехнология может быть использована для формирования проводников, электрических цепей и даже модулей памяти. Использование новых технологий даст возможность уйти от некоторых ограничений, накладываемых на существующие конструкции трехмерных электронных чипов, получаемых послойным наращиванием плоских микросхем, снизить их себестоимость и выпускать объемные элементы в массовом порядке.

Объемные интегральные схемы.

Объемные интегральные схемы (ОИС) аналогичны многослойным печатным платам (МПП). Но керамику невозможно сдавить по аналогии с МПП. Они удобны для схем со множеством пересечений или вводов сигналов, например, контрольного сигнала в многоканальной аппаратуре. Недостатком ОИС является неремонтопригодность.

Металлизированные (земляные) поверхности двухслойных микрополосковых ОИС спаивают или склеивают токопроводящим клеем (контактолом) таким образом, чтобы не оставалось воздушных камер между металлическими поверхностями. На СВЧ эти камеры являются резонаторами и влияют тем больше, чем выше рабочая частота.

Для толстопленочных ОИС можно использовать листы сырой керамики. С ними работают как с обычной керамикой: наносят пасту, формируют отверстия. Затем окончательно отжигают при 800 °С и монтируют навесные элементы.

Для внутренних слоев удобно использовать нетипичную линию передачи – симметричную полосковую. Такие линии хорошо экранированы.

Рис. А - Симметричные полосковые линии: одиночная, связанные торцевой и лицевой связью. Б – Направленный ответвитель с лицевой связью, который может быть сложен из двух микрополоскоых ИС.

Рис. Индуктивности и конденсаторы ОИС.

ОИС предусматривает наложение разноформатных керамических заготовок. При этом образуются внутренние полости или ступенчатые структуры.

Рис. Возможности многослойных ОИС. Ступенчатый вариант.

Рис. Полоснопропускающий фильтр на объемных резонаторах.

Рис. Пятикаскадный усилитель мощности компании Motorola: внешний вид (б), конструкция выходного трансформатора сопротивления (в), характеристики в режиме слабого сигнала (г) и в нелинейном режиме (д).

Рис. Интегральной антенны автомобильного радара, состоящей из 8 стековых излучателей. Такая конструкция позволяет улучшить согласование антенны по входу и до двух раз расширить тем самым рабочую полосу частот.

Рис. Конструкция четырехканального приемного СВЧ-модуля диапазона 5–6 ГГц, каждый канал которого включает интегральную антенну, малошумящий усилитель (МШУ), полосно-пропускающий фильтр (ППФ) для подавления зеркального канала, смеситель с усилителем промежуточной частоты (УПЧ), а также входной 15-децибельный НО. Предназначен для линейки излучателей, являющейся частью двумерной 16-элементной антенной решетки для тестирования беспроводных каналов связи в условиях множественных переотражений сигналов.

Рис. Приемо-передающий СВЧ-модуль для WLAN, состоящего из двух многослойных ИС с установленными в специальные полости активными устройствамию. В одной многослойной структуре реализована стековая печатная антенна , двухзвенный ППФ, ключ на основе микроэлектромеханической структуры (МЭМС), МШУ, генератор сигнала и смеситель приемного канала. Другая многослойная подложка содержит смеситель передающего канала, усилитель мощности и согласующие цепи.

Гибкие интегральные схемы.

Одним из направлений реализации больших гибких электронных устройств является применение малоразмерных элементов.

Деформация типа изгиба или кручения увеличивается к поверхности образца. Только для малоразмерных элементов она не является деструктивной. Балка меньшего диаметра подвержена меньшим касательным деформациям, поэтому может поворачиваться на существенно больший угол.  

Рис. Распределение касательных напряжений при кручении.

Рис. Структура эластичной электроники: сетка растягивающих проводников.

Эффективно использование гибких ИС для переносных радиоустройств, благодаря легкости и возможности складывать устройств большого размера. Для предохранения

чипов используются «сжатые» (stretchable) проводники.

Рис. «Сжатые» проводники.

Рис. Гибкая схема с кремниеыми чипами.

Рис. Однокристальный силиконовый тонкопленочный транзистор (TFT), расположение многочисленных кристаллов на гибком пластиковом основании.

Рис. Однокристальный GaAs транзистор на силиконе, расположение многочисленных кристаллов на гибком пластиковом основании.

Рис. Технологические процессы формирования рисунка на гибком основании: травление фольгированного диэлектрика, нанесение слоев, ламинирование, офсетная печать.

Гибкие антенны. Конструктив удобен для матричных, фазированных антенн дециметрового диапазона. Они легки в транспортировке и по земле и в космосе. Их удобно развертывать в момент связи с объектом с тем, чтобы в остальное время не мешать движению.

Рис. Разложенная антенна и сложенная помещается в рюкзаке.

Рис. Мембранная антенна и ее часть 2 Х 8.

А Б

Рис. А - Схема мембранного радиоэлектронного устройства: на одной мембране – элементы антенны (Patch), на другой – модуль приемо – передатчика (T/R Modules). Связь между мембранами устанавливается через щелевую линию (Slot). Б – Фото установленной «флип – чип» в компланарную линию монолитной интегральной схемы приемо – передающего модуля.

Рис. Фото обратной стороны антенны, связанной через щелевые (Slot) и микрополосковые (Microstrip) линии с приемопередающими модулями (T/R Modules). Сигналы от генераторов подаются через делители мощности (Power Divider).