Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние развития и представления о ГИС и МСБ СВЧ - диапазона на период начала работы 17
1.0 Введение 17
1.1 Иерархия РЭА и место ГИС и МСБ в ней 17
1.2 Компоновочные структуры микроэлектронной аппаратуры 19
1.3 Определения и классификация 22
1.4 Материалы конструктивов 23
1.5 Надежность ГИС и МСБ 27
1.6 Анализ существующих конструкторско-технологическнх решений СВЧ ГИС и МСБ. 27
1.6.0 Теплопроводность материалов для ГИС СВЧ 27
1.6.1 Конструкции СВЧ ГИС и МСБ с размещением ПП на поверхности платы 27
1.6.2 Конструкции ГИС и МСБ с размещением кристаллов ПП на металлических основаниях или металлических подложках 29
1.6.3 Конструкция ГИС и МСБ с теплопроводящими столбиками в плате под тепловыделяющими элементами 31
1.6.4 Конструкция ГИС и МСБ с принудительным охлаждением и непосредственным контактом тепловыделяющих элементов с хладоагеитом 37
1.6.5 Конструкция ГИС и МСБ с размещением кристаллов ПП в сквозных отверстиях платы 37
1.6.6 Конструкция ГИС и МСБ с размещением кристаллов ПП в углублениях плат 39
1.6.7 Конструкции многослойных ГИС и МСБ 40
1.7 Анализ влияния конструктивного исполнения на параметры СВЧ - устройств 43
1.7.1 Конструкции генераторов СВЧ 43
1.7.2 Конструкция ГИС и МСБ усилителей мощности 51
1.8. Влияние производственных процессов на характеристики СВЧ - устройств 55
1.8.1 Анализ производства микрополосковых плат (МПП) для ГИС и МСБ СВЧ 55
1.8.2 Анализ технологических потерь и видов брака при сборке СВЧ - устройств 58
1.8.3 Состояние разработки структуры металлизации МПП ГИС СВЧ 59
1.8.4 Перспективы оптимизации структуры металлизации МПП 64
1.9 Заключение 67
Глава 2 Формирование первого уровня направлении развития ГИС СВЧ - диапазона 70
2.0 Введение 70
2.1 Направление оптимизации структуры и технологии изготовления проводников МПП ГИС СВЧ-диапазона
2.1.1 Разработка, оптимизация и стандартизация типоразмеров МПП и структуры их металлизации 71
2.1.2 Оптимизация структуры металлизациии МПП 74
2.1.3 Зависимость прочности сварных соединений от структуры полосковой линии и режимов её термообработки 74
2.1.4 Оптимизация структуры металлизации плат ГИС СВЧ для бесфлюсовой сборки. 74
2.1.5 Исследование состава алмазоподобных пленок углерода используемых в изелиях микроэлектроники 74
2.1.6 Исследование потерь в микрополосковых линиях с многослойной структурой металлизацией плат для ГИС СВЧ диапазона 85
2.1.7 Совершенствование конструкции и технологии микрополосковых линий ГИС СВЧ 97
2.1.8 Выводы 110
2.2 Направление совершенствования конструкции и технологии изготовления конденсаторов ГИС СВЧ-диапазона 111
2.3 Направление использования объёма и материала подложки МПП для размещения компонентов ГИС СВЧ - диапазона 126
2.3.1 Исследование влияния паразитных параметров на электрические характеристики СВЧГИСиМСБ 126
2.3.2 Исследование возможности улучшения тепловых характеристик СВЧ ГИС и МСБ за счёт заглубления компонентов в МПП 126
2.3.3 Улучшение массогабаритных показателей СВЧ ГИС и МСБ новой разработки 126
2.4 Направление использования металлических вставок в подложку МПП ГИС СВЧ - диапазона 126
2.5 Направление совершенствования конструкции и технологии внутрисхемных соединений ГИС СВЧ - диапазона 137
2.5.1 Применение выводных рамок в ГИС СВЧ усилителя мощности СВЧ-диапазона 137
2.5.2 Эффективность применения плоских внутрисхемных соединений в ГИС СВЧ - диапазона 143
2.5.3 Оптимизация геометрии плоских балочных выводов компонентов ГИС СВЧ диапазона 153
2.5.4Дальнейшее совершенствование геометрии плоских балочных выводов компонентов ГИС СВЧ - диапазона 166
2.5.5 Улучшение электрических характеристик элементов приемопередающего модуля СВЧ - диапазона 171
2.5.6 Использование плёночного носителя для изготовления внутрисхемных соединений ГИС СВЧ-диапазона 181
2.5.7 Совершенствование технологии изготовления ГИС СВЧ - диапазона с плоскими балочными внутрисхемными соединениями 193
2.5.8 Выводы 206
2.6 Направление формирования встроенных в подложку индивидуальных систем теплоотвода от тепловыделяющих компонентов и элементов ГИС 208
2.6.1 Оценка и исследование тепловых характеристик фрагментов ГИС и МСБ с тепловыделяющими пассивными элементами 208
2.6.2 Оценка и исследование тепловых характеристик фрагментов ГИС и МСБ с тепловыделяющими активными компонентами 217
2.6.3 Заключение и выводы 226
2.7 Направление совершенствования конструкции и технологии ГИС выводов энергии электронных устройств 228
2.8 Технологическое направление первого уровня развития ГИС СВЧ - диапазоа 228
2.8.1 Групповая технология изготовления МПП 228
2.8.2 Технология фрезерования алюмооксидных подложек МПП 238
2.8.3 Технология изготовления МПП для первого уровня направлений развития ГИС 238
2.8.4 Технология изготовления выводных рамок плоских балочных выводов 238
2.8.5 Технология сборки ГИС первого уровня направлений развития 242
2.8.6 Выводы 244
Глава 3 Формирование второго уровня направлений развития ГИС СВЧ - диапазона 247
3.0 Введение 247
3.1 Направление создания сложных комплексных систем теплоотвода от тепловыделяющих компонентов и элементов ГИС 247
3.1.1 Эффективность сложной системы теплоотвода от тепловыделяющих компонентов ГИС 247
3.2 Направление создания двухкристалыюго составного ПТШ и его использование для сложения мощности в усилителях мощности 252
3.2.1 Новая концепция сложения мощности кристаллов ПТШ в ГИС усилителей мощности СВЧ - диапазона 252
3.2.2 Анализ возможности теплоотвода при двухъярусном расположении кристаллов транзисторов в ГИС СВЧ - диапазона 263
3.2.3 Простой инженерный метод расчета дополнительного теплоотвода в ГИС СВЧ 283
3.2.4 Подавление паразитной генерации в ГИС СВЧ усилителей мощности 292
3.2.5 Тепловой анализ работы мощной ГИС с интегральным теплоотводом от кристаллов полупроводниковых приборов 296
3.2.6 Составной транзистор для усилителей мощности СВЧ - диапазона 318
3.2.7 Эффективность применения двухкристалыюго составного ПТШ в усилителе мощности 326
3.2.8 Заключение 332
3.3 Направление размещения группы кристаллов компонентов в фигурных сложнопро-фильных углублениях в подложке МПП 334
3.4 Направление создания полумонолитных (квазимонолитных) интегральных схем СВЧ-диапазона 339
3.5 Направление создания промежуточных монтажных уровней внутри подложки МПП. 339
3.6 Направление создания объемных многослойных ГИС СВЧ - диапазона 339
3.6.1 ОИС СВЧ с размещением заглубленных компонентов во внутренних слоях многослойных МПП 339
3.6.2 Устройство контроля диэлектрической проницаемости среды с датчиком на основе ОИС СВЧ 339
3.6.3 Конструкция ГИС приёмопередающего модуля АФАР СВЧ - диапазона 339
3.7 Направление увеличения степени интеграции навесных компонентов ГИС СВЧ - диапазона 347
3.8 Конструкторско - технологическое направление создания микрополосковых гибридных вакуумных устройств 349
3.9 Направление корпусирования ГИС СВЧ - диапазона 349
3.9.1 Корпус — крышка для корпусирования ГИС 349
3.9.2 Корпусирование ГИС СВЧ - диапазона 349
3.10 Технологическое направление второго уровня развития ГИС СВЧ - диапазона 349
3.11 Заключение 349
Глава 4 Формирование третьего уровня направлений развития ГИС СВЧ - диапазона 351
4.0 Введение 351
4.1 Направление эволюционного последовательного развития конструкции и технологии ГИС СВЧ - диапазона 351
4.1.1 Эволюция развития конструкции типовых фрагментов ГИС СВЧ - диапазона 351
4.1.2 Совершенствование конструкции и технологии типового фрагмента ГИС СВЧ - диапазона 359
4.1.3 Совершенствование конструкции ГИС малошумящего усилителя СВЧ-диапазона.366
4.2 Направление развития техники компоновочных структур МЭА (РЭА) на базе ГИС СВЧ -диапазона 376
4.3 Направление применения новых материалов в технике ГИС СВЧ-диапазона 376
4.3.1 Перспективы применения новых материалов в ГИС СВЧ 376
4.3.2 Конструкция фильтра СВЧ с элементами из высокотемперетурных сверхпроводящих материалов 378
4.3.3 Конструкция встроенного в подложку ГИС СВЧ - диапазона теплоотвода от тепловыделяющего компонента 382
4.4 Технологическое направление третьего уровня развития ГИС СВЧ 401
4.5 Заключение 404
Глава 5 Завершающий этап формирования и систематизации направлений развития техники ГИС СВЧ-диапазона 406
5.0 Введение 406
5.1 Направление применения достижений нанотехнологии в ГИС СВЧ — диапазона 407
5.2 Направление экономии пространства изделий электронной техники на базе ГИС СВЧ 418
5.3 Соответствие развития техники ГИС СВЧ - диапазона комплексной микроминиатюризации РЭА 421
5.4 Система конструкторско - технологических направлений развития техники ГИС СВЧ - диапазона 423
5.5 Результаты практической реализации исследований, выполненных в диссертационной работе 433
5.6 Выводы 438
Заключение 439
Используемая литература: 442
Приложения 480
Приложение А 480
Приложение Б 482
Приложение В 489
Приложение Г 592
Приложение Д 595
Приложение Е 518
Приложение Ж 528
Приложение И 532
Приложение К 552
Приложение Л 577
Приложение М 582
Приложение Н 599
Приложение П 612
Приложение Р 616
Приложение С 618
Приложение Т 648
Приложение У 659
Приложение Ф 671
Приложение X 675
Приложение Ц 681
Приложение Ш 687
Приложение Щ 696
Приложение Э 704
Приложение Ю 711
Приложение Я 714
Приложение 1А Справки об экономической эффективности работы по созданию групповой технологии изготовления МПП 725
Приложение 1В Акты внедрения результатов, проведенной работы 746
- Конструкции генераторов СВЧ
- Использование плёночного носителя для изготовления внутрисхемных соединений ГИС СВЧ-диапазона
- Конструкция ГИС приёмопередающего модуля АФАР СВЧ - диапазона
- Направление применения достижений нанотехнологии в ГИС СВЧ — диапазона
Конструкции генераторов СВЧ
Последние годы полупроводниковые СВЧ - генераторы повышенной выходной мощности находят применение в РЭА в качестве автономных генераторов и гетеродинов в наземной и бортовой РЭА, в частности и радиорелейных станциях связи, доплеровских измерителях угла сноса смещения и скорости полета летательных аппаратов, ракетной и измерительной технике и т.д. Достигнутые успехи, обусловленные применением полупроводниковых СВЧ-генераторов повышенной мощности в бортовой РЭА, объясняются прежде всего их высокими надежностью и миниатюризацией (применяемыми массогаба-ритными характеристиками), а также низким питающим напряжением, малым энергопотреблением, безинерционностыо действий[46]. Однако, из-за, ограниченного интервала допустимого изменения температуры окружающей среды (-50...+60С) и необходимости эффективного отвода тепла от приборов при повышенных температурах окружающей среды в течение продолжительного времени ( 103ч) полупроводниковые СВЧ-генераторы повышенной мощности наиболее предпочтительны в наземной РЭА. На рис. 1.7.1.5.(а, б) представлены электрическая схема и конструкция генератора. Наличие в схеме варакторного диода позволяет проводить электрическую перестройку частоты в пределах 3 МГц. Такая конструкция генераторов обеспечивает высокую устойчивость к жестким механическим и климатическим воздействиям. Корпус генератора выполнен из сплава 32НКД и обеспечивает эффективный отвод тепла от транзистора и высокую термостабильность частоты. Теплопроводящая пластина разделяющая СВЧ и НЧ полости корпуса изготовлена из меди. В верхней (СВЧ) полости расположены: транзистор например ЗП603) и сдвоенные соосно расположенные миниатюрные термостабильные высокодобротные диэлектрические резонаторы (ДР) (Q=4000...5000), изготовленные из керамики марки 2БТ9 [47...49], поликоровые пластины с, например ЗП603) и сдвоенные соосно-расположенные миниатюрные термостабильные высокодобротные диэлектрические резонаторы (ДР) (Q=4000...5000), изготовленные из керамики марки 2БТ9 [47...49], поликоровые пластины с микрополосковыми элементами. В нижней (НЧ-полости) располагаются навесные сопротивления, микросхемы и т.д. стабилизатора напряжения. Такое конструктивное исполнение генераторов без принудительного охлаждения обеспечивает надежную их работу при изменении температуры окружающей среды от -60 до +60С с минимальной нара-боткой на отказ более 5x10 ч. Тепловой режим полупроводниковых приборов является одним из основных факторов, определяющих возможность миниатюризации СВЧ генераторов. Для приведенной выше-конструкции генератора в работе [50] определен комплексный параметр миниатюризации и тепло -механическим и климатическим воздействиям. Корпус генератора выполнен из сплава 32НКД и обеспечивает эффективный отвод тепла от транзистора и высокую термастабильность частоты. Теплопроводящая пластина разделяющая СВЧ и НЧ полости корпуса изготовлена из меди. В верхней (СВЧ) полости расположены: транзистор например ЗП603) и сдвоенные соосно-расположенные миниатюрные термостабильные высокодобротные диэлектрические резонаторы (ДР) (Q=4000...5000), изготовленные из керамики марки 2БТ9 [47...49], поликоровые пластины с микрополосковыми элементами. В нижней (НЧ-полости) располагаются навесные сопротивления, микросхемы и т.д. стабилизатора напряжения. Такое конструктивное исполнение генераторов без принудительного охлаждения обеспечивает надежную их работу при изменении температуры окружающей среды от -60 до +60С с минимальной наработкой на отказ более 5x10 ч. Тепловой режим полупроводниковых приборов является одним из основных факторов, определяющих возможность миниатюризации СВЧ генераторов. Для приведенной выше конструкции генератора в работе [50] определен комплексный параметр миниатюризации и теплового режима.
Успешная работа транзисторных СВЧ -генераторов зависит от эффективности отвода тепла от активных элементов. Материалы основания, корпуса платы и припоев выбирают таким образом, чтобы они обеспечивали эффективный теплоотвод, повышение термостабильности частоты и миниатюризацию СВЧ - генератора. В работе [51] приводится анализ теплового режима транзисторного СВЧ - генератора. Схема тепловых потоков от тепловыделяющего элемента (транзистора) наглядно представлена на рис. 1.7.1.6, тепловой поток от кристалла транзистора через металлическое основание 7, припой 8, медную пластину-перегородку 6, которая отделяет СВЧ - часть генератора от НЧ схемы стабилизатора напряжения, поступает на корпус, где рассеивается за счет конвективного теплообмена с внешне окружающей средой.
Исходя из выше изложенного можно заключить, что дальнейшее повышение надежности и улучшение электрических и массогабаритных характеристик генератора зависит от улучшения теплоотвода от ТВЭ и ТВК, т.е. улучшение эффективности систем теплоотвода остается актуальным.
Другим перспективным направлением в развитии техники полупроводниковых СВЧ - генераторов является разработка генераторов, управляемых напряжением (ГУН). Они широко используются в различных системах связи и радиолокационных станциях. Существенно ограничивают максимально достижимый диапазон перестройки частоты генератора паразитные элементы схемы, влияние которых увеличивается с ростом рабочей частоты [52, 53].
Рассматривая различные конструкции ГУН, можно проследить эволюцию развития данного направления. В работе [54] сообщается о разработке ГУН мозаичного типа на 1.. .4 ГГц с проволочными соединениями и 30% процентной полосой перестройки. Конструкция и электрическая схема тактового генератора представлена на рис. 1.7.2.1. Такая конструкция отличается сравнительно длинными соединительными проводниками, однако на рабочих частотах это существенно не влияет на электрические параметры. При использовании ГУН на более высоких частотах длина соединительных проводников начинает вносить в работу схемы рассогласование из-за больших паразитных индуктивно-стей и емкостей. Для отвода тепла в конструкции применены диэлектрические основания из теплопроводящей керамики (ВеО) на которых расположены ТВК (транзисторы, диоды), а диэлектрические основания установлены на медные пластины. Анализируя различные конструкции ГУН на частотах выше 8ГГц, специалисты пришли к выводу, что полоса перестройки более октавы может быть достигнута в схемах с тремя варакторными диодами (рис. 1.7.2.2.) [55]. Поперечный разрез фрагмента конструкции такого ГУН изображен на рис. 1.7.2.2. Плата из А120з имеет топологический рисунок на лицевой стороне и экранный металлизированный слой - на обратной. Плата припаяна экранным слоем к металлическому основанию, выполненному из вольфрамово-медного сплава при помощи электропроводящего припоя, например эвтектический сплав кремний-золото или германий-золото. В плате выполнено отверстие, в котором установлен столбиковый вывод, выполненный из золота (золотой пьедестал).
На столбиковом выводе установлен и закреплен конденсатор, выполненный из кремния с обкладками на верхней и нижней сторонах кристалла. На верхней обкладке конденсатора установлен и закреплен кристалл варакторного диода. На краю отверстия на плате установлен полевой транзистор, контактная площадка которого соединена с контактной площадкой варакторного диода проволочным проводником. Паразитные параметры такого ГУН существенно влияют на электрические параметры схемы, их необходимо снижать. Для уменьшения омических потерь все индуктивности выполняются в виде отрезков проволоки, а не в виде микрополосковых линий с высоким импедансом. С целью получения минимальных паразитных индуктивностей длину соединительных проводников делают минимально возможной.
В конструкции, изображенной на рис. 1.7.2.2, такое сокращение достигается тем, что высота кристалла транзистора подбирается равной суммарной вы соте кристаллов варакторного диода и конденсатора, а заземление нижней обкладки конденсатора осуществляется через столбиковый вывод с длиной, равной толщине платы.
В такой конструкции ГУН обеспечивается хороший теплоотвод от варакторного диода и от транзистора, что позволяет свести к минимуму дрейф частоты после настройки [55]. Фрагмент конструкции ГУН, описанного в [56], представлен на рис.1.7.2.3. Она позволяет сократить длину заземляющего вывода и улучшить теплоотвод за счет расположения конденсатора в углублении, выполненном на поверхности платы, и соединения его с земляной линией нижней обкладки через отверстие, заполненное тепло- и электропроводящим материалом.
Использование плёночного носителя для изготовления внутрисхемных соединений ГИС СВЧ-диапазона
Распространение использования плоских балочных внутрисхемных соединений в других частях схемы исключает использование выводных рамок, применяемых ранее [203], и требует использования для их изготовления и крепления применения плёночных полимерных носителей [218,219]. Применяемый в работе [220-222] плёночный носитель из флюорена, хотя и удобен тем, что удаляется без остатка возгонкой при температуре 295С, является не всегда удобным в использовании, например при изготовлении на нем пленочных проводников с применением вакуумного напыления, требующего нагрева до 300С. В связи с этим внимание привлекает, широко применяемый и хорошо освоенный материал - полиимид. Плёнки из полиимида выпускаются отечественной промышленностью и широко применяются в электронной промышленности для изготовления плёночных носителей и плат[3]. Использование плёночного полимерного носителя для формирования на нем плоских балочных внутрисхемных соединений и сквозных отверстий для подключения их к проводникам топологического рисунка схемы позволяет существенно повысить технологичность конструкции ГИС.
Однако, известно влияние наличия материала находящегося под проводниками и в непосредственной близости от них на электрические характеристики схемы[218].
В связи с этим, предложена конструкция ГИС СВЧ - диапазона, в которой влияние материала плёночного носителя на электрические характеристики схемы может быть, существенно, снижено, при обеспечении высокой её технологичности 9]. Предлагаемая конструкция ГИС СВЧ - диапазона представлена на Рис.2.5.6.1-2.5.6.3.
Гибридная интегральная схема СВЧ - диапазона (Рис.2.5.6.1), содержит диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой и экранной заземляющей металлизацией на обратной сторонах. Кристаллы навесных компонентов: активных - полупроводниковых приборов, например полевых транзиторов с барьером Шотки, и пассивных - конденсаторов, расположены на лицевой стороне подложки. Часть выводов кристаллов активных полупроводниковых приборов соединена с топологическим рисунком металлизации. На лицевой поверхности подложки расположен плёночный полимерный носитель, на наружной стороне которого выполнены плоские плёночные внутрисхемные соединительные проводники. Соединительные внутрисхемные проводники соединяют контактные площадки кристаллов навесных компонентов между собой, или с топологическим рисунком металлизации (Рис.2.5.6.1), или соединяют плёночные элементы топологического рисунка металлизации между собой через сквозные отверстия в полимерном носителе (Рис.2.5.6.2).
При этом длина внутрисхемных соединительных проводников, а значит и их патазитная индуктивность, будет определяться толщиной полимерного носителя, поэтому целесообразно ограничить её сверху толщиной равной 1 ООмкм. Толщина полимерного носителя снизу может быть ограничена величиной равной 5мкм из-за того, что изготовление свободных плёнок полимера меньшей толщины затруднительно, да и работать с такой плёнкой трудно из-за её низкой прочности.
Основными путями снижения влияния материала полимерного носителя на сигнал, проходящий по проводникам схемы, являются:
- снижение толщины полимерного носителя;
- снижение диэлектрической проницаемости полимера;
- выполнение дополнительных сквозных или несквозных отверстий в плёночном полимерном носителе (или окон) вдоль плёночных проводников топологического рисунка металлизации, а также под внутрисхемными соединительными проводниками и на расстоянии от них не более 1мм в зоне распространения электромагнитного поля вокруг проводников.
Учитывая, что технологичность конструкции схемы зависит от жёсткости полимерного носителя с плёночными внутрисхемными соединительными проводниками, что важно для совмещения рисунка внутрисхемных соединительных проводников с топологическим рисунком металлизации с целью их соединения, площадь, занимаемая дополнительными отверстиями, также должна быть ограничена. Очевидно, что эти два требования находятся в некотором противоречии и необходимо их оптимальное соотношение для обеспечения достижения высоких электрических характеристик и высокой технологичности конструкции. Поэтому ограничение площади дополнительных отверстий, например оті 0 до 90%, должно быть выбрано из этих соображений. Ограничение площади дополнительных отверстий снизу(10%) незначительным влиянием на электрические характеристики, а сверху(90%) необходимостью обеспечения технологичности (жесткости) конструкции.
Что же касается ограничения величины диэлектрической проницаемости полимера, например от 1,5 до 8,0; то полимер с диэлектрической проницаемостью менее 1,5 оказывает слабое влияние на электрические характеристики, а большинство полимеров, применяемых в производстве, имеют диэлектрическую проницаемость не превышающую 8 [220].
Полезным является выполнение дополнительных отверстий в виде окон, открывающих поверхность диэлектрической подложки там, где на полимерном носителе нет внутрисхемных соединительных проводников (Рис.2.5.6.2). Это значительно сокращает влияние полимера на электрические характеристики.
Выполнение расстояния между соседними отверстиями или окнами равным или больше толщины полимерного носителя сохраняет жесткость и прочность полимерного носителя, а также обеспечивает необходимое сцепление плёночных внутрисхемных соединительных проводников с полимернюм носителем.
Расположение кристаллов навесных компонентов в углублениях диэлектрической подложки, глубина которых обеспечивает расположение их лицевых поверхностей в одной плоскости с лицевой стороной диэлектрической подложки значительно повышает технологичность конструкции схемы, за счет облегчения совмещения рисунка плоских плёночных внутрисхемных соединительных проводников с топологическим рисунком металлизации и их соединения.
Выполнение дополнительных отверстий и окон в полимерном носителе глухими, с толщиной дна отверстия или окна равной или более 1мкм, позволяет увеличить жесткость полимерного носителя и увеличить сцепление рисунка плоских плёночных внутрисхемных соединительных проводников с топологическим рисунком металлизации.
Конструкция ГИС приёмопередающего модуля АФАР СВЧ - диапазона
В связи необходимостью создания мологабаритных систем радиолокации для летательных аппаратов пятого поколения, разработка твёрдотельных приёмопередающих модулей (ГТПМ) активных фазированных антенных решёток (АФАР) становится актуальной. Поскольку в СВЧ - диапазоне основным кон-структорско - технологическим вариантом исполнения блоков РЭА остаётся гибридно — интегральный, развитию ГИС СВЧ уделяется большое внимание. Такое развитие происходит в двух направлениях: во - первых в направлении развития конструкции и технологии многослойных плат; во - вторых в направлении перевода части схемы в состав полупроводниковых кристаллов монолитных интегральных схем (МИС) и использования их в качестве комплектующих элементов ГИС.[318-320].
Очевидно, что ГИС ППМ АФАР находятся на достаточно высоком уровне развития и логичным является использование для их конструирования некоторых технических решений и направлений, разработанных ранее и находящихся на более низких уровнях развития. Такими направлениями и решениями могут быть, например монтаж кристаллов компонентов ГИС в углубления в подложке платы [169,305], корпусирования ГИС выпуклой диэлектрической крышкой, имеющей экранную заземляющую металлизацию на внутренней поверхности [321,322], применение индивидуальных систем теплоотвода от кристаллов полупроводниковых приборов[ 185,239,323].
Так, в работе [324] гибридная интегральная схема приёмопередающего модуля АФАР СВЧ - диапазона содержит диэлектрическую многослойную плату, выполненную по LTCC- технологии из низкотемпературной керамики, которая имеет топологический рисунок металлизации в каждом слое. Плата установлена и закреплена в металлическом корпусе. Микрополосковые входные и выходные СВЧ - выводы и низкочастотные выводы схемы расположены с противоположных сторон модуля. Кристаллы компонентов схемы с контактными площадками: полупроводниковые монолитные интегральные схемы (МИС), конденсаторы, платы тонкоплёночных схем, магнитный вентиль и др. установлены на плату и электрически соединены между собой и с плёночными проводниками. Гибридная интегральная схема ППМ содержит один приёмный и один передающий каналы. Габаритные размеры ГИС составляют 64,5х 13,5х6,5мм[320]. Конструкция данной ГИС ППМ представлена на Рис.3.6.3.2.1.
Современные ППМ для АФАР, разрабатываемые зарубежными фирмами, содержат 4-7 МИС, изготавливаемых на специализированных предприятиях. Для сравнения отечественные ГИС ППМ содержат существенно большее их количество (более 20), что связано с их меньшей степенью интеграции[325 - 327]. На плату в такой ГИС[320] установлено небольшое количество других дискретных компонентов, например конденсаторов. Предполагается, что «плиточный» тип ППМ будет основным видом конструкции при реализации конформных решёток, искривлённых по одному или двум направлениям (Рис.3.6.3.2.2). Такая модульная конструкция рассчитана на вертикальные сборки, включающие излучающий элемент.
В следующей работе [328] американских специалистов сообщается о разработке ППМ в виде двух многослойных блока выполненных по LTCC -технологии, в одном из которых интегрируется приёмная часть модуля, а в другом - передающая. (Рис. 3.6.3.2.3)
В такой ГИС электрическая связь элементов между слоями осуществляется с помощью вертикальных переходов, а между приёмником и передатчиком , расположенных один под другим, с помощью контактной матрицы , сформированной из металлических шариков припоя. Наличие многоступенчатых полостей в многослойной LTCC - плате, предназначенных для монтажа активных компонентов, применение которых обосновано и запатентовано диссертантом ранее в 1991г. (см. главу 2)[232,233] в виде отдельного направления развития ГИС, позволяет значительно сократить размеры модуля в целом.
Анализ такой конструкции показывает, что кристаллы МИС монтируются в углубления, что соответствует разработанному диссертантом[305,187] направлению развития ГИС, входящему в состав 1-го уровня системы направлений. Кроме того, в конструкции ГИС ППМ присутствует встроенная в подложку платы индивидуальная теплоотводящая система, состоящая из углубления и отверстий в его дне, заполненных металлом, предложенная и запатентованная диссертантом [239], также входящая в состав 1-го уровня направлений ГИС.
Дальнейший анализ позволяет обнаружить расположение двух кристаллов МИС в одном фигурном углублении, что сводит к минимуму длину соединительных проводников и упрощает процесс монтажа интегральных схем и соответствует рекомендациям автора, разработанным в конце 80-х - начале 90-х годов.
Шведская фирма Ericsson Microwave сообщает [329] о разработке ГИС многокристального модуля на LTCC подложке, для многоканальной системы антенной решётки с автоматическим электронным сканированием. На Рис. 3.6.3.2.4 показана блок —схема приёмного модуля Х- диапазона.
Все функции, кроме фильтра и ограничителя, реализованы на двух МИС, сконструированных фирмой Ericsson и изготовленных фирмой ОММТС. Функции, выполняемые каждой МИС, очерчены пунктиром на схеме. Каждая из МИС содержит 700....800 транзисторов, что соответствует достаточно высокой степени интеграции.
ГИС приёмного модуля состоит из 7 керамических слоев типа 951 АХ (фирмы Dupont) с золотой металлизацией. Четыре верхних слоя используются для ВЧ-линий передачи, а остальные слои - для цепей питания и управления сигналами. Кристаллы МИС монтируются в углублениях и подсоединяются к микрополосковым линиям. Обратная сторона многослойной LTCC- подложки припаивается к основанию из СиМо. Фотография модуля представлена на Рис.
В последнее время, в связи с необходимостью увеличения мощности ППМ, всё чаще используются транзисторы и МИС на GaN- кристаллах[329]. Кристаллы GaN- усилитель мощности вместе с GaAs - предусилителем монтировались на вставке в подложку из сплава СиМо, а кристалл МШУмонтировался непосредственно на многослойной алюмооксиднои керамической подложке, изготовленной по НТСС - технологии (Рис. 3.6.3.2.6).
В данном случае интерес представляет конструкция ГИС с металлической вставкой - теплоотводом, соответствующей одному из направлений 1 -го уровня системы развития ГИС. Кроме того, применение кристаллов МИС из GaN соответствует направлению применения новых материалов 3-го уровня системы направлений развития ГИС, разработанной диссертантом. Внешний вид ППМ без крышки представлен на Рис. 3.6.3.2.7
Таким образом, нетрудно заметить тенденцию использования ранее разработанных направлений и отдельных технических решений при разработке конструкций ГИС, соответствующих более высокому уровню развития системы развития техники ГИС СВЧ - диапазона.
Направление применения достижений нанотехнологии в ГИС СВЧ — диапазона
В области электроники успехи нанотехнологии приобрели особое значение и уже оказали большое влияние на дальнейший путь развития.
Основным элементом электронных устройств настоящее время являются транзисторы. Причём, с момента их появления, прослеживается устойчивая закономерность возможности улучшения их характеристик с уменьшением их га-баритов[397].
В настоящее время уже появились несколько видов нанотранзисторов [397-400].
Так в работе [398] сообщается о создании нанотранзистора с частотой переключения 1ТГц, применение которого может повысить быстродействие процессоров. « В этом терагерцовом транзисторе в качестве материала затвора выбран диоксид циркония, один молекулярный слой которого уменьшает ток утечки в 10 000 раз по сравнению с затвором (толщиной в 3 молекулярных слоя) из традиционного материала - двуокиси кремния. Такой транзистор позволяет снизить рабочее напряжение и, следовательно, уменьшить теплоотдачу микросхем, которая в последних модификациях процессоров весьма существенна, а снижение её довольно сложная проблема» [398].
В работе [399] сообщается (Nanotechweb.) о создании учёными Гарвардского университета Ge/Si нанострунного FET нанотранзистора на основе нано-струн, обладающего быстродействием в 3 - 4 раза большим, чем современные кремниевые CMOS. «Д-р Либер и его коллеги создали структуру «ядро-нити» в Ge/Si-наноструктуре с надежными омическими контактами и высокой мобильностью носителей зарядов. Как было установлено, время переключения нанотранзистора приближается к аналогичным показателям у транзистора из нано-трубок. И, естественно, оно выше, чем у традиционных MOSFET-устройств» [399].
В других работах [396, 400] сообщается о создании нанотранзисторов в виде нанотрубок. « Как установили учёные из Калифорнийского университета UCSD и университета из Клемсона, Y- образная нанотрубка полностью выполняет функции транзистора, обладая при этом более высоким быстродействием (см. Рис. 5.1.1.1. и 5.1.1.2.)» [392, 396].
В других странах, например Германии, также активно работают над созданием транзисторов на основе нанотрубок [396, 401]. «Компания Infineon Technologies AG(FSE/NYSE: IFX) совершила прорыв в производстве нанотран-зисторов на основе нанотрубок. Ей удалось создать работоспособный нанотран-зистор с длиной проводящего канала всего 18 нм. Современныенанотранзисторы - и экспериментальные, и работающие - уже в серии полупроводниковых устройств характеризуется вчетверо большими размерами проводящего канала. Исследователи из Мюнхенской лаборатории компании Infineon использовали в новом полупроводниковом устройстве нанотрубку диаметром от 0,7 до 1,1 нм, которая была выращена специалистами компании. Электрические характеристики углеродных нанотрубок сделали их идеальными кандидатами для использования в микро- и наноэлектронике. Благодаря «баллистическому электронному транспорту» нанотрубки проводят электроэнергию с наименьшим сопротивлением. Поэтому они характеризуются электропроводностью в 1000 раз больше, чем у меди»(см. Рис. 5.1.1.3.) [396, 401].
Кроме того, специалисты этой же компании - Infineon Technologies создали «..наименьший в мире чип энергонезависимой памяти (nonvolatile flash memory), что удалось благодаря сверхмалым FET - транзисторам (см. Рис.5.1.1.4.).
Новый чип - транзистор с плавником, размерами всего 20 нм может длительно хранить один бит без подачи на устройство энергии. Самая «продвинутая» современная flash- память, выполняющая аналогичные функции (хранение 1 бит памяти), имеет размеры около 90 HM.»(Info World: Infineon designs smallest nonvolatile flash memory chip) [396].
Кроме нанотранзисторов, появились сообщения о создании других элементов (или компонентов), которые могут использоваться в СВЧ - схемах [396, 402]. «Сверхконденсаторы очень большой ёмкости можно сделать из углеродных нанотрубок, используя технологию, предложенную исследователями из UC Davis. Сверхконденсаторы - это устройства для хранения электричества, способные выдавать большое количество энергии за короткое время. Транспортные средства, работающие на электричестве и топливных ячейках, требуют для старта более мощный импульс электричества, чем могут обеспечить обычные батареи. Сверхконденсаторы также пригодятся в электронике и других областях, где необходим мощный и короткий импульс энергии. Новые устройства могут вырабатывать 30 кВт/кг по сравнению с 4 кВт/кг, характерные для самых «продвинутых» современных конденсаторов» [396, 402].
В нашей стране также ведутся аналогичные работы в области создания нанотранзисторов [403, 404]. Так специалистами Воронежского государственного университета создали и исследовали нано - МОП транзисторы со сверз тонким основанием[403].
Наряду с отдельными нанотранзисторами всё чаще появляются сообщения о создании микросхем различного назначения на их основе[405, 406]. Так в статье в журнале Science сообщается о создании процессоров [405]. Немецкие учёные совместно с коллегами из Питсбургского университета (США) создали тончайшие слои из сложных окислов металлов алюмината лантана LaA103 и титаната стронция SrTi03, чья проводимость управляется пульсацией напряжения. « Поскольку металлооксидные плёнки в состоянии сохранять базисные цифровые значения «0» и «1» без подачи на них напряжения, они могут служить основой для энергонезависимых запоминающих устройств»[401]. Такие схемы получили название Sketch FET(CM. Рис.5.1.1.5.).
В таких схемах оперативные запоминающие устройства и накопители информации могут слиться в один модуль, который будет потреблять меньше энер-гии[405].
Следующей разработкой микросхемы на основе нанотранзисторов является перепрограммируемая схема, созданная группой исследователей под руководством профессора химии Гарварда Чарльза Либера и специалиста центра нано-систем MITRE Шамика Даса. По мнению Либера, соединение нескольких таких схем вместе станет первым расширенным нанопроводным компьютером [406] (см. Рис. 5.1.1.6).
Следует заметить, что такое соединение может представлять собой, в том числе, и гибридную интегральную схему.
«Чтобы изготовить нанопроводную микросхему, исследователи расположили линии нанопроводов с сердцевиной из германия и силиконовой оболочкой на подложке и поперёк положили линии металлических электродов для формирования решётки. Точки пересечения нанопроводов и электродов действуют как транзисторы, которые можно независимо друг от друга включать и выключать, И следователи сделали единственную схему площадью 960 мкм , на которой расположены 496 работающих транзисторов. Она сделана так, чтоб её можно было соединять с другими схемами, и совокупность транзисторов смогла работать как сложный логический элемент для обработки или хранения данных» (см.
Компания HP сообщает [407] о создании схемы «...на молекулярных ключах (см. Рис. 5.1.1.8.), представляющих собой пересекающиеся линии, между которыми при подаче на них напряжения возникают проводящие мостики. Преимущество нового ключа состоит в том, что благодаря конструкции устройства ёмкость памяти на его основе будет выше той, которая существует сейчас.
Если же применять каждый ключ в качестве элемента памяти, тоёмкость одного слоя составит 2,5 Гбит / см , то время как самые «сверхплотные чипы памяти характеризуются ёмкостью в 1 Гбит / см2 (см. Рис. 5.1.1.9.). Такая архитектура позволяет использовать каждое место пересечения в качестве ячейки памяти или транзистора. Такая конструкция логики позволяет максимально использовать объём чипа, что приведёт к созданию многослойных наноэлектронных устройств» [407].
Таким образом, наблюдается стремление учёных получить электронные устройства с уникальными свойствами, за счёт использования не традиционных для электроники новых материалов, а также за счёт получения элементов из них сверхмалых размеров. Это соответствует и подтверждает концепцию применения новых материалов сформированную в предыдущей главе. А кроме того, требует значительных успехов в изучении свойств наноразмерных слоев материалов. Несложно заметить, что разработка нанотранзисторов, конденсаторов, и т. д., а вслед за этим и микросхем на их основе, приводит к необходимости создания устройств, в которых они должны быть соединены электрически. Их соединение может осуществляться либо за счёт объединения в одном кристалле и соответственно в одном технологическом процессе, либо в виде разных кристаллов в гибридной интегральной схеме. Учитывая, что разрабатываемые устройства базируются на различных материалах второй способ становиться предпочтительным.
