（电子科学与技术专业论文）高频tr厚膜模块的设计和分析.pdf

a b s t r a c t h y b r i d i n t e g r a t e dt e c h n i q u ei sas o p h i s t i c a t e dt e c h n i q u e u s ef o rt h es e c o n d l e v e li n t e g r a t i o no fs y s t e mc i r c u i t s a si t sl o wc o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y , i ti sw i d e l y a p p l i e dt om a n yf i e l d s ，s u c ha ss p a c e ，v e h i c l e ，n a v i g a t e ，c o m m u n i c a t i o na n d m e d i c i n e ，e t c b u tt h ep r o d u c t su s u a l l ya r el i m i t e dt ol o w e rf r e q u e n c ya p p l i c a t i o n b e c a u s eo fi t su s e dt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a l l yt h i c kf i l mt e c l m o l o g ym a k e sad i m e d g ea n du n e v e ns u r f a c e ，w h i c hc a u s eab a dh i g hf r e q u e n c yf e a t u r e e x p l o r i n g i m p r o v e dt h i c kf i l mt e c h n o l o g ya n du s i n gn e wm a t e r i a l st oi r n p r o v et h et h i c kf i l m h i g hf r e q u e n c yf e a t u r ei st h eo n l yw a yt ob r i n gt h i c kf i l mh y b r i di ni ct ot h eh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，u s i n gs p et e c h n i q u e ，i ti sa t t e m p t e dt og r e a t l y i n c r e a s et h e h i g hf r e q u e n c ya p p l i c a t i o nr a n g eo ft h i c kf i l m ，t h r o u g h t h e i m p r o v e m e n t o ft h i c kf i l mm a t e r i a l sa n d t e c h n o l o g y t rm o d u l ei saf u n c t i o n a lm o d u l ef o rt h en e wr a d a r , t h a ti sa c t i v ep h a s e c o n t r o la r r a yr a d a r , a n dt rn o d u l es y s t e m i n t e g r a t e sh i g hf r e q u e n c ys w i t c h e s ， p h a s es h i f t e r , l n aa n dp o w e ra m p l i f i e r , e t c i fu s i n gl o wc o s tt h i c kf i h nt e c h n o l o g y t om a n u f a c t u r et rm o d u l e i tw i l ib eb e n e f i tt oa c c e l e r a t et h ea p p l i c a n t sa n d d e v e l o p m e n to ft h ea c t i v ep h a s ec o n t r o la r r a yr a d a r f r o mav i e w p o i n to fs y s t e m i n t e g r a t i o na n di n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n ，i nt h i sp a p e rw ga n a l y z et h ed e s i g n m e t h o d s ，t h et e c h n o l o g yp r o c e d u r ea n dt h ed e s i g np a r a m e t e rr e q u i r e m e n t sf o r s e p a r a t ee l e m e n tc i r c u i t so fat h i c kf i l mh y b r i di n t e g r a t e dt rm o d u l e c h a p t e r1 a n dc h a p t e r2b r i e f l yi n t r o d u c et h es t a t u so ft h i c kf i l m h y b r i di n t e g r a t eh i g h f r e q u e n c yd e v i s e sb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d ，a sw e l la st h ec i r c u i ta n ds t r u c t u r eo f t rm o d u l e c h a p t e r s3c o n c e n t r a t eo nt h ef e a t u r eo ft h i c kf i l mh i g hf r e q u e n c y m o d u l ea n dt h eh i g hf r e q u e n c yf u n c t i o no ft h es p et e c h n i q u e c h a p t e r4a n d c h a p t e r5d e a lw i t ht h ed e s i g na n da n a l y z i n go fs e p a r a t ee l e m e n tc i r c u i t so ft r t h i c kf i h nm o d u l e c h a p t e r6d e a l sw i t ht h et e c h n o l o g yp a r a m e t e rd e s i g na n d a n a l y z i n go ft rm o d u l e i nt h i sp a p e r , t h ed i s c u s s i n gm a i nl i n ei sa r o u n dh o wt o i m p l e m e n tat h i c kf i l mi n t e g r a t e dh i g hf r e q u e n c yt rm o d u l et h et h e o r yd a t ea n d p r a c t i c ew eg e tw i l lp r o v i d ear e f e r e n c em e t h o df o rt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h i c k f i l mi n t e g r a t e dh i g hf r e q u e n c yt rm o d u l e k e yw a r d s ：h i g hf r e q u e n c y ，h y b r i dt rm o d u l e ，s p et e c h n i q u e ，p a r a m e t e r d e s i g na n da n a l y z i n g 硕十研究生论文第一章绪论 2 0 0 1 0 2 第一章绪论 1 1 简介 近年柬，无线通讯领域的加速发展已经向r f 元器件供应商提“ 了挑 战，到目前为止，硅集成、芯片级封装( c s p ) 和微通f l t i g 板等技术已经使光 线通讯设备的外形尺寸缩小了5 0 。若要继续小型化，下一个目标便是r f 元 器件的集成化了。因此3 g ( 第三代) 无线电移动通讯标准所要求的硬- f , l ：, r l 级 已经开始了。i c 芯片、封装和p c b 级务个层渐都已终，j ：始研究新厅案，和硬 件的基础设施市场上，频率一直在不断提高。先是以8 0 0 9 0 0 m 1 t z 跃丌奄1 8 1 9 g h z 。现在的3 g 的标准已进入2 1 2 4 g h z 频段。争论的焦j ? 、m ：降低成小 上，混合集成技术仍是最佳解决方案。薄膜和厚膜混合集成技术仍柯很火的1 j 场空问，然而对其传统：l 二艺提出了更加新的挑战，传统的厚腆的成腆特。杖制 了向r f 方面发展。薄膜的膜层有其优越的r f 特性，可实现高性能的微波集成 器件，但其相对昂贵的成膜工艺及其不现实的批 l - j “：能力将限制了其发j 琏窄 间。 在军用方面，随着无线通讯及计算机应川力i l 的发腱，t ：刊项集成器什的 需求量在急骤增加。高频集成器件的需求量将向批量供货的方向发展，特别是 近j ”f i ，有源村i 控陈雷达的发展及其优越的甭达p 2 ，为卜代雷达桁1 9j 了发 展方向。在此方面，t r 模块( 收发组件) 的微小型化及批生产的市场需求， 对i 葛频集成器件的厂家提出了新的课题，使其快速发展的前题条什已经提神：高 频集成器件的厂家面前，就是一方面的高可靠性，高性能的批量t r 模块j “：- 另一方面是低成本的价格要求。有源固态天线有效地提高了雷达的性能，在有 源固态相控阵雷达中，高集成度的t r ( 发射接收) 模块身【成了令尺、j 的订 源无线阵列，克服了单个大功率行波管( t w t ) 发射机的限制，从而可以全面 堡婴窒尘迨塞箜二童堑堡；! ! ! ：! ! ： 地满足将来的系统要求。噪声系数、无失真动态范围、频谱纯度、输出功率、 功耗等关键的系统要求，支配着t r 模块的电气设计的主要方而。但除模块的 电气设计的主要方面以外，模块的重量、体积、散热与成本要求同样熏要。利 用厚膜系统集成技术实现t r 组件模块将能满足以一j ：多方衙的要求。本文从经 济的角度出发，对t r 厚膜集成模块的设计及工艺加工方法进行系统分析。 国外在厚膜电路高频应用中走在前面。在4 g 以下频段，般采j t jt h i c ( 厚 膜混合集成电路) ，用优质导体浆料( 如铜浆料) 印刷，烧结成厚膜导体，还 可制作厚膜电阻和电容，构成分布参数或集中参数电路。美国太平洋微电予公 司( p m c ) 利用多层陶瓷技术设计和生产雷达天线一 ：的“波段t r 组纠：，改 组件在1 1 - 3 6 g 范围之外。由于国内生产技术及方法的限制，在开展厚膜高频 集成技术上一真停滞不前，集成器件的水平基本保持在1 g 以f 的频段。采 本文中所使用的s p e ( 可光刻丝网印刷技术一种新型的厚膜成膜技术) 技 术制作t r 模块则有其独特的高频及价格优势。 1 2 高频厚膜集成器件的理论基础 高频厚膜集成器件是建立在平面电磁波传输的理论基础上，根据麦克斯 韦亥姆霍兹理论的基本方程： v e = 一9b 3t v h = 3d 9t + j v d = p 口b = 0 再加上平面电磁波传输的基本边值条件，从而导出平面电磁波的基本性 质和基本电磁场表达式：e ( x 、t ) = e 。e ” 它有如下的基本特性： 硕十研究生论文第一章绪论 2 0 0 i 0 2 电磁波为横波，e 和b 都与传播方向垂直； e 和b 互相垂直，e b 沿波天k 方向： e 雨ib 相同，振幅比为v ； 这样得出平面电磁波传输的电场雨i 磁场瞬时值如图1 - 1 所卅i 图卜1 平面电磁波传输瞬时曲线阁 上述的电磁场理论是建立高频集成电路的基础但在商频集成 也路的设 计过程中又是将电磁波传输理论与高频“路论”相结合，从而形成本身设计和 分析的特殊性和艰难性。高频“路论”是将高频器件看成若j r 个端口网络而进 行高频网络分析。在本文的t r 模块设计时，我们一方面针对设计内部的元器 件进行电磁场理论分析，另一方面根据高频网络理论给出设计参数。 1 3 本文的工作 本文的工作主要是针对厚膜高频集成器件的技术条件进行分析以及就s 波段的t r 模块的厚膜集成进行设计并进行参数分析。近些年来，高频集成器 件的需求与同骤增，而器件价格又非常昂贵，因而商频器件快速发展受到限制， 这就要求有新的工艺加工方法和设计技术。高频集成电路按照二| ：艺和结构刁i 同，可分为单方式和混合式两类，即半导体高频集成电路和混合高频集成电路。 前者采用外延、扩散等工艺直接把有源器件和无源元件制作在高瞰i 半导体衬底 上( 如高阻硅和砷化稼) 构成的。其体积比混合式小，但电路损耗较大，谐振 堡婴壅尘堡塞笙= 童堑迨 一 ：! ! ! ：! ： 电路的q 值低。后者是在氧化物陶瓷、蓝宝石、铁氧体等衬底上，采用薄膜或 厚膜技术制作无源元件和线路，再把高频固态半导体器件以适当的形式装配到 电路中而构成的。薄膜和厚膜技术各有利! ( ，薄膜是采用蒸发，溅射的办法而 形成高频线路通路及参数元件( 电阻、f 乜充、屯感等) 。厚膜则采刚丝网日圳9 、 烧结的办法制成高频线路通路及参数元件。前者制作成本昂贵且批生产能力4 i 及后者，但高频特性优于后者。如臬将两大成膜技术进行有机结合，则对高频 器件的快速发展提供了条件。s p e 技术正是将两者进行有机结合的产物。 本文以s p e 技术及其成膜技术和高频特性出发，较为详细地分析了用此 技术设计高频电路s 波段t r 组 牛模块的设训方法及其对模块进行工艺加工的 方法。本文中第二章简要介绍t r 组件模块的基本结构，第三章中则详细说明 膜集成无源元器件的基本特性、s p e 技术的独特高频特性及其成膜技术，并就 s p e 技术各参数进行分析及给出实验的经验数据。在第四、五章中既使用s p e 技术方法、设计s 波段t r 模块中各组合单元进行设计及设计参数分析。所有 设计参数均与相关的文献进行了比较，可以看出本文在保证设计参数的同时具 有较高的现实效率。 4 硕士研究生论文第二章t ，r 模块结构分析 2 0 0 1 0 2 第二章t r 模块结构分析 2 1 引言 我们知道，电磁波具有干涉效应，半波天线对极角有一定的方向性，对 方位角没有方向性，但在雷达系统中要求得到高度定向的i u 磁辐射，这样就必 须用一系列天线排成天线阵，利用各条天线辐射的干涉效应来获得较强的方向 性，即空间功率合成的办法实现电磁波的定向传播。 t r 模块构成了有源相控阵雷达中的天线阵列，在有源相控阵雷达h 商 集成度的t r ( 发射接收) 模块组成了全尺寸的有源天线阵列。功能、结构 棚同的每。t r 模块在天线阵列叫1 承j l l 了刁i l 耐的们包，t r 的一l ：f 1 ：队念i l f i l l 达 系统计算机控制，虽然每一t r 模块在天线阵列中取不同的角色，工作的方式 有些差异，但若干个t r 模块组成的天线阵n n 完成了一个共同的仟务：【! | j 利 用空间功率合成的原理而实现高频电磁波信号的定向发射和完成定向高频电磁 波的接收。l b 此可见，模块则山接收和发射f 乜磁波的各种功能模块组合而成。 如n 条相同天线沿极轴等距排列，相邻天线的距离为l ，相同激发，如最 上端天线的辐射电场为e 。( r 、q 、中) ，第二条天线的辐射与前者有相位筹k l c o s 0 。，其余类推。根据电磁场的干涉现象，可求出总的辐射电场为 n 一1 e= e oe 。1 = e o ( 1 - - e “5 ”) ( 】- - e 1 “) m = o 因而角分布为每条角分布乘上因子 s i n 2 ( n 2k l c o s0 ) ( 1s i n 2 2k l c o s0 ) ! 一 堡堑塞生逾塞星三要! ! 垦丝垫笙塑坌堑! ! ! ! ：丝： 此式当n k l c o s0 = 2 m ，m = 1 ，2 时有零点，沿这挫方向的辐射 为零，辐射能量如2 1 图所示： ( = 戮p 图2 1电磁波定向传播辐射能量图 由此可见辐射能量主要集中于瓣中，主瓣的张角 s i n 巾= 入n l 因此只要n l 入时，既可以获得高度定向的电磁波辐射。相控阵雷达m 是利用这一技术来实现电磁波的发射的，但是在有源相控阵天线阵中承担了发 射和接收电磁波中间环节作用羽正是t r 模块。 2 2t r 电路结构及功能分析 上一节所分析了电磁波如何实现空间功率合成及定向传播，确定了t r 模块实现这一功能的使命。从电学的角度出发：t r 模块是由t r 开关，限幅 器、l n a ( 低噪声放大器) 、移相器、功放部分的各功能电路组合而成的完全固 态的收发功能模块。具体结构如图2 2 所示： 图2 - 2 ：t r 模块构成 6 z r 模块是工作在接收状态还是工作在发射状态是由t r 丌关进行控制。 在接收状念时为实现高频电磁波信号的处理，必须进行小信号的放大及其限 幅。根据2 1 节中要求为实现电磁波的空问功率合成，必须将发射的电磁波信 号进行相位差移并进行功率放大而送入到发射天线阵列的各个天线上进行电磁 波发射。 在t r 模块的设计过程中。利用p i n 二极管的币反向特性来实现高频电 磁场的传播控制。所谓p i n 二极管，就是出一个重掺杂的p 区和一个重掺杂的 n 区当中央着一个电阻率极高的的p 区或n 区所构成的半导体二极管。p i n 二 极管具有如2 - 3 图所示的币反向特性：当二极管加上证向电压时，则相当于一 个低电阻，而二极管加上反向电压时，二极管则等效为一个电容。 亢功率甥耗菇伴 图2 - 3p i n 二极管等效电路图 在大多数场合，p i n 二极管多半用作开关，因而电容愈小，反向偏置状 态下所呈现的“开路“就愈好；电阻r f 与r r 愈小，耗散损耗就愈小，从而决 定了二极管的优质系数一一开关截止频率f 。 f 。= l 2 n c i ( r r r ) 】 因而在t r 混合模块中利用其特性制成t r 开关、限幅器、位相器等。 利用电路功率合成原理制成t r 功放电路。 硕十研究生论文第二章t r 模块结构分析 2 0 0 1 0 2 2 3t r 模块版图基本结构及分析 t r 模块是一个组件模块，它是由其各电路单元组合而成，因而其结构 是山其各单元电路版图组合而成。整个模块盒体由机械加：e 而成为许多个棚互 独立的分立盒体，在各个分立盒体中各安装其电路单元，每个电路单元由相互 联接的微带通路。图2 - 4 所示出g t d a r ( g e ct h o m s o nd a s a 机载雷达联合体) 研制的用于战斗机的t r 内部结构图： 图2 - 4t r 模块内部结构版图 出此看出，t r 模块内又细分为丌关模块，限幅模块，移相模块，l n a 功放模块以及为这些模块所提供的电源及偏置。 堡婴壅尘迨塞笙三兰壁鉴壹塑墨丛生盛墨! 呈量壶塑堑丝：! ! ! ：丝： 第三章厚膜高频器件集成及s p b 高频特性 3 1 引言 厚膜混合集成电路是采用丝网印刷、烧结的办法而形成电予元件及其连 线，从而与元器件进行有效集成后二次集成方法，其加工工艺流程如下： n 憾1 孵瓣翮_ 百h 肇， 埔堆卜叫商撮饶坫 翱 l 巡篓墨h 竺釜h ! 鉴：卜 i 匪口爿丑三 叫b jl 摧需鹰虢艇：敞或 ；扶 种蛳h 。警辫h o c 幢n h i l ：爨妇。i - f l “ 叫r 玑“黧搿蚴 太片折断成小“h 生产 骑 * * h 外勰嚣髻嚣h 黜 。熙。h u 一 叫拉a o ( 图3 - 1厚膜m i c 集总参数电路典型： 艺流程 采用厚膜混合集成方式可实现各种功能模块，它是半导体集成器件所无 法替代的。但它与薄膜混合集成电路一起又是对半导体集成电路的补充。按j ! 高频集成电路要求，厚膜及薄膜混合集成主要是集成无源元件为主，高频集成 电路的无源元件可分为集总参数元件和分布参数元件两类。集总元件主要是平 面形电感、电容器、电阻器等，在混合集成t r 中主要用集总元件及分布参 攀磊 芏竺一 堡堑塞尘堡塞星三童星鉴壶塑量丛签盛丛星里兰塞塑! 童丝 ! ! ! ! ：! ： 数元件以实现其功能模块的特定功能。用于混合高频集成电路rf 传输线，主 要是微带线。 3 1 1 高频集总元件 3 1 1 1 电感器 高频集成电路中的电感器主要有赢线形电感器、单圈电感器和平而螺旋 电感器，它们各有其不同的电感特性。 a 直线形电感器 d 二二二二= 二二司 电感值l = o 2 l ( 1 n ( l ( w + t ) ) 】+ 1 1 93 + 0 2 2 3 5 ( w + t ) l ) 毫微亨 ( 3 1 ) 式中：l 为直线电感长度( 毫米) ；w 为直线电感宽度( 毫米) ； t 为导体的厚度( 毫米) q = 2 15 10 ”l k w 1 p ( c u ) p 】17 2 ( f 2 ) 1 7 2 ( 3 - 2 ) 式中：l 为电感量( 毫微亨) ；w 、t 分别为电感长度和宽度( 毫米) ：f 为t 作 频率( g h z ) ；p 。是铜的电阻率( 欧姆、厘米) ：p 为l u 感导体的i u | l _ 【牢( i 】i = 姆厘米) ：k 是考虑电流集中效应时引入的修正因子，其值是w t 的函数， 在1 3 至2 0 之间，k 与w t 的关系由下图给出。 k2 每 1 1 1 1 ， ， 晰f j - h 7 t 图3 - 2k 与w t 关系曲线 o 堡丛壅尘迨塞筮三童壁些壶塑鲨丛塞盛墨兰旦呈基麴堑丝 ：! ! ! ：! ；： b 单圈电感器 单圈电感器的电感量一般为1 2 0 毫微亨。典型的微波半导体器件的电 容擐为0 0 5 0 5 微微法，因而可在微波频率与之谐振，如果线的施艘远小j ： 圈的直径，则可利用上面直线形电感器进行计算或按卞列近似公式计算： l = 1 2 75 a 【2 3 3 l g ( 8 a w ) - 2 + u f 】( 毫微亨) ( 3 - 3 ) 式中：a ：平均半径( c m ) w ：线宽( c n l ) t l ：电感线的相对导磁率 f ：趋肤深度 c 平面螺旋电感器 在需要大电感量的电感器时，通常采用多圈平面螺旋结构如3 - 3 图所示： 国画 图3 3 平面方型电感器与平面园型电感器 平面螺旋用电感器有两种结构如上图一是方形结构，一是园型线圈结构。 电感量的近似公式分别如下： 方形结构：l = 4 7 2 n 2 a2 ( 8 a + 1 1 c ) 式中：n ：线圈匝数( n 1 ) a ：平均半径( s m ) a = ( d 。+ d 1 ) 4 c ：平均宽度( c m ) c = ( d o - d ，) 4 d 。：螺旋的外径 硕十研究生论文第三章厚膜高频器扑集成及spe 高频特性 2 0 0 1 0 2 d ，：螺旋的内径 圆形结构：l = 3 9 4 n2 a2 ( 8 a + l l c )( 要求c 0 2 a ) 当d 。 1 _ 2d l ，n l ，w t 且t 3 f 时 qd 0 1 2 l 1 7 2 = 3 ，4 8 10 3 w ( ( ：- 7 i5 d o d i ) ( p ) p ) 1 7 2 f 1 7 2 由此可见，要想得到高的o 值，w 应尽量大而d 。则应尽可能小。同样的d 。 圆形q 值比方形q 值高( 约1 0 ) 而感量则约小2 0 左右。为使平面螺旋形电 感器具有最大的q 值，经实验表明d 。d 。= o 2 左右为最佳。 3 1 1 2 电容器 在高频集成器件中，用膜集成办法实现的电容器主要有平行板介质电容 器和叉指电容器。前者为叠片式结构，后者又称为间隙电容器，具体如下： a 平行板介质电容器 这种电容器采用会属一介质一金属三层结构。会属电极厚度应为2 4 倍 的趋肤深度( 在s 波段大约为5 7 u m ) ，一般采用a 12 0 ，复合材料作为中问介 质层。介质层厚度可随网印膜层厚度而随意调节，调节范围大约为5 2 0 u m 。 ( 以0 5 m i1 的乳剂膜一次印刷和1 5 m i1 的乳剂膜二二次e j 届t j 烧结为参考数值) 。 平板介质电容器的容值由下列公式计算： c = o 0 8 8 5 d ( u u f ) 式中： 为金属电极的面积( c m 2 ) ；d 为介质厚度( c m ) ：e ，为介质的相对介 电常数( 复合a 1 ：o ，介质的介质常数一般在8 9 之间) 。在进行平行板介质电 容器的设计时，应重点考虑电容器的q 值。 电容器的总q 值为1 q = i q c + i q d q c 是电容器与端头导体有关的q 值( 这在设计刚不能省略) q d 是电容器与中间介质有关的q 值 b 叉指电容器 叉指电容器能够获得0 1 到1 0 u u f 的电容量，在l 波段具有大于4 0 0 的q f 2 硕士研究生论文第三章厚膜高频器什集成及spe 高频特性 2 0 0 1 0 2 值，并且工艺简单。经实验表明，当叉指线的宽度和间距相等时，可获得最大 的比容。叉指形电容及其q 值的计算公式和关系曲线在一般的教科书中均有介 绍，由于文章的篇幅限制，在此就不详细叙述。 3 1 1 3 电阻器 电阻器在高频集成电路中主要用作隔离电阻，终端负载电阻和偏置电阻 等，就其电性能要求可分为射频电阻和低频电阻两种，它们不要求高的阻值精 度和电阻率。在射频使用领域，电阻器主要有图3 - 4 所示的三种形状： 鼬聊圆 卜十 4 ( c ) 颦形电阻器 ( 6 ) 虫劈形电阻器 ( c ) 警圆形电阻器 图3 4射频电阻示意图 a 矩形电阻器 r = r s l w 式中r s 为膜电阻 b 尖劈形电阻器 r = r sc t g a i n ( w t g a + b b ) c 半圆形电阻器 r = p d i n ( 1 - 2 r 1 ) = r s n l ( 1 2 1 - 1 ) ( 一般值1 l = w l ) 上述三种电阻式各有其优势：半圆形电阻器在8 g 以下的范围电压驻波比 小于1 2 ，具有良好的匹配性能。矩形电阻器在驻波比小于1 2 时，带宽为2 0 左右，只能满足频带不太宽的系统。尖劈形电阻器虽然在小于1 2 的驻波比时， 带宽大于2 0 ，但负载电阻器的尺寸必须有几个波长的长度。若频率较低则电 阻器的尺寸相当大，这对电路小型化是不利的。 另外半圆形电阻器还具有较大的功率容量，可用于功耗较大的电路中。 p = t k 2 ( 1 22 - - 1 12 ) h 3 亟婴窒生论蔓第二章厚膜高频器4 t 凛成及spe 高频特性 2 0 0 1 0 2 式中t 为电阻温升，k 为基片的导热系数，h 为基片的厚度 3 1 2 高频混合集成所用材料要求 高频集成电路是在低频、中频集成电路的基础上发展起来的。它继承了 低、中频集成电路的某些设计方法和制作技术，某些材料在使用上也并无严格 的界限。但是在高频频率范围内，对元材料的性能和公差的要求比低频要求严 格得多。虽然其工艺制造技术并无特殊复杂之处，但因图形复杂和大量的电路 分布参数存在，给设计和制造都带来很多困难，处理不当，容易导致设计和实 际结果误差很大。此外，在高频下趋肤效应显著，介质的高频损耗也急剧增大。 为了减少损耗，对导体材料和介质材料都提出了更高的要求。某些适用于低频 情况下的介质材料在高频时就不再适用。因此设计制造高频集成电路时，除电 路应精心设计外，对材料和工艺也必须注意，才能保证电路获得所需性能和高 可靠性。 a 衬底材料要求 高频混合集成电路所用的衬底材料比一般混合集成电路所用的基本材料 有更高的要求，因为它不单纯作衬底绝缘使用，还作为传输电磁波的介质，有 电特性，决定着微带线的有效介电常数和介质损耗。 对制作微带线用衬底材料有如下要求： 介质损耗小( t g f 小) 具有一定的介电常数e ，并且e ，在工作频率和使用温度范围内保持恒 定 纯度高，厚度均匀 表面容易加工，平整度和光洁度要高，频率越高，要求表面光洁度越 高 具有高的电阻率和介电强度 1 4 硕士研究生论文第三章厚膜高频器什集成及spe 商频牛蕾鳖 ! ! ! 1 ! ! ： 导热性好，化学性能稳定，有一定的机械强度，在电路加工过程中不 发生变形 可供选择使用的几种高频集成电路材料特性如表3 - 1 所示： “t 。 紧引糟髓卜凝“ 骘骶器p “饿； “卅 r 扎l1o 干兆蝻l “l 卅| i 水。c ) 1 ( i oo o c ) i m 1 、j ，? ； # ) o0 0 0 6 l l0 _ m 6 06 2微 ”，姥帷f j 晦 i 一 h 一”；o ： o 彻； u 此i札( 1u 川o 触 p 。娃牡h 底 m i 】： 一一一一 一 ：”i ”ln 0 1 ) 1 ) ( 1 2 , 5 j 二 j o 1 1 5譬! 生兰兰+ 廿 。h 。， l i5 叭州3n5 一 傲带，啦总儿 一。 一一一一一一 i i ”fj f ”虬咄“o0 ( ) 0 3o 6 l u i ，工 _ 。一 一姒化让 8 j”1 1 1” j 0 2 8 。一 i 傲带 ”。旧o l 】o 0 i4 一 1 籼f ，丝舟幢 雌e f i9 i l i5oo 0 0 1札oz l5o 66 6 ；oo 0 0 6 以i ? i 散特，王! 三总，f f ： 础川城地a ，o o0 = “； oi l o n 5 7 t 5 o _ 0 h 1 1 ；j f 吼总“ r* r 矗f 蕊，一0 , 0 0 0 8 一 忑 i 忑而丁磊磊磊一 表3 - 1 高频衬底材料性能表 针对高频集成电路的要求，高纯a 1 ：o ，将是优选材料，对于有些对q 值要 求不高的集成电路，也可用氮化铝板作为衬底材料。 在高频集成电路中，要求基片厚度 1 1 4 时，会产 生高次模式的电磁波和产生模向谐振。另外，当表面粗糙度等于趋肤深度g 时，导体损耗将增加约6 0 。损耗一般取决于g 值，如果这个比值小于0 4 ， 则损耗仅增加10 左右，粗糙表面损耗比值与表面粗糙度关系曲线图3 5 所示： 燕0 袈、 玎； 笠弓 g n 瞎是 群晕 壁晤 囊懈 导休襄丽瞢l 糙度有效值( 微米) 图3 - 5 表面损耗与表面粗糙度关系 硕士研究生论文第三章厚膜高频器件集成及spe 离频特性2 0 0 1 0 2 b 导体材料要求 选择导体材料时，需要考虑射频电阻，趋肤深度，淀积工艺，与衬底材 料之f n j 的附着能力及r 艺过程的热膨胀性能等。对导体材料的卜要璎求如f ： 高的电阻率( 即低的高频损耗) 与衬底、电介质的附着性好 容易在衬底上形成膜和电度加厚 有比较好的刻蚀性和可靠性 对环境和气氛稳定 常用的导体材料如表3 2 所示： 材料l 棚对于锕的1 咀m 牢” 靶而! ”卜苷n 热膨胀懿啦 ! 胍鉴* 2 f 儿流乜毗半l ( io o 峨肌水) i ( 1o 一7 、，| 醢斤) of 1 1 ( x 1n 一6 。( 。1 n q 协m 代 恨0n 55 02 5：ip 槲1oi 7z 68 【! 牛 盘1 3 6 2 3 5 3 0i i t 臂in 0z6 51 ：iz nm ” 鸺3z n53 7 c r 训33 051 0 7n “0 r 惴76 0jz7 07 zu 们9n 5z n796i ；讯 o 蛳牢，的m 纰为r 兆赫。 表3 - 2 高频导体材料性能表 为了消除因趋肤效应而引起的损耗，通常要求导体厚度为趋肤深度g 的 3 5 倍。 c 介质材料和电阻材料要求 在高频集成电路中，介质主要用作电容的介质，绝缘层以及带混合线结 构，选择介质时主要考虑应有一定的介电强度，介电常数e ，和低的高频损耗。 电阻主要用作终端负载电阻，直流偏置电阻，隔离电阻以及功率电阻等。用于 1 6 堡婴壅尘笙銮墨三童壁鉴壹墅墨丛篓垡墨! 呈量直塑圭芏丝 ：! ! ! ：! ： 高频电阻材料主要要求是： 电阻温度系数低 长期稳定性好 与导电带和衬底材料的粘附性好等 经比较采用杜邦公司的i7 系列浆料将能满足要求。 3 2 s p e 技术及其微带加工工艺流程 上一节介绍了厚膜混合集成的概念及其加 i r 艺流程。为实现细线加t 的需要。厚膜集成技术也在不断向前发展，其成膜方法也在发生变化，由传统 ： 岂引伸的直描加工工艺及多层共烧技术都是实现厚膜高密度集成的有效办 法，但其工艺特点都未脱离厚膜的基本材料一浆料的限制；虽已经很成功地实 现了细线连接，但其高频特性仍然受到限制。 通过上一节的分析中，我们矢i 道对高频集成器件来说，材料要求是最为 基本的，s p e 技术正是以高频集成材料及其与传统厚膜、薄膜集成工艺的兼容 性出发，从而发展其为自身特色的集成技术。s p e 高频基板的基本加工工艺大 体上分为基本导体层制备，微带图形制作及微带特性处理三个大步九道工序进 行。 工艺流程如下图所示： ( 1 ) 网板制作( 2 ) 丝网印刷 ( 3 ) f 二燥( 4 ) 烧结 b ( 5 ) 匀胁( 6 ) 曝光( 7 ) 刻蚀( 8 ) 电镀铜9 ) 镀金 图中：( 1 ) ( 4 ) 为基本导体制备；( 5 ) ( 7 ) 为微带图形制作；( 8 ) ( 9 ) 为微带特性处理。 从整个加工工艺流程中可看出：基本导体层制备是采用传统的厚膜成膜 堡堡壅尘笙塞星三雯篁竖塑塑墨丛塞盛壁! 呈星塑墼堑丝 ：! ! ! ：! ! ： 工艺完成，而微带图形制作还采用了半导体的光刻工艺。从而可得到表面及边 缘特性优越的微带图形。采用s p e 技术的成膜浆料不同于传统的厚膜浆料，而 是一种特殊的会属有机浆料( m o d ) 。传统的厚膜导体浆料是由各种金属材料混 合研磨而加入各种适量的填j j t t 齐, j 及玻璃相混合而成，足以分离质点形成的懋浮 液。而m o d 则是均匀的具有一定粘度的单一相的真溶液，其结构形式是长的有 机分子链结点上由一个会属原子和氧原子组成相键合的向，t l , 配体。其结构为： r 一0 州e c r 1 11 1 00 r 为芳香族式或脂肪族分子集团。 金属( m e ) 可由金、铂或钯等材料组成单一余属有机浆料，也可 = i = f 上述 金属组成合余的有机浆料。 3 3 s p e 基板的高频特性分析 原则上，适用于厚膜工艺加工的所有基片材料均适合于s p e 技术，但为 适用于高频集成器件的需要，s p e 基片材料应适用表面抛光的陶瓷材料或表面 上釉瓷材料。根据上节的材料分析，这二种材料均是上好的高频集成材料。使 用此材料所表现的高频特性如下： 介质损耗小，9 9 的a 12 03 在1 0 g h z 时在1 0 4 以下 9 9 的a 1 ：o 。的介电常数e ，在9 以上，并且c ，在工作频率范围内保持 相对恒定。 表面上釉瓷的表面光洁度在0 0 0 0 6 u m 以下，根据a g r 。z 。故有 l 2 2 0 l g ( 1 5 + z 。r r ) 当选取最佳传输线阻抗，且满足z 。r ， 1 f 时 l - 2 0 l g ( f 。f ) 因此，在设计t r 开关时，需选取高f ，从而得到插入阻抗和隔离度。t r _ 丌关的开关时问设计一方面取决于p i n 管的开关时间，另一方面取决于偏置电 路：【作状态时间( 偏置电路设计，将在后面章节另外提及) 采用并联型t r 丌关的功率容量可按下式确定 。 p a m l = ( z o + 2 r r ) 2 4 z 。r r p a m ( p a m 是p i n 管的耗散功率) ( p i n 导通) p a m 2 = v b 2 2 z 。( v b 是p i n 管的反向击穿电压) ( p 1 n 管反向截止) 从而选取v 。值及p a m 值高的p i n 管芯。 4 1 2 t r 开关的厚膜加工工艺参数设计与分析 采用第三章所介绍的s p e 工艺方法实现t r 丌关的 j 艺版图设计，t r 丌 关的工艺版图设计是在电路结构设计完成的基础上进行的，在确定了t r 丌关 的电路参数的同时选择了合适的p i n 管，n z , r ，、r ，、c j 、v 。则成为工艺参数 设计的数据基础，基本工艺版图如图4 - 3 所示： 图4 - 3t r 开关版图示意图 根据版图结构，t r 丌关包括x 4 主传输线设计，集总元件x 。设计及p i n 二管键合线长度设计。原则上，在规定定型号的p i n 管及陶瓷基板后接j 州u 设计方法进行参数“凑合”设计。 在工作频率确定的基础上根据介质巾传输电磁波理沦e 。= ( e ，+ 1 ) 2 + ( e ，一1 ) 2t ( 1 + 1 0 h w ) - 1 2九= 九。( 。) 2 ( b 。是微带线有效介电常数， 是空气中的电磁波波长) 从而确定 4 微带线长度和宽度，为使微带线与 输入、输出阻抗匹配，在选用 4 微带线长度和宽度时应努力使之与外输入， 输出阻抗相近，从而利用切比雪夫阻抗变换器的电压强波比数值表能很好地设 计有效阻抗变换。 4 2 厚膜集成t r 限幅器设计与分析 用混合集成的方法设计限幅器，能得到最简单而带宽又宽的结构模块 其基本电路结构图和厚膜版图如图4 - 4 所示： 硕- f ：研究生论文第四章厚膜混合集成t r 嚣恭! 堡蛔! 矍塑叠e 出尘笪i _ 三塑业主 f 一气 的物理长度) 心导体1 图4 - , 1t i r 限幅器电路图及版图 采用二级限幅形式，其中一对二极管在传输线上彼此相隔一段距离，安 装在接地板上，采用会丝球焊引线将中心微带与二极管连接起来。适当地选择 引线的长度和尺寸可形成串联电感，且此电感与二极管结电容恰好构成一个匹 配的t 型滤波器，从而消除了二极管电容引起的反射。 匹配的t 形二极管的二根引线的总电感2 l 满足下列关系： z o = ( 2 l ) 1 门c = i y 。 即与该限幅器满足于在w l z 。与w c 4 和a g o 4 的基本要求( h ：基片厚度；：表而籼糙度； ： 陶瓷中电磁波的波长) 。选取h = o 7 6 m m 的表面抛光9 6 的a l ，0 ，陶瓷肇板作为 微带加工基板，其表面粗糙度在0 1 u m 以下。 2 2 5 。、4 5 。、9 0 。移桶单元设计 此三种移相单元均采用加载线型结构，2 2 5 。、4 5 。均有各自的电路结 构，其基本电路和结构版图如图4 - 6 所示： 岔 图4 - 62 2 5 。、4 5 。移相器单元电路和结构版图 由于p i n 管f 偏时表现为小的阻抗r ，= 1q r ，时，i ，= ( 5 0 7 0 7 ) r ， 山此可见，正向导通电流不随晶体管增益的温度特性而变化。这柚i 数。， 式移相器中保持p i n 管f 向导通的稳定性取很大的作用。 当t t l 逻辑电平为高电平时，t 。篱截【r ，t ：管导通，一25 v 的反胁u 瓜 经导通的t ：管直接加到p i n 二极管截止，构成p i n 的反向1 作模j 。 在驱动器设计中加入元器件l 、d 及c 是为了提高驱动器的转换速度： 于电容c 。跨接在r ，上，另外加逻辑信号电流脉冲前沿通过t 。的发射极一丛板 提供一条并联通路，使驱动器的丌通能够加速。c ，之值应当足够大，以便t ： 的发射极一基极电流在要求导通t ，的时间间隔内通过t ，。 由av = l c ，i d t = 冷c = a t av i 可求出c 的设计值 ( av 是逻辑信号电平的平均差值，t 是开通n 的允许时问，i 是逻辑 信号将来的最大共用电流) 在二极管d 上并联线圈l 能使驱动器的判断更加迅速。在正向偏置时， 正向偏置i ，通过l ，而建立起来，当t 。截止时，由于l ，的反作用而使这一i 乜 流不能立即变化，因此，它只好另寻一条通路；t ，的发射极一基极。所得的电 流的极性以及此电流随着流径l 发射极一基极的时问增加而迅速增大使t ：很 快导通，从而把p i n 二极管负载与反向偏置电源接通起来，迅速清除p i n 二极 管在正向偏置期间堆积的电荷，结果p i n 二极管很快过渡到反向偏置状态。 偏置电路的工艺及版图采用低频厚膜混合集成电路的设计方法，采用杜 邦系列浆料及直描工艺加工完成