Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига

Компоненты и технологии, № 5'2005

Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот

на основе керамики с низком температурой обжига

Обзор призван дать представление о современном уровне развития гибридных интегральных схем (ИС) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Рассмотрены различные аспекты разработки и изготовления СВЧ-устройств в виде многослойных интегральных схем на основе керамики с низкой температурой обжига (КНТО). Приведены конструкции и характеристики как экспериментальных образцов, так и коммерческих СВЧ-устройств на КНТО. Первая часть обзора посвящена технологии изготовления и элементной базе многослойных ИС на основе КНТО.

Александр Симин

alexander.simin@philips.com Дмитрий Холодняк

DVKholodnyak@mail.eltech.ru Ирина Вендик

IBVendik@eltech .ru

Введение

К ключевым моментам, определившим современный уровень развития радиоэлектроники, относятся: смещение несущей частоты радиосигналов в область сверхвысоких частот (СВЧ), применение цифровой обработки сигналов и внедрение интегральной технологии.

Повышение несущей частоты радиосигнала (уменьшение длины волны) было связано, прежде всего, с перегруженностью низкочастотной области спектра, а также с необходимостью резкого увеличения емкости каналов связи и скорости передачи информации. Уменьшение длины волны излучения также привело к повышению разрешающей способности радаров, позволило применять помехоустойчивые виды модуляции и т. д.

Повсеместный переход к цифровым системам вызван колоссальными возможностями цифровой обработки сигналов — кодирования, управления, организации сервисов и др. Приемо-передающие устройства современных телекоммуникационных систем включают антенну, СВЧ-тракт, преобразователь частоты (смеситель) и цифровую часть.

Развитие интегральной технологии сделало возможным выполнение отдельных элементов и целых функционально законченных узлов как цифровой, так и высокочастотной частей устройства в виде малогабаритных интегральных схем (ИС).

Новейшие многослойные технологии позволяют объединять все пассивные компоненты СВЧ-тракта, включая антенну, в единую ИС. Использование трехмерной конструкции позволяет создавать миниатюрные структуры с высокой степенью интеграции и открывает широкие возможности для улучшения электродинамических, массогабаритных, климатических, экономических и других параметров.

Первые объемные ИС СВЧ-диапазона, идея создания которых логично следовала из опыта разработки полупроводниковых ИС с высокой степенью интеграции, использовали монолитно-интегральную тех-

нологию. В последнее время широкое распространение получила гибридная технология многослойных ИС СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига— КНТО (Low Temperature Cofired Ceramics — LTCC). Благодаря использованию толстопленочной технологии такие ИС обладают низкой себестоимостью, что представляет значительный интерес с точки зрения массового производства СВЧ-устройств для систем мобильной и беспроводной связи.

На пассивную многослойную ИС могут устанавливаться элементы, изготовленные с применением других технологий: полупроводниковые приборы, монолитно-интегральные схемы управления сигналом, микроэлектромеханические системы (МЭМС), перестраиваемые компоненты на основе сегнетоэлект-рических материалов и др. Это позволяет создавать многофункциональные модули, выполненные на единой подложке. Компоновка на единой подложке (System-on-Chip — SoC) или в едином корпусе (System-in-Package — SiP) является самым быстроразвиваю-щимся и перспективным направлением современной микроэлектроники.

Настоящий обзор призван отразить современное положение дел в области создания многослойных ИС СВЧ на КНТО, продемонстрировать широкие возможности этой перспективной технологии, экспериментальные разработки и образцы коммерческих СВЧ-устройств, реализованных на КНТО.

Часть 1. Технология и элементная база

1. Материалы КНТО и технология изготовления многослойных ИС

В технологии многослойных ИС на КНТО можно выделить два самостоятельных процесса: изготовление керамических листов и изготовление многослойных структур на их основе.

Изготовление керамических листов представляет собой процесс, в котором композитный раствор в виде суспензии, состоящей из частиц керамики, боросиликатного стекла и различных модификаторов, на-------www.finestreet.ru-----------------------

Компоненты и технологии, № 5'2005

Таблица 1

Характеристики

Материал

Химический состав

Толщина после обжига, мкм

Электрические Тепловые Механические

єг tg 8 X 10-3 ЛКТР (°С-1) X 106 Теплопро- водность, Вт/(м-К) Модуль Юнга, ГПа Прочность на изгиб, МПа

Совместимость

Материалы КНТО

DuPontt www.dupont.com

GreenTape 943 76% Al, 9% Ca, 7,5% Ti 107; 217 7,5 на 10 ГГц 0 н Q 0 ц 6,0 4,4 149 230 Pd/Ag, Ag

GreenTape 951 42%Al, 47% Si, 7% Ca 36; 96; 130; 216 7,8 на 10 ГГц 1,5 на 10 ГГц 5,8 3,0 152 320 Pd/Ag, Ag

Heraeus www.heraeus.com

Heratape CT2000 52% Al, 28% Si, 8,5% Ca, 6% Ti 20,3; 40,6; 78,7; 104,1; 203,2 9,1 на 2,5 ГГц 2,0 на 2.5 ГГц 5,6 3,0 - 310 Au, Ag, Ag/Pd

Heralock HL2000 92 7,3 на 2,5 ГГц 2,6 на 2,5 ГГц 6,1 3,0 - 200 Au, Ag, Ag/Pd

Ferro www.ferro.com

Ferro A6-M 48% Si, 47% Ca 93; 185 5,9 на 10 ГГц 2,0 на 10 ГГц 7,0 2,0 92 170 Au, Ag

Ferro A6-S 98; 191 6,0 на 10 ГГц 2,0 на 10 ГГц 8,0 2,0 82 160 Au, Ag

Kyocera www.kyocera.com

GL550 - - 5,6 на 2 ГГц 0,9 на 2 ГГц 5,9 2,0 110 200 Ag

GL560 - - 6,0 на 2 ГГц 1,7 на 2 ГГц 7,9 1,5 91 200 Ag

GL660 - - 9,6 на 2 ГГц 1,7 на 2 ГГц 6.,2 1,2 100 200 Ag

Nikko www.nikkos.co.jp

AG3 50% Al, 50% Si 40; 80; 100; 140 7,1 на 1 МГц 3,0 на 1 МГц 5,5 - 80 - Au, Ag

TDK www.tdkltcc.com

S39 - 20; 40; 80 7,5 на 2 ГГц 2,9 на 2 ГГц 6,3 2,9 110 245 Ag

T50 - 40; 80 11,7 на 2 ГГц 3,3 на 2 ГГц 6,4 2,4 100 200 Ag

Murata www.murata.com

LR Ca0-Al203-Si02-B203-Al203 50; 65; 100; 130; 160; 200 7,7 на 1 МГц 5,0 на 10 ГГц 5,5 2,5 - 270 Ag

LA Ca0-Al203-Si02-B203+Al203 25; 50 8,8 на 1 МГц 4,0 на 6 ГГц 7,2 3,5 - 300 Ag

CeramTec www.ceramtec.de

CeramTape GC 1 A^03 + Ca[A.l23i2C'8] 50 1 7,9 на 1 МГц 1 2.0 на 1 МГц 5,3 2,2 170 1 Ag

1 ESL ElectroScience www.electroscience.com

41110 - 100; 130 4,5 на 1 МГц 4.0 на 1 МГц 6,4 3,0 - - Ag, Ag/Pd

41060 - 100; 130 16 на 1 МГц 2.0 на 1 МГц 7,55 - - - Ag

Материалы подложек гибридных ИС СВЧ

Rogers www.rogerscorporation.com

RT/Duroid 5880 ПТФЭ стекловолокно 127; 254; 381; 508; 787; 1575; 3175 2,2 на 10 ГГц 0,9 на 10 ГГц 48 0,2 0,65 860 Cu

RT/Duroid 6006 ПТФЭ керамика 254; 635; 1270; 1905; 2540 6,15 на 10 ГГц 2,7 на 10 ГГц 34 0,49 1,1 2500 Cu

Kyocera www.kyocera.com

A0600 аі2о3 25 8,8 на 2 ГГц 2,1 на 2 ГГц 7,2 15 260 400 CuW

ICE www.intlceramics.com

Alumina 94% Аі203 - 9,3 на 1 МГц 2,8 на 1 МГц 7,5 22,4 - 310 Cu

Alumina 99,8% Аі203 - 9,3 на 1 МГц 1,6 на 1 МГц 7,4 38,0 - 290 Cu

носится на плоскую поверхность, называемую основой [1].

Разделяют два метода нанесения раствора: метод раскатывания и метод покрытия [2]. При использовании метода раскатывания (Рис. 1а) основа перемещается относительно резервуара с раствором. Суспензия выдавливается через щель, ширина которой и определяет толщину раскатываемых листов. При использовании метода покрытия (Рис. 1б) гибкая основа протягивается через резервуар

с раствором. В результате основа оказывается покрытой тонким слоем суспензии. В этом случае параметрами, определяющими толщину керамического листа, являются вязкость состава, скорость движения основы и угол (ф), под которым основа выходит из раствора. Данный метод применяют при промышленном производстве КНТО.

После обрезки и температурной обработки получаются так называемые «сырые» (необожженные) керамические листы толщиной

20-200 мкм. Свойства керамических листов определяются их химическим составом, в частности, используемыми модификаторами.

К основным электрическим характеристикам керамики относятся относительная диэлектрическая проницаемость материала єг и тангенс угла диэлектрических потерь 1§8, температурным — линейный коэффициент теплового расширения (ЛКТР) и теплопроводность, механическим — модуль Юнга и прочность на изгиб. В таблице 1 представлены характеристики ке-

Направление

движения

основы

а)

Резервуар с суспензией

Ракели

Полимерная

основа

Раскатанный керамический лист

Основание

Рис. 1. Изготовление керамических листов методом раскатывания (а) и методом покрытия (б) [2]

б)

Компоненты и технологии, № 5'2005

рамики с низкой температурой обжига от ведущих мировых производителей в сравнении с наиболее популярными материалами подложек традиционных гибридных ИС СВЧ.

Технологический процесс изготовления многослойных структур на основе готовых листов КНТО состоит из нескольких этапов (рис. 2).

Вначале листы нарезаются в размер при помощи резака или лазерного луча умеренной мощности, чтобы предотвратить преждевременный обжиг КНТО. Некоторые материалы (например, DuPont Green Tape) перед проведением последующих технологических операций требуют предварительной просушки.

Затем механическим способом или лазером в листах пробиваются отверстия для межслой-ных соединений. Минимально возможный диаметр отверстий зависит от способа пробивки и вязкости проводящей пасты, которая должна полностью заполнять отверстие для обеспечения надежного межслойного соединения. При механической пробивке минимальный диаметр отверстий составляет около 100 мкм, при пробивке лазером — до 25 мкм, и в любом случае он должен превышать толщину керамического листа. После пробивки производится заполнение отверстий проводящей пастой через трафареты из нержавеющей стали толщиной 150-200 мкм. Для нанесения пасты применяется ракель или

специальный экструзионный пресс с давлением в 4-4,5 бар.

На следующем этапе на керамические листы методом трафаретной печати наносится рисунок топологии проводящих слоев ИС. Минимально реализуемые значения ширины проводников и расстояний между ними ограничены разрешающей способностью трафаретной печати и составляют около 100 мкм и 100 мкм соответственно. Реализация более узких проводников требует применения специальных методов, усложняющих технологический процесс. В настоящее время эти методы используются для создания экспериментальных устройств и пока не получили распространения в промышленном масштабе.

К таким перспективным методам формирования рисунка топологии относится метод, который сочетает толстопленочную технологию с процессом фотолитографии [3]. При этом на керамический лист равномерно наносят фо-точувствительную проводящую пасту (например, DuPont Ag 6453), по которой затем выполняют фотолитографию с использованием фотошаблона (рис. 3). Разрешающая способность данного метода составляет 30 мкм/30 мкм.

После заполнения отверстий для межслой-ных соединений и нанесения проводящих слоев производится сушка в течение 5-30 мин при температуре 80-120 °С в зависимости от типа материала.

Керамические листы с нанесенным топологическим рисунком собираются в «стек», и затем под давлением сводятся вместе — ламинируются. Существует два способа ламинирования. Первый способ — так называемое одноосное ламинирование — заключается в том, что стопка листов помещается на 10 минут под механический пресс с давлением 200 бар, разогретый до 70 °С. Данный способ не подходит для многослойных структур, в которых предполагается наличие полостей, вскрытых окон и т. д. Основной проблемой одноосного ламинирования является «растекание» керамики на краях. Это приводит к изменению толщины отдельных участков каждого листа, что в ряде случаев оказывается критичным, особенно для СВЧ-применений.

Второй способ — изостатическое ламинирование. Стопка листов в вакууме упаковывается в фольгу и подвергается давлению в 350 бар в камере с горячей водой. Температура и время выдержки примерно такие же, как и в случае одноосного ламинирования. При этом способе удается добиться меньших деформаций керамических листов по сравнению с одноосным ламинированием.

На заключительном этапе ламинированный стек из керамических листов помещается в печь, где листы спекаются между собой в процессе обжига. Характерный температурный профиль обжига КНТО структур представлен на рис. 4.

Этапы I, III и V на графике температурного профиля соответствуют периодам нагревания и охлаждения керамики, этап II предназначен для выгорания органических составляющих, а этап IV — это непосредственно процесс спекания слоев керамики, когда происходит формирование единой структуры. Скорости нагрева и охлаждения, а также максимальные температуры и время выдержки на каждом этапе могут варьироваться для разных типов керамики. Это связано с отличиями в химическом составе КНТО различных производителей. Максимальная температура, при которой производится обжиг (800-900 °С), не превышает температуры плавления большинства металлов. Отсюда происходит термин — «керамика с низкой температурой обжига».

Сравнительно низкая температура обжига позволяет использовать проводящие пасты на основе металлов с высокой удельной элек-

Компоненты и технологии, № 5'2005

Таблица 2

Проводящая паста Основной компонент Поверхностное сопротивление, мОм/квадрат Толщина металлизации после обжига, мкм

DuPont www.dupont.com

6148 Ag 9,0 8

5734 Au < 5,0 6-10

HF502 Au < 5,0 7-9

HF612 Ag < 3,0 9-12

Heraeus www.heraeus.com

TC2306 Ag < 2,5 10-12

TC7103 Au < 12 8-12

Ferro www.ferro.com

FX 30-025 Au < 3,0 8-12

CN 33-398 Ag < 2,0 6-9

Nikko www.nikkos.co.jp

AG3 Ag 2,0 10

Kyocera www.kyocera.com

Kyocera Ag < 1,5 -

TDK www.tdkltcc.com

ML4046 Ag 2,0 15

ML4066 Ag 3,0 5-15

MN-3B Ag 3,2 8

Murata www.murata.com

LR Ag 2,0 -

LA Ag 2,5 -

1 ESL ElectroScience www.electroscience.com

903-A Ag 2,0 15-25

963 Ag/Pd 19±7 20

Рис. 5. Симметричная полосковая линия передачи (а) и связанные полосковые линии с боковой (б) и лицевой (в) связью

тропроводностью (Ag, Аи) и обеспечить тем самым малые потери в СВЧ-диапазоне. Типовые параметры проводящих паст, совместимых с основными системами КНТО, приведены в таблице 2.

В процессе обжига в керамических листах выгорают связующие компоненты, вследствие чего многослойная структура дает усадку в среднем на 15-20%, в общем случае неодинаковую по разным направлениям.

Из-за усадки изменяются геометрические размеры элементов ИС, толщина диэлектрических слоев и т. д. Проектирование многослойных ИС СВЧ должно вестись с учетом коэффициентов усадки, которые приводятся производителем КНТО в техническом паспорте материала. В последнее время появились диэлектрические материалы с нулевой усадкой в плоскости листа, что позволяет реализовывать компоненты с большей точностью. Тем не менее усадка керамики в вертикальном направлении остается пока неразрешимой проблемой.

После процесса обжига получается многослойная ИС, представляющая собой совокупность требуемого числа диэлектрических слоев и размещенных между ними плоских токонесущих проводников заданной топологии. На завершающем этапе на полученную ИС могут монтироваться навесные элементы: активные СВЧ-компоненты, антенны, микроконтроллеры и др.

2. Элементная база многослойных ИС СВЧ на КНТО

В однослойных гибридных ИС СВЧ основную часть площади подложки занимают пассивные компоненты. Одним из основных преимуществ многослойных ИС является очень

высокая плотность компоновки пассивных компонентов за счет их размещения в нескольких слоях КНТО. Благодаря увеличению степени интеграции можно значительно уменьшить габариты СВЧ-устройств.

Технология КНТО предоставляет возможности для реализации пассивных компонентов в виде отрезков линий передачи (элементов с распределенными параметрами) и квазисос-редоточенных ЬС-элементов. Квазисосредото-ченными принято называть элементы, геометрические размеры которых меньше 1/8 длины волны в линии.

Как и в планарных (однослойных) ИС СВЧ, в многослойных структурах могут использоваться отрезки полосковых, микрополоско-вых и копланарных линий передачи. На практике наиболее часто применяется симметричная полосковая линия передачи (рис. 5а). Наличие экранов сверху и снизу структуры исключает потребность в дополнительном корпусировании устройства.

В отличие от планарных ИС СВЧ, размещение элементов в нескольких слоях позволяет реализовывать связанные линии передачи не с боковой (рис. 5б), а с более сильной лицевой связью (рис. 5в), предоставляя тем самым дополнительную степень свободы, необходимую для создания направленных ответвителей с сильной связью и широкополосных фильтров.

Преимуществом элементов с распределенными параметрами — отрезков линий передачи, шлейфов, резонаторов и т. д. является сравнительно высокая добротность. Главный недостаток — значительные габариты устройств, выполненных на таких элементах, которые тем больше, чем ниже рабочая частота.

Поэтому для нижней части СВЧ-диапазона (1-5 ГГц) целесообразно реализовывать устройства на квазисосредоточенных ЬС-элемен-

Рис. 6. Квазисосредоточенные емкостные элементы многослойных ИС на КНТО

тах, что позволяет обеспечить малые габариты устройств даже при использовании КНТО с невысокой диэлектрической проницаемостью (ег = 7-10). Еще одним преимуществом таких устройств является отсутствие паразитных резонансов высших гармоник, которые характерны для устройств на элементах с распределенными параметрами.

Квазисосредоточенные емкостные элементы выполняются в виде плоскопараллельных (рис. 6а) или встречно-штыревых конденсаторов. Встречно-штыревые конденсаторы могут быть однослойными (рис. 6б) или многослойными (рис. 6в).

Последовательно включенные емкостные элементы элементарно реализуются посредством размещения электродов плоскопараллельного конденсатора в разных слоях многослойной керамической структуры. Для обеспечения параллельного включения емкости в качестве одного из электродов конденсатора выступает заземленный экран. Диапазон номиналов емкости, реализуемой с помощью плоскопараллельных конденсаторов, достаточно велик: 0,1-15 пФ.

Однослойные встречно-штыревые конденсаторы используются преимущественно для реализации последовательных емкостей номиналом до 2 пФ. Их недостатком является достаточно большая площадь, необходимая для размещения электродов конденсатора в одном слое.

Для реализации больших значений емкости целесообразно использовать многослойные встречно-штыревые конденсаторы, которые являются комбинацией первых двух типов: разнополярные электроды конденсатора расположены в разных слоях и перекрываются друг с другом, образуя параллельное соеди-

а)

а)

б)

Компоненты и технологии, № 5'2005

Верхний электрод

Диэлектрические

вставки

Нижний электрод

КНТО листы

а)

б)

Рис. 7. Установка диэлектрических вставок в конденсатор (а) и поперечное сечение многослойной структуры с диэлектрической вставкой (б) [4, 5]

нение из нескольких плоскопараллельных конденсаторов (рис. 6в). Для соединения между собой электродов одинаковой полярности используются межслойные соединения. Номинал многослойных встречно-штыревых конденсаторов может достигать 40-50 пФ. С их помощью обычно реализуются блокировочные емкости цепей смещения и другие емкостные элементы больших номиналов.

Обычно в качестве диэлектрика, заполняющего конденсатор, используются непосредственно диэлектрические слои КНТО. В то же время существует возможность включения в отдельные керамические слои многослойной структуры диэлектрических вставок из материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью [4, 5]. Для этого в керамических листах делают отверстия, в которые вкладывают диэлектрические вставки (шайбы) (рис. 7). Таким способом изготавливают, например, малогабаритные конденсаторы большой емкости.

Заполнение конденсатора сегнетоэлектри-ческим материалом, у которого диэлектрическая проницаемость меняется в зависимости

от приложенного напряжения, позволяет управлять емкостью конденсатора. Сегнетоэле-ктрическая керамика, представляющая собой твердый раствор титаната бария-стронция (BaxSr1-xTiO3), хорошо согласуется по своим температурным и механическим параметрам со слоями КНТО. На основе таких конденсаторов с переменной емкостью можно создавать интегральные электрически управляемые СВЧ-устройства: перестраиваемые фильтры, фазовращатели для фазированных антенных решеток и т. д. [6, 7].

Возможность совместного использования распределенных и квазисосредоточенных элементов в составе одной ИС, выполненной на КНТО, хорошо иллюстрирует конструкция по-лосно-пропускающего фильтра, предложенная в одной из работ по данной теме [8]. Гребенчатый фильтр, состоящий из пары связанных ми-крополосковых резонаторов, заземленных с одного конца и нагруженных на квазисосредото-ченные встречно-штыревые конденсаторы с другого (рис. 8а), был реализован в четырех слоях КНТО DuPont Green Tape 951 толщиной 100 мкм (рис. 8б). Микрополосковые резона-

Рис. 8. Эквивалентная схема (а) топология (б) и характеристики (в) полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, выполненного на КНТО [8]

торы расположены в верхнем слое, а электроды встречно-штыревых конденсаторов размещены в трех слоях в глубину структуры. Нижний слой занимает заземленный экран. Габариты ИС-фильтра составляют 2,7x2,03 мм2. Измеренные амплитудно-частотные характеристики устройства — коэффициент передачи (Б21) и коэффициент отражения (Б11) — приведены на рис. 8в.

Квазисосредоточенные индуктивные элементы выполняются в виде отрезков линий передачи, входной импеданс которых носит индуктивный характер.

В простейшем случае индуктивность представляет собой прямой отрезок линии передачи (рис. 9а). Такие элементы используют для реализации высокодобротных индуктивностей небольших номиналов (до 2 нГн). С целью эффективного использования площади подложки отрезкам линии придают форму петли (рис. 9б) или меандра (рис. 9в).

Спиральная индуктивность (рис. 9г) позволяет получить большие по сравнению с петлевой и меандровой реализациями номиналы за счет положительной взаимной индуктивности между витками. Это связано с тем, что в спиральной индуктивности направление тока одинаково для всех витков, в то время как в соседних проводниках меандровой или петлевой индуктивности ток течет в противоположных направлениях, вследствие чего взаимная индуктивность отрицательна. Номинал спиральных индуктивностей может достигать 50 нГн в зависимости от геометрии структуры: количества витков, ширины полосковых проводников и расстояний между ними.

В многослойных ИС на основе КНТО также возможна реализация трехмерных индуктивных элементов, расположенных в нескольких слоях, — так называемых «стековых» и «соленоидных» индуктивностей.

«Стековая» индуктивность представляет собой комбинацию из нескольких спиральных индуктивностей, расположенных друг над другом в разных слоях и соединенных при помощи межслойных соединений [9]. В простейшем случае одновитковых спиралей «стековая» индуктивность приобретает вид, показанный на рис. 9д. За счет магнитной связи между витками, расположенными друг над другом, «сте-

Компоненты и технологии, № 5'2005

e-

ковая» индуктивность позволяет получить большие номиналы и высокую добротность при малой занимаемой площади.

Другой вариант многослойного индуктивного элемента — «соленоидная» индуктивность (рис. 9е) — представляет собой пространственную спираль, витки которой перпендикулярны слоям керамики. Подобная конструкция позволяет реализовывать наибольшие значения номиналов индуктивности (до 200 нГн) при высокой добротности. Недостатком «соленоидной» индуктивности является сложность реализации.

Квазисосредоточенные индуктивные элементы могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Для обеспечения параллельного включения индуктивного элемента один его конец соединяется с заземленным экраном посредством межслойного соединения.

Разные способы соединения квазисосредо-точенных индуктивных и емкостных элементов позволяют реализовывать колебательные контуры различных типов.

На рис. 10 показан пример реализации на КНТО трехзвенного полоснопропускающе-го СВЧ-фильтра на квазисосредоточенных LC-элементах [10]. Эквивалентная схема устройства представлена на рис. 10а. ИС фильтра выполнена на основе КНТО DuPont Green Tape 951 и имеет размеры 25x10 мм2. В составе фильтра используются плоскопараллельные конденсаторы, электроды которых располагаются в трех слоях и петлевые индуктивные элементы (рис. 10б). Измеренные амплитудно-частотные характеристики устройства приведены на рис. 10в.

Многослойные ИС на КНТО могут содержать дискретные навесные резистивные элементы или выполняемые по толстопленочной технологии интегральные резисторы, для изготовления которых применяются специальные пасты на основе металлов с высоким удельным сопротивлением. Поверхностно-монтируемые резисторы, как правило, имеют большой номинал. Резисторы малого номинала (до 100 Ом) предпочтительнее делать интегральными. Преимущество интегральных резисторов состоит в том, что они могут не только располагаться на поверхности ИС, но и быть встроенными между слоями керамики как обычные слои металлизации.

При необходимости пленочные резисторы могут быть подвергнуты коррекции путем лазерной подгонки. Подгонка встроенных резисторов осуществляется через специальные окна, которые для этой цели вырезают в керамических листах над резистором.

Помимо резисторов на изготовленную многослойную ИС СВЧ могут устанавливаться другие навесные компоненты, среди которых пассивные и активные СВЧ-компо-ненты и ИС, микроэлектромеханические системы, антенны, микропроцессоры и т. п. Технология КНТО поддерживает различные способы установки и коммутации навесных компонентов: пайку, сварку, «флип-чип» (flip chip), технологию поверхностного монтажа, BGA и др.

Навесные компоненты могут располагаться как непосредственно на поверхности многослойной структуры (рис. 11а), так и в специальных полостях, сформированных в керамической структуре (рис. 11б) [11].

а) б)

Рис. 11. Размещение монолитно-интегральной схемы СВЧ-усилителя на поверхности многослойной ИС на КНТО (а) и в специально сформированной полости (б) [11]

Компоненты и технологии, № 5'2005

Окно для лазерной подгонки интегральных резисторов

Сегнетоэлектрические

конденсаторы

Поверхностные Внешняя антенна

компоненты Ч

Внешние выводы для коммутации

Сверхузкие линии передачи

===

Рис. 12. Возможности, предоставляемые технологией КНТО для создания многослойных ИС СВЧ

Итак, подведем некоторые итоги. Изготовление пассивных ИС СВЧ-диапазона в виде многослойных структур на основе КНТО обеспечивает малые габариты и низкую себестоимость СВЧ-устройств. Технология многослойных ИС на КНТО обладает широким спектром возможностей как по реализации элементов внутри многослойной структуры, так и по интеграции с компонентами, изготовленными с применением других технологий (рис. 12).

Многослойные ИС СВЧ имеют развитую элементную базу, которая включает элементы с распределенными параметрами, использующиеся в традиционных (однослойных) гибридных ИС СВЧ, а также квазисосредото-ченные RLC-элементы, которые могут выполняться в одном или нескольких слоях. Многослойная керамическая структура с размещенными внутри элементами пассивной ИС СВЧ может выступать в роли подложки, на кото-

рую монтируются другие, в том числе активные, элементы СВЧ-тракта, преобразователь частоты (смеситель) и отдельные схемы цифровой обработки сигналов. Это позволяет создавать малогабаритные многофункциональные приемопередающие модули для средств беспроводной и мобильной связи, выполненные на единой подложке. ННМ

Литература

1. Scrantom C. Q., Lawson J. C. LTCC technology: where we are and where we are going — II. Proc. of IEEE MTT-S International Symposium for Wireless Applications. 1999.

2. Cahn R. W., HaasenP., Kramer E. J. Materials science and technology. A comprehensive treatment, New York: VCH Publishers Inc. 1996. Vol. 17A, Processing of ceramics.

3. Perrone R., Thust H., Drue K.-H. Progress in the Integration of Planar and 3D Coils on

LTCC by using Photoimageable Inks, Advanced Microelectronics. 2005.

4. Delaney K., Barrett J., Barton J., Doyle R. Characterization and performance prediction for integral capacitors in low temperature cofired ceramic technology // IEEE Transactions on Advanced Packaging. 1999. Vol. 22.

5. Wahlers R., Feingold A. H., Heinz M. Lead Free, Zero Shrink, Substrate Bonded LTCC System. Proc. of 36th International Symposium on Microelectronics. 2003.

6. Deleniv A., Hu T., Jantunen H., Leppavuori S., Gevorgian S. Tunable Ferroelectric Components in LTCC Technology. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2003. Vol. 3.

7. Hu T., Jantunen H., Leppavuori S., Deleniv A., Gevorgian S. Electric-field-controlled permittivity ferroelectric composition for microwave LTCC modules // Journal of the American Ceramic Society. 2004. Vol. 87[4].

8. Lim O.-K., Kim Y.-J., Lee S.-S.. A Compact Integrated Combline Band Pass Filter using LTCC Technology for C-band Wireless Applications. Proc. of 33rd European Microwave Conference. 2003. Vol. 1.

9. Bahl I. Lumped Elements for RF and microwave circuits. Norwood, MA: Artech House. 2003.

10. Kondratiev V., Loscot E., Vendik I., Jakku E., Leppavuori S. Miniaturized LTCC filter on lumped elements for wireless communications. Proc. of 12th International Conference on Wireless Communications. 2000. Vol. 1.

11. Heijningen M.van, Gauthier G. Low-cost Millimeter-wave transceiver module using SMD packaged MMICs. Proc. of 34th European Microwave Conference, 2004. Vol. 3.