Реклама на сайте

вход на сайт

Имя пользователя :
Пароль :

Восстановление пароля Регистрация
Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем
Технология низкотемпературной совместно спекаемой керамики (LTCC - Low Temperature Cofired Ceramics) представляет собой высокотехнологичное, недорогое решение для сборки и герметизации монолитных СВЧ-микросхем. Материалы, используемые при создании таких устройств, должны соответствовать требованиям низких СВЧ-потерь, высоких прочности и допусков линейных размеров, конкурентоспособной цены. В статье рассмотрена система материалов Ferro А6 для LTCC-технологии. Представлены основные физические и электрические характеристики, дано сравнение различных систем LTCC-металлизации (золотой, серебряной, смешанной).


В последние годы в России наблюдается заметный рост числа разработок и производства СВЧ-техники. Основными тенденциями остаются миниатюризация, увеличение эксплуатационной надежности и функциональных возможностей компонентов [1]. Это выдвигает новые требования к керамическим корпусам и, как следствие, к поставщикам материалов для них.

Низкотемпературная совместно спекаемая керамика -недорогое решение для сборки микросхем в керамических корпусах. Подобные системы обжигаются при 800-900°С. Металлизация в них может быть выполнена с помощью металлов с низким удельным электрическим сопротивлением (серебро, медь, золото) [2, 3]. При увеличении функциональной сложности СВЧ-устройств растет и количество пассивных компонентов. Совместное
спекание нескольких слоев позволяет снижать количество дискретных пассивных компонентов, встраивая их в подложку, что играет существенную роль в снижении размеров СВЧ-устройств нового поколения. Статья представляет собой обзор основных разработок Ferro для СВЧ-электроники, доступных LTCC-материалов и их характеристик, направления развития сборки и герметизации электронных микросхем и полупроводниковых приборов для такой техники.

LTCC-система Ferro А6

LTCC-система - комплекс технологических материалов, включающий керамические листы, проводящие, резистивные и диэлектрические пасты. Система Ferro А6 подразделяется на две группы: А6-М и A6-S.

А6-М - предпочтительна для микроволновых приборов, требующих высочайшего уровня
надежности. Система имеет диэлектрическую проницаемость 5,9 и очень низкие диэлектрические потери (<0,002 на 10 ГГц), используется для изготовления работающих на частотах до 110 ГГц устройств для военной и космической отраслей.

A6-S, имея аналогичные диэлектрические характеристики, позволяет снизить стоимость изделия за счет серебряной и смешанной металлизаций (золото+серебро). Она создана для СВЧ-приборов, работающих на частотах от 2,45 до 100 ГГц. Типовые физические свойства материалов А6-М и A6-S приведены в табл.1.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Таблица 1. Физические характеристики керамики А6


Керамическая лента Ferro А6

Низкотемпературная керамика обычно используется в качестве подложки или материала для корпусов микросхем. Для них, как правило, требуется керамика с низкой диэлектрической проницаемостью, которая в Ferro А6 составляет 5,9±0,2.

Основа ленты Ferro А6 -кальциево- бор о силикатное кристаллизующееся стекло. Типовой профиль обжига включает сушку при 450°С и обжиг при 850°С. Кристаллизация наступает после вязкого спекания. В результате образуется плотная керамика. Повторный обжиг оказывает слабое влияние на последующую кристаллизацию, поэтому керамика Ferro А6 может многократно выдерживать термообработку.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Рис.1. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь для Ferro А6 на частотах от 1 до 90 ГГц


Благодаря низкой температуре обжига керамики Ferro А6 появляется возможность использования полного спектра материалов для металлизации на основе драгоценных металлов, в том числе на серебре. Обжиг, как правило, осуществляется на воздухе, что наряду с возможностью использования серебра существенно снижает стоимость и улучшает характеристики керамики. Серебро обладает наименьшим удельным электрическим сопротивлением, а использование окислительной атмосферы позволяет применять в качестве диэлектрика традиционную оксидную керамику с высокими значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей [4-6].

Для покрытия полного спектра частот от 1 до 90 ГГц диэлектрические характеристики материалов Ferro A6S измерялись с помощью ряда тестовых методов (LCR, анализаторы импеданса и электрических схем, СВЧ-резонаторы и т.д.) [7].

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Таблица 2. Диэлектрические характеристики керамики А6


Зависимость диэлектрических характеристик системы Ferro А6 от частоты представлена на рис.1, а типовые диэлектрические характеристики - в табл.2. Как видно из приведенных данных, керамика Ferro А6 сохраняет стабильные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь во всем диапазоне рассматриваемых частот.

LTCC-np ов о д ники для системы Ferro А6

Совместимые с керамикой А6 проводники - важная часть LTCC-системы Ferro. Компания предлагает полный спектр проводящих паст для создания по толстопленочной технологии электронных компонентов СВЧ-техники. Пасты (табл.З) разделены на три группы: золотая, серебряная и смешанная (золото+серебро) металлизации. Пасты Ferro обладают типовыми свойствами, характерными для толстопленочных паст: высокие качество, разрешение печати и т.д.

В совместно спекаемой системе проводники должны быть также согласованы с диэлектрическими лентами по коэффициентам усадки и теплового расширения, иметь полную химическую совместимость. Пасты Ferro созданы с учетом полного соответствия с керамикой А6 и образуют единую, надежную технологическую систему. На рис.2 приведен пример металлизации переходных отверстий системы Ferro А6 диаметром 254 мкм, демонстрирующий высокое качество и отсутствие дефектов в процессе изготовления.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Рис.2. Металлизация серебром переходных отверстий в системе Ferro А6


Низкие потери СВЧ - важнейшая характеристика LTCC-систем, поскольку потери в диэлектриках и проводниках вносят основной вклад в их общую величину в СВЧ-технике. Исследования показали, что потери в проводниках становятся сравнимыми с потерями в диэлектриках на частотах выше 1 ГГц. Например, в проводниках они вносят 70% в суммарное значение на частоте 1 ГГц [9]. Основные усилия разработчиков материалов для LTCC-систем по снижению потерь СВЧ-техники направлены на использование металлов с низким удельным электрическим сопротивлением и оптимизацию состава и количества неорганических добавок. Типовые результаты измерений СВЧ-потерь в проводниках показаны на рис.З.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Рис.З. Типовые электрические характеристики серебра (система Ferro А6 с серебряной металлизацией)


Измерения для керамики Ferro А6 с серебряной металлизацией Ferro CN33-229 проводились с помощью кольцевого ми-крополоскового резонатора [9]. Методика может быть использована для частот до 20-25 ГГц. Усовершенствование метода для его использования до 40 ГГц продолжается.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Таблица 3. Вид металлизации для системы А6


СВЧ-потери в проводниках в основном ограничены удельным электрическим сопротивлением металла, однако другие факторы, такие как вид неорганических добавок, геометрия и шероховатость поверхности также оказывают существенное влияние. График зависимости СВЧ-потерь от частоты (рис.4) показывает, что золотые проводники имеют большие потери, чем серебряные. Это обусловлено относительно высоким удельным электрическим сопротивлением золота по сравнению с серебром (2,3 мкОм-см для золота и 1,6 мкОм-см для серебра). Очевидно, что для снижения стоимости и уменьшения СВЧ-потерь предпочтительна металлизация на основе серебра. Однако, когда необходима проводочная микросварка и высокая надежность является определяющим фактором, следует использовать золотую металлизацию.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Рис.4. Вносимые потери для золота и серебра


Системы смешанной металлизации совмещают в себе преимущества золотых и серебряных проводников. В них золото используется для формирования поверхности, а серебро -для внутренних проводников. Специальные материалы применяются для создания перехода между золотой и серебряной металлизацией. Таким образом, смешанная металлизация обеспечивает высокую производительность и позволяет снизить стоимость изделий.

Для увеличения прочности микросварного соединения разработана проводящая паста 30-065 на основе золота. Новый механизм адгезии золотого слоя увеличивает прочность соединения примерно в два раза (табл.4) без ухудшения соответствия коэффициентов усадки (рис.5). Благодаря улучшенным неорганическим наполнителям в пасте 30-065 потери в проводниках также снизились.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Рис.5. Тестовые образцы для измерения коэффициентов усадки


LTCC-резисторы Ferro

Удельное сопротивление существующих толстопленочных резисторов для LTCC-систем Ferro составляет от 10 до 10000 Ом/квадрат. Допуск на номинал резисторов - ±10% с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) ±200х10'6 1/°С. Наиболее сложной задачей в разработке резистивных паст является их химическая совместимость с материалами А6. Усилия производителей резистивных паст направлены на создание резисторов с высоким электрическим сопротивлением, более низким значением ТКС и жесткими допусками на номинальное значение сопротивления.

Система для сборки и герметизации монолитных СВЧ микросхем

Таблица 4. Характеристики проводящих слоев Ferro для микросварки


В целом LTCC-системы Ferro предлагают технологичные и экономичные решения для создания корпусов электронных СВЧ-микросхем и полупроводниковых приборов. Эти системы включают набор керамики и проводящих, диэлектрических и резистивных паст, созданных с учетом полной химической совместимости, а также соответствия их физических характеристик. Низкие СВЧ-потери и стабильность коэффициента диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот - характерная особенность Ferro А6. Это позволяет рассматривать LTCC-систему как основу для создания устройств, работающих на частотах до 110 ГГц и требующих высочайшего уровня надежности.

Литература

1. Ребров С.И. Приоритетные направления развития электронной СВЧ-техники. -Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника, 2009, вып. 1(500).
2. Чигиринский С.А. Особенности и преимущества производства многослойных структур на основе керамики (LTCC, НТСС, MLCC). Степень Интеграции. Информационный бюллетень.
3. Кондратюк Р.И. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (LTCC). Преимущества. Технология, материалы. Степень Интеграции. Информационный бюллетень №5, апрель 2011.
4. S. Turvey. LTCC Materials at the Leading Edge, Electronic Packaging & Production, Supplement, November 1994, p.6.
5. J. Alexander, S.K. Muralidhar, G.J.Roberts, T.J. Vlash, A low Temperature Co-firing Tape System Based on a Crystallization Glass. - ISHM 91 Proceedings.
6. S.K. Muralidhar, A.S. Shaikh, G.J.Roberts, D.L. Hankey, D.J. Leandri, T.J. Vlach, Low Dielectric Low Temperature Fired Glass Ceramics, US patent, 5,164,342,1992.
7. Ferro A6S, Technical Data Sheet, Ferro Electronic Materials, Rev. 01/11.
8. M. Xu. Microstrip Losses at Microwave Frequencies , thesis, 1994,Center for Dielectric Studies, Pennsylvania State University.
9. S. Vasudevan and A. Shaikh, Wide Band Electrical Characterization of low Temperature Cofired Ceramic Tape. - ISHM 95 Proceedings.

Автор: Р. Кондратюк, статья из журнала «Наноиндустрия» №6 2011

  • 0
Новость опубликована 20-03-2014, 22:41, её прочитали 2578 раз(а)
Понравилась тема? Посмотрите эти:
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.