2. Мікросмужкова лінія передачі

Найбільш розповсюдженим типом ІЛП є мікросмужкова лінія (МСЛ). Вона використовується в гібридних і монолітних інтегральних схемах НВЧ діапазону. На відрізках МСЛ будують відгалужувачі, фільтри, резонатори, подільники потужності тощо. МСЛ представляє собою несиметричну смужкову лінію, виконану на підкладці з великою діелектричною проникністю . Конструкція МСЛ показана на рис. 2.1.

а) б)

а – конструкція; б – структура Т-хвилі

Рисунок 2.1 – Мікросмужкова лінія

Основними електричними параметрами МСЛ є:

– робоча смуга частот;

– хвильовий опір;

– затухання;

– добротність;

– електрична міцність.

Конструктивними параметрами МСЛ є:

– ширина підкладки a;

– товщина підкладки h;

– товщина смужки t;

– ширина смужки w.

Ширина підкладки a при теоретичних розрахунках припускається нескінченно великою. На практиці .

Товщина смужки t для забезпечення малих втрат у провіднику складає не менше трьох товщин скін-шару.

Ширина смужки w для подавлення вищих типів хвиль має бути зменшена. Проте зменшення ширини смужки призводить до зростання втрат у провіднику.

Товщина підкладки h вибирається згідно з компромісними міркуваннями. Зменшення товщини підкладки забезпечує малі втрати на випромінювання, зниження вірогідності виникнення поверхневих хвиль, збільшення щільності монтажу. Проте при зменшенні товщини підкладки для збереження постійності хвильового опору необхідно зменшувати ширину смужки, що призводить до зростання втрат у провіднику і зниження добротності лінії. Крім того, при малих значеннях h і w потрібні досить жорсткі технологічні допуски для забезпечення заданих допусків на електричні параметри. Перші можуть виявитися важко реалізованими.

2. Підкладки нвч мікросхем

Підкладка є важливою складовою частиною лінії передачі і, відповідно, мікросхеми НВЧ, сконструйованої на основі даної лінії. Характерною особливістю підкладки є те, що вона не тільки виконує функцію несучої основи для розміщення плівкових і навісних елементів, але і є середовищем для розповсюдження електромагнітних хвиль. Тому від геометричних розмірів і властивостей матеріалу підкладки залежать електричні параметри МСЛ передачі. Підкладки повинні мати:

• малі втрати;

• високе значення діелектричної проникності ;

• жорсткі допуски на лінійні розміри;

• велику теплопровідність;

• стійкість до механічних впливів;

• інертність до хімічних травників;

• незалежність діелектричної проникності і питомого опору від змін частоти і температури;

• низьку вартість.

Перерахованим вимогам у повній мірі не може відповідати будь-який матеріал, у зв’язку з цим в кожному конкретному випадку вибір підкладки повинен ґрунтуватися на компромісному рішенні.

Для підвищення ступеню інтеграції і з метою зниження втрат на випромінювання використовують підкладки з високим значенням . Проте при збільшенні можуть виникати поверхневі хвилі, посилюється залежність від температури, зростають вимоги до технологічних допусків. Вказані протиріччя примушують конструктора вибирати матеріалу підкладки з компромісних міркувань. Часто таким значенням є .

Для зниження діелектричних втрат використовують підкладки з малим тангенсом кута діелектричних втрат ( ). Отримання матеріалу з малими втратами пов’язане з проблемами забезпечення високої чистоти матеріалу.

Шорсткість поверхні підкладок суттєво впливає на величину втрат у провідниках і точність відтворення геометричних розмірів елементів НВЧ мікросхем.

Вплив шорсткості підкладки на втрати в провідниках МСЛ пояснюється тим, що внутрішня поверхня провідника, яка прилягає до підкладки, практично повторює рельєф підкладки.

Якщо висота мікронерівностей підкладки перевищує глибину скін-шару, це призводить до збільшення довжини шляху протікання поверхневого струму, а відповідно, і до збільшення активних втрат у провіднику.

Зі збільшенням частоти глибина скін-шару зменшується і, відповідно, шорсткість поверхні в більшій мірі впливає на величину втрат.

Для зниження втрат в провідниках висота мікронерівностей не повинна перевищувати половини глибини скін-шару.

Підкладки НВЧ мікросхем представляють собою прямокутні пластини рекомендованих розмірів: 48х60; 24х60; 30х48; 24х30; 15х25; 12х15 мм. Товщини підкладок обираються з ряду 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Найбільше розповсюдження в МСЛ отримали керамічні матеріали: полікор, А-996, ГМ, 22ХС, сапфіріт, серед яких найкращі характеристики має полікор – полікристалічний корунд. В табл. 2.2 наведені дані по фізико-механічним властивостях підкладок ГІС НВЧ.

Таблиця 2.2 – Властивості матеріалів підкладок ГІС НВЧ [12]

Матеріал		Густина, г/см3	ТКЛР при температурі 20...200С 10-7, 1/С	Теплопровідність при температурі 20С, Вт/(мС)	Діелектрична проникність на частоті 1010 Гц при температурі 20...300С	Тангенс кута діелект-ричних втрат на частоті 1010 Гц при температурі 20...300С, tgδ10-3
Сітал	СТ-32-1 СТ-38-1 СТ-50-1	3,19 2,9 2,65	32 38 50	1,045 1,31 -	10 7,25...7,5 8,2	3...5 2...10 50
Кераміка	Полікор Сапфір Сапфіріт ГМ 22ХС Брокеріт	4,0 3,93 3,96 4 3,65 2,90	75 66,6 62 64 60 60	25...37,7 23 21...25 21...25 13,1 210	9,60,2 11,4 (вісі ||) 13,2 (вісі ) 9,3...10,1 9,5..10 9,2...9,4 6,4...6,6	0,2...0,5 - 1 1..1,1 0,5...1,2 10 2...5
Ферити	10СЧ-6 30СЧ-6	5,02 3,9	49...61 50...78	2,59 -	13,8...16,3 8,5...10,5	70 20

Кераміка широко використовується для виготовлення підкладок НВЧ мікросхем. Проте не кожний вид керамічних матеріалів може найбільш повно задовольнити вимогам, які пред’являються до підкладок.

Широке розповсюдження отримала глиноземна кераміка з високим вмістом окису алюмінію. Вона має діелектричну проникність близько 9,7, що дозволяє значно зменшити розміри схеми.

В порівнянні з берилієвою керамікою і титанатом барію, кераміка на основі окису алюмінію має кращі властивості: низькі діелектричні втрати, невеликі зміни діелектричних параметрів ε і зі зміною температури, високу стабільність у часі.

Полікор – кераміка, що містить 99,7% і вище оксиду алюмінію Al₂O₃. Полікор представляє собою кристалічний високоглиноземистий корундовий матеріал, який характеризується мінімальною пористістю (менше 0,5%), а також підвищеною хімічною і термічною стійкістю.

Полікорові підкладки випускаються розміром 48х60; 24х30 мм товщиною 0,5 і 1 мм і мають клас шорсткості поверхні від 8 до 14.

Сапфір представляє собою монокристалічний окис алюмінію з вмістом Al₂O₃ 99,6%. Він буває природним і штучним. Останній отримують орієнтованим витягуванням по методу Чохральского. Сапфір має гарні механічні і фізичні властивості. Властивості штучного сапфіра залежать від напрямку вимірювання: перпендикулярно чи паралельно вісі кристала.

Монокристалічний сапфір має ряд переваг у порівнянні з полікристалічним. Цей діелектрик більш однорідний за своїми властивостями, має високу густину. Його поверхня може бути оброблена до високого класу шорсткості (14). Тому сапфір використовують в тих випадках, коли необхідна висока точність і найбільша однорідність електричних властивостей. Сапфір випускається у вигляді пластин діаметром до 100 мм.

Берилієва кераміка має гарні діелектричні властивості і відмінну термічну провідність, але вона складно оброблюється. Крім того, пил, що виникає при механічній обробці, є токсичним, що шкідливо для здоров’я і призводить до більших витрат на створення засобів техніки безпеки. Берилієва кераміка може використовуватися для створення високопотужних НВЧ мікросхем.

Кераміка на основі окису берилію з вмістом ВеО має назву «Брокерит».

Ферити представляють собою клас матеріалів, в яких вдало поєднуються властивості напівпровідників, діелектриків і феромагнетиків. Тому їх використання в якості підкладок ГІС НВЧ дозволяє створити новий вид пристроїв, у яких можливе керування властивостями через використання зовнішнього поля.

Феритові елементи можуть служити складовою частиною комбінованої плати, що представляє собою діелектричну основу, яка містить активні магнітні зони.

За своєю структурою ферити можуть бути моно- і полікристалічними. Відмінною рисою феритів є високий питомий електричний опір і відносно низькі діелектричні втрати. За характером залежності електроопору від температури ферити аналогічні напівпровідникам. Ферити мають високу магнітну проникність.

За своїми фізико-механічними властивостями ферити добре задовольняють вимогам, що пред’являються до підкладок ГІС НВЧ. Вони мають високу механічну міцність і густину, відповідно, їх поверхня може бути оброблена до високого класу шорсткості (12…13). Ферити є термостійкими матеріалами, що дозволяє отримувати на їх поверхні стабільні плівкові структури. Діелектрична проникність феритів вища, ніж у інших діелектричних матеріалів ( ), величина тангенса кута діелектричних втрат складає .

Феритові підкладки отримують штучним способом шляхом спікання окисів певних металів і окисів заліза.

В наш час випускаються підкладки з марок феритів 10СЧ-6, 30СЧ-6, 40СЧ-2 та інших, розміром 6048 мм, товщиною 1 і 2мм.

Сітали представляють собою склокристалічні матеріали на основі окисів металів: літію, алюмінію, кальцію, магнію, титану, кремнію та ін. Сітал відрізняється від скла наявністю однорідної і розвинутої кристалічної структури, яка займає від 50 до 90% всього об’єму. Завдяки наявності кристалічної фази сітал має кращі, в порівнянні зі склом, фізико-механічні властивості.

Сітали в декілька разів міцніші скла, а також більшості керамічних матеріалів, але їм не властива в’язкість, вони є крихкими матеріалами. Сітали мають добрі термічні властивості: низький коефіцієнт лінійного розширення і високу термостійкість. Діелектричні втрати в сіталах визначаються складом і структурою кристалічної фази, а також наявністю скловидної фази. Тангенс кута діелектричних втрат для різних видів сіталів складає (2...50)*10^-4.

У виробництві НВЧ мікросхем сітали використовуються у вигляді пластин розміром 6048 мм, товщиною 0,5 і 1 мм.