Трудности производства СВЧ-блоков обусловлены двумя основными особенностями, присущими данным устройствам, – это рабочие частоты в десятки гигагерц и довольно большая рассеиваемая тепловая мощность. Мы предлагаем новую технологию серийного изготовления СВЧ электронных блоков, использование которой позволяет в разы увеличить эффективность производства по сравнению с традиционным подходом. И это, без преувеличения, можно считать технологическим прорывом.
При изготовлении СВЧ-устройств разработчики должны решить ряд проблем, связанных с потерями в линиях передач и рассеянием в материалах, и для этого, во-первых, необходимо выбрать соответствующие материалы для печатной платы, исходя из следующих важнейших параметров: диэлектрической постоянной, тангенса угла диэлектрических потерь и толщины диэлектрика. Именно эти параметры влияют на характеристики будущих СВЧ электронных блоков. Материалы для высокочастотных печатных плат должны иметь диэлектрическую проницаемость, стабильную в широком диапазоне частот, и низкий показатель потерь в диэлектрике.
Диэлектрическая постоянная, как известно, определяет паразитную емкость линии передачи, а также скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрическом материале. Чем выше диэлектрическая постоянная, тем медленнее распространяется сигнал, ниже волновое сопротивление и выше паразитная емкость линии передачи.
Диэлектрическая постоянная у любого материала зависит от частоты. Некоторые материалы имеют достаточно малую частотную зависимость, которой можно пренебречь, у других эта зависимость сильно выражена. Результатом данной зависимости является частотная зависимость волнового сопротивления, которая может привести к рассогласованию линии передачи, вызвать увеличение потерь сигнала, и привести к выходу схемы из строя.
Чтобы не допустить значительного влияния толщины диэлектрика на параметры СВЧ-блоков, необходим строгий допуск на толщину диэлектрика. Известно, что изменение толщины диэлектрика на 20% относительно расчетного приводит к изменению значению импеданса примерно на 12%.
Тангенс угла диэлектрических потерь определяет затухание электромагнитной волны, связанное с рассеянием в процессе распространения волны в диэлектрике. Этот параметр определяется внутренней структурой базового диэлектрика. В идеале надо применять материалы с минимальным значением этого параметра, однако материалы с очень низким значением тангенса потерь имеют сравнительно высокую стоимость.
Базовые материалы для ВЧ- и СВЧ-применений
Все предлагаемые сейчас базовые материалы (материалы для оснований) можно разделить на две группы, в зависимости от типа исходного материала, а также способа построения готовой композитной структуры:
• материалы на основе политетрафторэтилена (тефлон, фторопласт-4, PTFE);
• материалы, не использующие политетрафторэтилен.
Кроме этого, применяются различные варианты построения композитных структур для получения заданных электрических и механических свойств, такие как использование керамического порошка в качестве наполнителя, а также стекловолокна или стеклоткани для армирования материала.
Материалы на основе политетрафторэтилена (PTFE)
Материалы на основе PTFE появились на рынке базовых ВЧ/СВЧ материалов одними из первых, в настоящее время являются достаточно распространенными и используются во многих областях электронной промышленности. Производство печатных плат с использованием таких материалов имеет отличия от производства плат на основе обычных стеклотекстолитов (типа FR-4), однако для современного технологического оборудования данные особенности не представляют особых проблем.
В качестве примера рассмотрим материал CER-10, производимый компанией Taconic (www.taconic-add.com). Этот материал представляет собой органически-керамический композитный материал со значением диэлектрической постоянной e=10. Материал армирован стеклотканью, в качестве наполнителя применяется специализированная керамика. CER-10 обладает превосходной устойчивостью к термическим воздействиям, однородными электрическими свойствами, а также низким влагопоглощением. В табл.1 приведены характеристики данного материала.
Таблица 1.
Основные характеристики материала CER-10
Характеристика | Значение | Примечание |
Диэлектрическая постоянная | 10 | 10ГГц/23°С |
Тангенс угла потерь | 0,0035 | 10 ГГц/23°С |
Объемное сопротивление, МОм?см | 2,1?108 |
|
Поверхностное сопротивление, МОм | 1,1?109 |
|
Электрическая прочность, кВ/мм | 44 |
|
Предел прочности, Н/мм2 | 46 |
|
Прочность на изгиб, Н/мм2 | 107 |
|
Коэффициент теплового расширения, ppm/°С | 13–15 (X,Y) 46 (Z) | -55…288°С |
Коэффициент теплопроводности, Вт/м/°К | 0,63 | 100 °С |
Влагопоглощение, % | 0,02 | 48 ч, 50°С |
Прочность фольги на отрыв, Н/мм | 1,61 | После пайки |
Плотность, г/см3 | 3,05 | 23°С |
Класс горючести | 94V–0 | UL |
Стандартные толщины, мм | 0,64 0,76 1,19 1,27 1,58 1,91 2,54 3,18 |
|
Материалы, не использующие политетрафторэтилен
Ко второй группе базовых материалов относятся, например, материалы серии RO4000, производимые компанией Rogers Corporation. Серия высокочастотных материалов RO4000 была разработана, чтобы, с одной стороны, обеспечить качественные СВЧ-характеристики, сравнимые с таковыми у фторопластосодержащих материалов, и, с другой стороны, максимально упростить технологию изготовления плат, т.е. сделать ее совместимой с традиционной технологией обработки армированных текстолитов (FR4).
Материалы RO4000 представляют собой армированное стекловолокно с высокой температурой стеклования (Тд>280°С) с наполнением из термореактивного полимера с добавлением керамики. В отличие от материалов на основе фторопласта (PTFE), для данных материалов не требуется специальной химической или плазменной обработки поверхности при подготовке производства металлизированных переходных отверстий.
На основе этих материалов можно изготавливать как двухслойные, так и многослойные печатные платы, в том числе гибридные структуры (с использованием обычного FR4 для некоторых слоев).
Основные характеристики материалов серии RO4000 приведены в табл.2.
Таблица 2
Основные характеристики базовых материалов серии RO4000
Характеристика | Значение | Примечание | |
| RO4003C | RO4350B |
|
Диэлектрическая постоянная | 3,38 ± 0,05 | 3,48 ± 0,05 | 10 ГГц/23°С |
Тангенс угла потерь | 0,0027 | 0,0037 | 10 ГГц/23°С |
| 0,0021 | 0,0031 | 2,5 ГГц/23°С |
Темп. коэфф. диэл. постоянной, ppm/°С | 40 | + 50 | -100…255°С |
Объемное сопротивление, МОм?см | 1,7?1010 | 1,2?1010 |
|
Поверхностное сопротивление, МОм | 4,2?109 | 5,7?109 |
|
Электрическая прочность, кВ/мм | 31,2 | 31,2 | 0,51 мм |
Модуль упругости, МПа | 26,889 | 11,473 |
|
Предел прочности, МПа | 141 | 175 |
|
Прочность на изгиб, МПа | 276 | 255 |
|
Коэффициент теплового расширения, ppm/°С | 11(X) | 14(X) |
|
| 46(Z) | 35(Z) | -55…288°С |
Температура стеклования, °С | >280 | >280 |
|
Температура декомпозиции, °С | 425 | 390 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/м/К | 0,64 | 0,62 | 100°С |
Влагопоглощение, % | 0,04 | 0,04 | 48 ч, 50°С |
Прочность фольги на отрыв, Н/мм | 1,05 | 0,88 | После пайки |
Плотность, г/смЗ | 1,79 | 1,86 | 23° С |
Класс горючести | - | 94V-0 | UL |
Стандартные толщины, мм | 0,203 0,305 0,406 0,508 0,813 1,524
| 0,101 0,168 0,254 0,338 0,422 0,508 0,762 1,524 |
|
Технология изготовления СВЧ ЭБ
Надо сказать, что традиционно для изготовления СВЧ-устройств применяется поликор в качестве материала подложки и бескорпусные компоненты (с разваркой золотой проволокой) в качестве элементов схемы. Для улучшения теплоотвода с обратной стороны подложки часто располагается радиатор. Однако данная технология позволяет производить "штучный товар" и мало применима в серийном производстве. Большой объем ручных операций, необходимый для "традиционной" технологии, приводит к длительному сроку производства, большому количеству брака (зачастую выход годных изделий не превышает 20%, что ведет к значительным издержкам из-за потери дорогостоящих комплектующих). А плохая воспроизводимость параметров изделия приводит к необходимости длительной настройки каждого блока.
Мы предлагаем новое техническое решение, разработав уникальную технологию серийного производства СВЧ электронных блоков (ЭБ) с рабочими частотами 6, 12 и 24 ГГц. По этой технологии были изготовлены и успешно испытаны системы контроля скоростного режима. Инновационность данной технологии в том, что она кардинально меняет временные параметры изготовления СВЧ ЭБ.
В качестве базового материала применяются высокочастотные материалы компании Rogers серии RO4000. На данном материале выполняется двухслойная печатная плата (ПП) с металлизированными отверстиями. Обычно на верхнем слое расположены дискретные элементы изделия и элементы топологии. В настоящее время точность воспроизведения элементов топологии составляет ±12 мкм, что достаточно для большинства применений. Нижний слой ПП представляет собой сплошной полигон "земли". Металлизированные отверстия обеспечивают электрическое соединение слоев и теплоотвод.
Данная двухслойная печатная плата соединяется с теплоотводящим основанием (обычно медным) через тонкую прокладку (препрег), обладающую хорошими тепло- и электропроводящими свойствами. Коэффициент теплопроводности для используемого препрега составляет 7 Вт/м/К, а объемное электрическое сопротивление 0,0002 Ом/см. Соединение производится методом вакуумного прессования. Таким образом, образуется единый "сэндвич" из высокочастотного базового материала и медного теплоотвода. Внешний контур может иметь достаточно сложную геометрию, возможна внутренняя фрезеровка пазов, вырезов, в том числе заданной глубины.
Для обеспечения защиты от коррозии медь на поверхности ПП, а также медная подложка покрываются слоем гальванического золота (примерно 2,5 мкм толщиной), которое позволяет применять как разварку золотой проволокой, так и пайку.
В качестве дискретных элементов применяются элементы в корпусах для SMD-монтажа. Элементы в корпусах, разумеется, обладают несколько худшими характеристиками, чем бескорпусные, однако для большинства применений это несущественно. Кроме того, применение SMD-элементов позволяет использовать автоматический монтаж, что существенно облегчает процесс сборки и дает значительно более воспроизводимый результат (что уменьшает время настройки готовых блоков в разы).
Мы выпускаем печатные платы и электронные блоки для СВЧ-применений уже несколько лет. В первое время ЭБ изготавливались на двухсторонних и многослойных печатных платах (МПП) из материалов Rogers серии 4000 (также использовались «гибридные» структуры МПП, объединяющие материалы Rogers с обычным FR-4 в составе единой печатной платы).
С осени 2009 года внедряется технология производства СВЧ электронных блоков на основе материалов Rogers с медным основанием (толщина медного основания 1 и 3 мм). Платы на металлическом основании обладают большой теплоемкостью, что делает вопрос обеспечения качественного монтажа электронных компонентов достаточно нетривиальным. Результаты испытаний установочной партии данных изделий полностью удовлетворили требованиям клиента, что доказало верность выбранного технологического решения.
Несмотря на имеющиеся недостатки базовых материалов Rogers по сравнению с традиционными материалами (например, поликором), с точки зрения технологии базовые материалы компании Rogers, широко известные на рынке материалов ПП для высокочастотных применений, имеют значительные преимущества по характеристикам и обладают достойным качеством.
Так, при использовании поликора и подобных ему материалов структура топологии элементов на поверхности ПП обычно формируется с использованием тонкопленочной технологии, что требует применения глубокого вакуума. Такое производство является весьма дорогостоящим, занимает значительное время, и выход годных изделий сравнительно небольшой. Кроме того, существуют большие трудности в соединении подложек из керамических материалов с металлическими теплоотводящими основаниями. Также на подобных материалах практически невозможно сделать металлизацию сквозных отверстий, а тем более создать многослойную структуру. Базовые материалы Rogers лишены этих недостатков. Более того, на основе этих материалов возможно создать «гибридную» схему, объединяющую в составе единой печатной платы как СВЧ-часть, так и низкочастотную схему управления, что сокращает время сборки и уменьшает стоимость готового изделия. Подобные решения физически невозможно применить на базе керамических материалов типа поликора.
Несмотря на существование температурной зависимости диэлектрической проницаемости (а она существует для любого материала), климатические испытания СВЧ ЭБ, изготовленных по новой технологии, показали функциональность изделий в широком диапазоне температур (от -60 до 80оС). Таким образом, для многих применений данная зависимость не оказывает существенного влияния на характеристики конечного устройства (разумеется, ее необходимо учитывать на этапе проектирования). Кроме того, компания Rogers выпускает целую линейку термостабильных базовых материалов.
Точность изготовления элементов топологии по новой технологии составляет ±10 мкм и для широкого круга применений этого более чем достаточно. Кроме того, применение бескорпусных элементов подразумевает или изготовление единичных, уникальных изделий (при монтаже вручную), или изготовление очень крупных серий (только тогда оправдано применение автоматизированного монтажа бескорпусных элементов). Применение ручного монтажа автоматически гарантирует низкую повторяемость характеристик готового изделия, что влечет за собой необходимость длительной настройки каждого прибора, а также высокий процент брака. В нашем случае используются SMT-элементы и традиционная технология автоматического монтажа, это обеспечивает хорошую повторяемость характеристик и низкий процент брака, а также смягчает требования по геометрии контактных площадок.
Обеспечение качественного теплоотвода является одной из ключевых задач при проектировании и изготовлении СВЧ электронных блоков. Дискретные элементы, применяемые в данных изделиях, при своих относительно небольших размерах рассеивают достаточно большую мощность, при этом характеристики самих элементов, а также их ресурс и работоспособность значительно зависят от температуры.
В нашем решении активные элементы выполнены в корпусах с центральной теплоотводящей площадкой (термопадом). Тепло от корпуса элемента, припаянного к базовой плате через термопад, отводится при помощи переходных отверстий (диаметром 0,2 мм) на обратную сторону печатной платы. Обратная сторона ПП, по большому счету, представляет собой единый полигон «земли». Также с обратной стороны изделия при помощи специализированного препрега, обладающего отличной тепло- и электропроводностью, размещается медное основание (толщиной 1 или 3 мм), играющее роль теплоотвода. Соединение базовой платы и медного основания производится методом прессования в вакууме в процессе изготовления подложки. В дальнейшем тепло рассеивается металлическим основанием электронного блока на корпус готового изделия.
На качество теплоотвода влияет множество факторов: качество припрессовки медного основания, качество выполнения переходных отверстий, а также качество монтажа (пайки) навесных элементов. Имеющийся опыт позволяет обеспечить необходимые тепловые характеристики готовых электронных блоков.
Отдельной особенностью печатных плат для СВЧ-применений является достаточно сложная (в отличие от традиционных ПП) геометрическая форма. Корпус готового изделия обычно представляет собой несколько объемных «резонаторов», в каждом из которых находится один функциональный блок (генератор, смеситель, усилитель и т.п.) устройства. Таким образом, печатная плата, предназначенная для установки в этот корпус, имеет контур, отличающийся от прямоугольного. Кроме того, зачастую требуется фрезерование углублений различной формы и размера для создания волноводов или установки компонентов на заданную высоту. Поэтому требуется сложная механическая обработка данных плат в трех плоскостях. Для обеспечения надежного теплового и электрического контакта качество механообработки должно быть очень высоким, т.е. необходимы хорошая плоскостность и низкая шероховатость. Все процессы отработаны, обеспечивается высококачественная трехмерная механическая обработка.
Разработанная технология позволяет проводить гальваническое наращивание золота или никеля на данные платы (такие требования предъявляются не только для специальных применений). В основном, покрытие гальваническим золотом необходимо для создания межсоединений (на самой плате, или отдельных плат между собой) методом сварки. Кроме того, это покрытие обеспечивает защиту проводящего рисунка и медного основания от климатических факторов.
Более подробную техническую информацию, а также всю линейку материалов можно найти на сайтах производителей базовых материалов: Rogers Corporation http://www.rogers-corp.com, Taconic Advanced Dielectric Division http://www.taconic-add.com.