Высокочастотные одно- и многокристальные модули на базе ЖКП подложек. Часть 1.
В таблице 1 ниже приведены основные характеристики ЖКП:
| Диэлектрическая постоянная | Коэффициент диэлектрических потерь | Влагопоглощение | Коэффициент теплового расширения CTEX&Y |
2.9 | 0.0025 | 0.04% | 17 ppm °C |
Однокристальные модули
Однокристальные модули можно создавать с использованием технологии на основе лазерной обработки, чтобы обеспечить необходимые механические характеристики. В своей самой простой форме модуль может быть создан на основе структуры, показанной на Рис.1.
Переходные отверстия, создающие переход от верхних проводников к нижним, просверливаются лазером (глухие) и покрываются медью. Верхние проводники медные (номинальная толщина 40 мкм), а нижние проводники представляют собой сэндвич медь-никель-медь (номинальная толщина 30 мкм, 20 мкм, 35 мкм соответственно). Никель обеспечивает жесткость модуля, предохраняя MMIC от повреждений во время работы и поверхностного монтажа. Стандартная схема для такого модуля показана на Рис. 2.
Конечное покрытие, которое наносится на проводниковые слои, — это универсальное покрытие. Оно состоит из следующих слоев: никель 3-6 мкм, палладий 0,3-0,5 мкм и золото 0,01-0,05 мкм. Главным достоинством этого покрытия является его совместимость как с соединением золотыми проводами, так и с пайкой, что соответственно позволяет избежать необходимости дорогого селективного покрытия.
Была проведена серьезная работа по определению характеристик сквозных отверстий по сравнению с переходными отверстиями. Это было выполнено на наших мощностях в сотрудничестве с Университетом Кардиффа (Великобритания). Пример тестового образца дан на Рис.3.
Корпус на Рис.3 имеет размеры 5х5 мм с полостью 2х2 мм. Настройки системы измерения, показанной на Рис.4, использовались для измерения вносимых и возвратных потерь в диапазонах от 1 ГГц до 50 ГГц. Размеры элементов тестового корпуса были разработаны так, чтобы они были совместимыми с шагом зонда 400 мкм. Для непосредственного зондирования корпус переворачивают и зондируются копланарные линии. Измерение корпуса с использованием этой конфигурации позволяет быстро определить общие характеристики корпуса.
Смоделированные и измеренные результаты для вносимых и возвратных потерь показаны на Рис.5.
Также была измерена изоляция, эти результаты приведены на Рис.6. Для этого измерения питающие линии корпуса на верхнем слое были соединены с полостью заземления на обеих сторонах, оставляя зазор в 1,2 мм между двумя соединительными проводами. Итоговая изоляция корпуса оказалась лучше, чем -40 дБ за счет 1,2 мм расстояния разделения на всей полосе пропускания.
Расчетное тепловое сопротивление модуля составляет <0.3oC/W от задней поверхности MMIC до нижней (для пайки) поверхности корпуса. Данный расчет показан в Таблице 2. Обратите внимание, что два внешних слоя золота, которые обычно имеют толщину 0,03 мкм, в данном расчете игнорируются.
Слой | L | К | A | Rth = L/(K.A) |
Единицы | m | W/m/K | m2 | °C/W |
Ag Эпоксид (DieMat) | 1.50E-05 | 60 | 3.00E-06 | 8.33E-02 |
Pd | 4.00E-07 | 72 | 3.00E-06 | 1.85E-03 |
Ni | 4.50E-06 | 91 | 3.00E-06 | 1.65E-02 |
Си | 3.50E-05 | 390 | 3.00E-06 | 2.99E-02 |
Ni | 2.00E-05 | 91 | 3.00E-06 | 7.33E-02 |
Си | 3.50E-05 | 390 | 3.00E-06 | 2.99E-02 |
Ni | 4.50E-06 | 91 | 3.00E-06 | 1.65E-02 |
Pd | 4.00E-07 | 72 | 3.00E-06 | 1.85E-03 |
|
|
| Rth итого | 2,53E-01 °C/W |
Однако, нужно подчеркнуть, что конструкция материнской платы, на которую будет установлен модуль, будет играть важнейшую роль с точки зрения мощности, которая будет рассеиваться этим модулем. Наиболее распространенное решение для теплового управления – это наличие сетки сквозных отверстий на материнской плате под панелью заземления модуля для отведения тепла вниз на холодную стену. Пример такого устройства показан на Рис.7.
Чтобы улучшить рассеивание мощности, модуль должен быть установлен на жесткую медную «монету», встроенную в структуру материнской платы.
ЖКП модули можно использовать для получения результатов близких к герметичности. Для этого припаивается металлическая крышка с использованием припоя с высокой точкой плавления (например, AuSn). Для монтирования крышки вокруг активных элементов модуля должна быть проложена заземленная металлическая дорожка. Были проведены испытания на малые течи с ЖКП корпусом 8х8 мм с металлической крышкой. Измеренная скорость утечки гелия составила менее 3х10-8 атмосфер/куб.см/сек. Это соответствует требованиям Mil-Std 883 для модуля испытуемого объема.
Источник: www.labtechmicrowave.com
