Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19871201Elc037.shtml

Массовое производство монолитных СВЧ ИС в фирме TI

УДК 621.3.049.774

Monolithic microwave ICs move into production at TI pp.89—91.

Программы создания новых видов вооружения стимулируют разработку автоматизированной технологии массового производства арсенид-галлиевых монолитных СВЧ ИС. Фирма TI ведет такую разработку, стремясь повысить выход годных, снизить себестоимость и улучшить параметры этих ИС. На примере нескольких типов монолитных СВЧ ИС, разработанных фирмой TI, показаны их преимущества перед гибридными вариантами подобных ИС.

Монолитные СВЧ ИС, выполненные по арсенид-галлиевой технологии, уже давно должны были бы сыграть для военных электронных систем такую же роль, какую для гражданских систем сыграли кремниевые монолитные цифровые и линейные ИС. В настоящее время, когда фирма Texas Instruments начинает автоматизированное массовое производство, чтобы повысить выход годных и снизить стоимость, может оказаться, что арсенид-галлиевые монолитные СВЧ ИС приближаются к реализации своих потенциальных возможностей. Большой движущей силой являются интенсивно проводимые программы разработки перспективной военной аппаратуры. Для выполнения этих программ необходимы более высокие характеристики, которые способны дать монолитные СВЧ ИС и которыми не обладают гибридные схемы.

Д. Гэри Леруд, технический руководитель отделения СВЧ-компонентов для военной аппаратуры фирмы TI в Далласе, говорит: «Действительно, для некоторых применений с трудно выполнимыми техническими требованиями монолитная технология — это единственный подходящий путь. Классические методы гибридной технологии, которые преобладали в прошлом, просто не дают возможности выполнить эти требования». Благодаря тому что в монолитных СВЧ ИС все согласующие элементы формируются методом фотолитографии, удается добиться большей точности выполнения и меньшего разброса длин выводов, соединений и других структурных размеров; в гибридных ИС соединения обычно создаются вручную приваркой проволочек. Леруд говорит, что СВЧ-схема, работающая на частоте 18 ГГц, чрезвычайно чувствительна к разбросу этих элементов.

Как и в случае любой другой ИС, стоимость монолитных СВЧ ИС может быть снижена благодаря уменьшению числа компонентов и межсоединений по сравнению с эквивалентной гибридной сборкой, скажем, типичного усилителя. Другой важный путь снижения стоимости — разработка кристаллов, пригодных для автоматизированного производства. Этот путь — главное направление работ, проводимых в области монолитных СВЧ ИС фирмой TI. Примером здесь может служить разработка многошлейфовых широкополосных мостов Ланге, используемых при конструировании СВЧ-усилителей.

Фирма TI облегчает разработку монолитных СВЧ ИС использованием обширной библиотеки программ для автоматизированного проектирования. Однако, как говорит Леруд, для того чтобы технология монолитных СВЧ ИС была внедрена в производство, предстоит еще пройти большой путь. По словам Леруда, прежде чем будут созданы приемлемые монолитные СВЧ ИС, необходимо провести большие усовершенствования в их проектировании, технологии изготовления, сборке и испытаниях.

Одна из целей фирмы TI заключается в разработке для монолитных СВЧ ИС серии строительных блоков, которые могли бы использоваться в многочисленных системах, предназначенных для электронных средств ведения войны. Один из таких блоков — монолитный СВЧ-усилитель диапазона 2—18 ГГц с распределенными параметрами типа TGA8300 (рис.1). Этот усилитель имеет среднее значение коэффициента усиления 6,5 дБ. Спад коэффициента усиления начинается при уровне выходной мощности 18 дБм. Величина к.с.в.н. от входа к выходу не превышает 2. Благодаря этим характеристикам усилитель можно успешно использовать в различных системах.

Воспроизводимость рабочих характеристик позволяет использовать монолитный СВЧ-усилитель с распределенными параметрами типа TGA8300 в различных электро
Рис.1. Воспроизводимость рабочих характеристик позволяет использовать монолитный СВЧ-усилитель с распределенными параметрами типа TGA8300 в различных электронных устройствах, предназначенных для военной аппаратуры.

Еще один строительный блок, предназначенный для электронного вооружения,— это усилитель типа TGA8014 для диапазона 6—18 ГГц. Этот прибор представляет собой первую арсенид-галлиевую монолитную СВЧ ИС усилителя средней мощности. Выпущенные ранее коммерческие арсенид-галлиевые монолитные СВЧ ИС усилителей состояли из схем с дискретными арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами. Они обеспечивали выходную мощность в диапазоне от 10 до 100 мВт. В отличие от них монолитная СВЧ ИС усилителя типа TGA8014 отдает на выходе неслыханно высокую мощность 0,4 Вт в диапазоне от 6 до 18,5 ГГц и при снижении коэффициента усиления этой ИС на 1 дБ. Складывая с помощью пассивных компонентов выходную мощность этих усилителей, можно создавать усилители с выходной мощностью до 1 Вт.

Подобные усилители и другие монолитные СВЧ ИС диапазона 6—18 ГГц и даже более широких частотных диапазонов появятся в таких видах электронного вооружения, как подавители помех на фазированных антенных решетках, ложные цели одноразового пользования и общие антенные системы. Для всех этих применений потребуются монолитные СВЧ ИС в количествах, на несколько порядков величины превосходящих число выпускаемых в настоящее время гибридных компонентов. В то же время стоимость новых монолитных СВЧ ИС будет на несколько порядков величины меньше.

Сравнение аналогичных гибридных и монолитных усилителей позволяет четко проиллюстрировать различия между ними. Обе схемы имеют эквивалентные электрические характеристики, но хорошо заметно различие в их сложности.

Гибридный широкополосный арсенид-галлиевый СВЧ-усилитель на полевых транзисторах (рис.2,а) — типичный образец того, что в настоящее время выпускает СВЧ-промышленность. Он состоит из четырех балансных усилительных каскадов, обеспечивающих усиление около 20 дБ. В качестве активных приборов используются дискретные арсенид-галлиевые полевые транзисторы, а на подложках из окиси алюминия изготовляются согласующие цепи, мосты Ланге (микрополосковые структуры, позволяющие складывать или делить мощность между входами, сохраняя согласование импедансов) и тонкопленочные резисторы, с помощью которых создается смещение.


Рис.2. Гибридный широкополосный усилитель (а) и более простея в производстве монолитная СВЧ ИС (б) резко различаются по числу компонентов и межсоединений (см. таблицу).

Эквивалентный монолитный СВЧ-усилитель (рис.2,б) представляет собой одну из схем, которые выпускаются в настоящее время в ограниченных количествах. Три монолитных усилителя с распределенными параметрами собраны вместе с одной тонкопленочной схемой на подложке-носителе. Монолитные СВЧ ИС усилителей имеют коэффициент усиления, очень слабо изменяющийся с частотой, а также очень низкий входной-выходной к.с.в.н. Их можно непосредственно включать друг за другом, не используя мосты Ланге.

Сравнение сложности гибридного и монолитного усилителей позволяет отметить резкое различие в числе компонентов и количестве межсоединений (см. таблицу). Кроме того, критичные межсоединения, связанные с мостами Ланге и полевыми транзисторами, должны создаваться вручную очень опытными операторами-сборщиками. В отличие от этого монолитная СВЧ ИС усилителя может быть собрана с использованием автоматизированного оборудования, без помощи высококвалифицированных операторов-сборщиков.

Сравнение гибридной и монолитной технологии

Число компонентов

Гибридная ИС

Монолитная СВЧ ИС

Подложки из окиси алюминия

2

1

Дискретные арсенид-галлиевые полевые транзисторы

8

0

Арсенид-галлиевые монолитные СВЧ ИС

0

3

Бескорпусные конденсаторы

40

6

Общее число компонентов

50

10

Межсоединения

Число соединений, для которых нужен квалифицированный ручной труд

136

0

Число соединений, пригодных для автоматизированного оборудования

106

44

Общее число соединений

242

44

Все разрабатываемые фирмой TI монолитные СВЧ ИС конструируются так, чтобы их можно было массово выпускать с небольшими затратами и с жесткими допусками. Одна из целей, к которым при этом стремятся, заключается в минимальном привлечении человека для сборки и проверки усилителя. Поэтому для достижения заданной надежности и ограничения себестоимости все тонкопленочные схемы в монолитных СВЧ ИС, а также другие элементы должны конструироваться так, чтобы их сборку можно было осуществлять с помощью автоматического оборудования для установки компонентов и приварки проволочных выводов. Например, на первом этапе сборки все усилительные монолитные СВЧ ИС, пьедесталы для компонентов и тонкопленочные ИС напаиваются на плату-носитель за одну операцию.

Типичная проблема, возникающая при производстве гибридных СВЧ ИС и решаемая в случае монолитных СВЧ ИС, связана с многошлейфовыми широкополосными мостами Ланге. Узкие пересечения на этих тонкопленочных СВЧ-схемах обычно осуществляются путем приварки одной проволочки вслед за другой (рис.3, вверху). Это очень трудоемкий дорогостоящий процесс, характеризуемый малой производительностью, особенно если речь идет о схемах на 6— 18 ГГц с малыми размерами элементов, когда требуется осуществлять соединения между дорожками шириной 25 мкм.


Рис.3. Приварку проволочек длиной 175 мкм при сборке мостов Ланге может производить только опытный оператор. Перемычки с воздушными зазорами (внизу) создаются средствами тонкопленочной технологии без использования этой приварки.

Но в настоящее время доступна более надежная технология, пригодная для промышленного производства и позволяющая эффективно создавать перемычки с воздушным зазором. Сделанные по этой технологии гальванически нанесенные перемычки с воздушными зазорами заменяют соединения, выполненные вручную путем приварки проволочек. Эти гальванически нанесенные перемычки (рис.3, внизу) формируются в процессе изготовления тонкопленочных схем путем различных прецизионных фотолитографических операций, процессов осаждения металлов с помощью распыления и процессов гальванического осаждения золота.

Преимущество нового подхода — резкое повышение выхода годных. А если при производстве происходят потери, то теряются недорогие автоматически изготовленные детали, а не сложные модульные сборки. В фирме TI стоимость сборки мостов Ланге при замене проволочных пересечений на гальванически осажденные уменьшается в семь раз.

Благодаря непрерывно увеличивающейся базе данных по арсенид-галлиевым полевым транзисторам, по другим компонентам и элементам схем, а также по их характеристикам и технологическим процессам параметры монолитных СВЧ ИС становятся все более воспроизводимыми как на одной пластине, так и от пластины к пластине. Базовым строительным блоком арсенид-галлиевых монолитных СВЧ ИС являются полевые транзисторы со структурой металл-полупроводник. Разработки на их основе базируются на библиотеках стандартных ячеек, построенных с использованием этих транзисторов. Подобные библиотеки имеются также и для пассивных приборов, микрополосковых передающих линий и микрополосковых неоднородностей.

Несмотря на продолжающуюся эволюцию и совершенствование технологии арсенид-галлиевых монолитных СВЧ ИС и на разработку приборов, которые позволят создавать новые системы, предстоит еще преодолеть серьезные технические трудности и проблемы, связанные с осуществимостью предлагаемых решений. Усовершенствования в области разработки монолитных СВЧ ИС, технологии их изготовления, сборки и испытаний должны обрести более жизнеспособную технологическую базу. Для усовершенствования первых успешных вариантов конструкции монолитных СВЧ ИС требуется разработка более сложных программ автоматизированного проектирования. Существующие программы линейного анализа требуют усовершенствованных моделей неоднородностей в микрополосковых линиях и эффектов согласования. А для разработки широкополосных нелинейных схем, таких, как усилители мощности на полевых арсенид-галлиевых транзисторах, необходимо, чтобы в распоряжении разработчиков имелись программы нелинейного автоматизированного проектирования. В продаже программ такого рода нет, но фирма TI и другие фирмы в течение нескольких лет занимались их разработкой и убедились в том, что они необходимы.

Для того чтобы повысить выход годных, уменьшить стоимость производства и увеличить производительность, необходимы новые достижения в области материалов и технологии. Недавние успехи, связанные с технологией сборки, позволяют надеяться, что скоро появятся дешевые высококачественные корпуса для монолитных СВЧ ИС, дающие возможность работать на частотах до 20 ГГц. В целях дальнейшего снижения себестоимости следует определить оптимальную последовательность испытаний арсенид-галлиевых монолитных СВЧ ИС. В эту последовательность должны входить испытания кристаллов на пластине и в собранном виде, проводимые на постоянном токе и на высоких частотах.

Необходимость проведения 100% испытаний на СВЧ, осуществляемых на пластине, пока что не установлена: возможно, проверка на постоянном токе окажется достаточной для того, чтобы обеспечить в дальнейшем необходимые параметры на высоких частотах. Технологический маршрут изготовления монолитных СВЧ ИС усложняет задачу проведения на пластине 100%-ной проверки этих ИС на сверхвысоких частотах, особенно на тонких (толщиной 0,1 мм) пластинах.

Следующий серьезный шаг в развитии технологии связан в значительной степени с усилиями в области технологии производства. Речь идет о критическом периоде, когда технология переходит от ограниченного выпуска к серийному производству.

Во время этой фазы для каждого из рынков сбыта должны быть определены выход годных и стоимость монолитных схем. По результатам выпуска первых промышленных партий монолитных СВЧ ИС нужно определить критические значения выхода годных и стоимость и установить зависимость между параметрами технологического процесса и электрическими характеристиками, а также их разбросами. Вслед за этим требуется ввести необходимые усовершенствования в технологические процессы и в управление ими, в результате чего повысится выход годных и снизится стоимость.

Дочерние статьи:

Гэри Леруд — разработчик монолитных СВЧ ИС

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.16 (774), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.57

Electronics Vol.60 No.16 August 6, 1987 A McGraw-Hill Publication

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Военная электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19871201Elc037.shtml