Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 9, стр. 916-922

ВВЕДЕНИЕ

Постоянное увеличение средств информационного обмена все сильнее нагружает существующие системы передачи и приема информации. В условиях Земли возможно использование почти неограниченного количества ретрансляторов и изменение системы работы с сигналами, но в условиях космического пространства необходима система, позволяющая обеспечить непрерывную передачу информации с длительным сроком активного существования. Система должна соответствовать условиям мощности, выделяемой на каждый узел, массогабаритным характеристикам и надежности, предъявляемым к каждому узлу, что особенно важно при создании малоразмерных спутников [1]. При учете указанных условий, создание устройств космического назначения определяет цель поиска и улучшения технологий производства каждого отдельного узла спутникового оборудования.

Целью работы является расчетно-экспериментальная оценка возможности создания микромодуля СВЧ-малошумящего усилителя (МШУ) с уменьшенными массогабаритными характеристиками на основе многослойных СВЧ-плат на полиимиде, выполненных по микроэлектронной технологии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– исходя из особенностей технологии разработать функциональную схему МШУ и конструкцию микромодуля;

– разработать 3D-модель платы микромодуля для анализа СВЧ-характеристик;

– с учетом данных, полученных при моделировании, отработать технологию формирования многослойных коммутационных плат на полиимиде;

– реализовать макет микромодуля и оценить его характеристики.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В работе представлен вариант развития технологии создания коммутационных многослойных СВЧ-плат на полиимиде для космического применения [2–5] на примере создания МШУ радиолокационного С-диапазона. Представленный вариант отличается использованием процессов микроэлектроники при послойном формировании структуры платы, что характеризуется повышенной точностью формирования и технологичностью (возможностью оперативного изменения топологии, что принципиально при отработке и макетировании конструкции) по сравнению с известной технологией создания коммутационных многослойных СВЧ-плат (что важно для изделий высоких частот), с помощью низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (Low Temperature Co-Fired Ceramic, LTCC). Как известно, технологический процесс LTCC основан на нанесении токопроводящих паст методом трафаретной печати на керамические листы с последующим спеканием, что определяет конструктивно-технологические ограничения и топологические нормы [6, 7]. Несмотря на существующие достоинства, характерные для массового производства, технология LTCC имеет ряд недостатков и проблемных моментов, указанных в работах [7–9]. Кроме того, предложенная технология характеризуется использованием доступных материалов и процессов российского производства.

Анализ специальной литературы [10] показывает, что МШУ монтируют максимально близко к антенне, это позволяет минимизировать шумы, но увеличивает размеры. В космической технике чаще используют МШУ с SMA-входом (Sub‑miniature version A – соединитель для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом) (табл. 1), которые устанавливают в единый корпус с приемными трактами бортового оборудования для защиты МШУ от негативных факторов космического пространства и уменьшения потерь при передаче сигнала между МШУ и остальной частью приемного тракта.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данной работе были исследованы следующие объекты:

– 3D-модель многослойной коммутационной СВЧ-платы;

– технология формирования многослойной коммутационной СВЧ-платы на основе полиимида;

– многослойная коммутационная СВЧ-плата на основе полиимида;

– макет микромодуля МШУ на основе многослойной коммутационной СВЧ-платы.

В 3D-модели многослойной коммутационной СВЧ-платы было рассмотрено влияние топологии в разных слоях, различных частей тракта друг на друга. Проведено моделирование передачи сигнала по элементам топологии при введении различных особенностей формирования слоев материала [11, 14], а также исследовано влияние введения и исключения дополнительных конструктивных элементов [13, 15]. Кроме того, моделировалось влияние изменения общих потерь и частотных свойства полиимида в связи с допуском на СВЧ-параметры материала.

Для реализации технологии изготовления многослойной коммутационной СВЧ-платы на основе слоев из полиимида использовали пластину диаметром 76 мм, выполненную из нитрида алюминия [5] с классом шероховатости поверхности не хуже 12. Три слоя металлизации в структуре платы были выполнены на основе систем металлизации Cr–Cu–Ni и Сr–Cu–Ni–Au толщиной 3…5 мкм, слои хрома, меди и никеля были получены вакуумным магнетронным распылением, а слой золота – гальваническим осаждением. Топологический рисунок слоя металла выполнен жидкостным химическим травлением через фоторезистивную маску, полученную спреевым методом и экспонированием с последующим проявлением. Два слоя полиимида, сформированного из раствора полиамидокислоты в диметилформамиде [12], толщиной 50 ± 2.5 мкм выполняли комбинированным методом [11]. Вертикальную структуру соединений элементов в плате и элементы экранирования [13] осуществляли в слое полиимида металлизированными отверстиями, формируемыми жидкостным химическим травлением через металлическую маску, выполненную вакуумным магнетронным распылением и фотолитографическими процессами. Для стабилизации характеристик коммутационной платы после формирования многослойной структуры на основе слоев из полиимида производилась ступенчатая термообработка [14].

Для оценки характеристик была изготовлена многослойная коммутационная СВЧ-плата на основе полиимида, особенностью технологии изготовления которой является использование материалов и процессов российского производства.

Геометрические размеры макета микромодуля МШУ составляют 34 × 34 × 15 мм. Для холодного резервирования спроектирован двухканальный вариант для применения в составе блока аппаратуры с общей герметизацией. При этом габариты данного устройства меньше, чем габариты аналогов, представленных в табл. 1.

В данной работе были использованы следующие методы.

Визуальный осмотр тестовых образцов на наличие дефектов на поверхности, внешних признаков загрязнения, инородных включений, признаков отслоения проводящего рисунка проводили с помощью оптической микроскопии при увеличении до 500×.

Измерения величины прохождения сигнала и S-параметры в СВЧ-линии проводили с помощью векторного анализатора цепей.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлена 3D-модель многослойной коммутационной платы, а на рис. 2 результаты моделирования – характеристики прохождения сигнала в коммутационной плате. Видно, что потери при прохождении сигнала на частоте 5.7 ГГц незначительны и составляют 0.15 дБ (кривая 3). При этом коэффициенты отражения по входу и выходу (S₁₁ и S₂₂ соответственно) находятся на уровне ‒20 дБ, до 30 ГГц не превышают –10 дБ, а до 40 ГГц–5 дБ, следовательно, не создают условий для возбуждения устройства. Полученные данные позволяют предположить, что при ограничениях [3] в рамках данной технологии на полиимиде возможно создание СВЧ-устройств с рабочими частотами до 40 ГГц.

Рис. 1.

3D-модель многослойной коммутационной СВЧ-платы микромодуля МШУ.

Рис. 2.

Характеристики прохождения сигнала, полученные в 3D-модели коммутационной платы: коэффициенты отражения по входу S₁₁ (1) и выходу S₂₂ (2), коэффициент прохождения сигнала S₂₁ (3); для точки М1 F = 5.7 ГГц S₂₁= –0.15309 дБ.

Сравнение характеристик, полученных при моделировании (см. рис. 2) и при измерении (рис. 3) изготовленной многослойной коммутационной СВЧ-платы микромодуля МШУ (рис. 4), показывают хорошее совпадение особенно до 28 ГГц. Как видно из рис. 2 и 3 потери в изготовленном образце еще ниже на данной частоте (–0.15 дБ в модели, –0.03 дБ в образце), но при этом коэффициенты отражения изменились не критично (приблизительно –20 дБ в модели и приблизительно –15 дБ в образце), следовательно, в изготовленном образце по сравнению с моделью сигнал при прохождении тракта будет претерпевать меньше искажений, что важно для МШУ.

Рис. 3.

Измеренные характеристики прохождения сигнала в изготовленной коммутационной плате: коэффициенты отражения по входу S₁₁ (1) и выходу S₂₂ (2), коэффициент прохождения сигнала S₂₁ (3); Для точки М1 F = 5.7 ГГц; S₂₁ = –0.0336 дБ.

Рис. 4.

Внешний вид изготовленной многослойной коммутационной СВЧ-платы микромодуля МШУ.

Схема технологического процесса формирования многослойной платы представлена на рис. 5. Для повышения адгезионной прочности микромонтажных соединений в многослойной структуре по представленному маршруту предусмотрена возможность реализации металлизации анкерного типа [4, 15], место расположения которого на плате представлено на рис. 6а. На рис. 6б схематично показано поперечное сечение металлизации анкерного типа. Для показанного конструктивного элемента в слое диэлектрика (1) процессами вакуумного магнетронного напыления и фотолитографии формируют расширение-манжету (3), затем – второй слой диэлектрика (2) с переходным отверстием, заполняемым металлизацией (4, 5), получаемой процессами вакуумным магнетронным напылением, электрохимическим осаждением и фотолитографией.

Рис. 5.

Технологический маршрут изготовления макета микромодуля МШУ на основе многослойной коммутационной СВЧ-платы.

Рис. 6.

Место расположения металлизации анкерного типа на плате (а) и ее схематичное изображение (б): 1 – первый слой диэлектрика; 2 – второй слой диэлектрика; 3 – расширение-манжета металлизации анкерного типа; 4, 5 – металлизация.

Для микромодуля МШУ (рис. 7), выполненного на основе многослойной коммутационной СВЧ-платы микромодуля МШУ (см. рис. 2) после измерений были получены характеристики прохождения сигнала (рис. 8, 9). Как видим из рис. 8 и 9, в рабочей полосе МШУ усиление составляет приблиСравнительный анализ (см. табл. 1) показал, что у ближайшего аналога № 3 по параметру усиления коэффициент усиления в 1.5 раза меньше, а коэффициент шума в 2.9 раз выше, а у аналога № 1 по параметру шума коэффициент усиления в 2.5 раза меньше, причем коэффициент шума в 1.3 раза выше.

Рис. 7.

Макет микромодуля МШУ, выполненный на основе изготовленной коммутационной платы: 1 – вход тракта; 2 – монолитная интегральная схема МШУ; 3 – монолитная интегральная схема буферного усилителя; 4 – выход тракта.

Рис. 8.

Измеренный уровень проходящего сигнала в макете микромодуля МШУ на основе изготовленной многослойной коммутационной СВЧ-платы: коэффициенты отражения по входу S₁₁ (1) и выходу S₂₂ (2), коэффициент прохождения сигнала S₂₁ (3), для точки М1 F = 5.7 ГГц; S₂₁ = 51.233 дБ.

Рис. 9.

Коэффициент шума NF₂₁ в макете микромодуля МШУ; для точки М1 F = 5.7 ГГц; S₂₁= 1.4029 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведены исследования разработанных и изготовленных 3D-моделей, макета многослойной коммутационной СВЧ-платы на основе полиимида и технологии ее формирования. Проведена расчетно-экспериментальная оценка возможности создания СВЧ-микромодулей малошумящего усилителя С-диапазона на основе многослойных коммутационных СВЧ-плат на полиимиде, выполненных по микроэлектронной технологии. Изготовлен и исследован макет микромодуля МШУ с уменьшенными массогабаритными характеристиками. Параметры усиления и коэффициента шума представленного макета микромодуля МШУ превосходят в 1.5 и 1.3 раза параметры ближайших известных аналогов. Показано, что выбранные материалы и разработанные конструктивно-технологические решения позволяют разрабатывать и изготавливать СВЧ-устройства в частотном диапазоне до 40 ГГц. Разработанные и изготовленные по предложенной технологии СВЧ-микромодули найдут применение при создании бортовой аппаратуры космической техники, 5G-модемов, в том числе интегрированных в виде модулей в современные радиоэлектронные устройства (телефоны, навигационные модули, планшеты, ноутбуки и др.), миниатюрных устройств, обеспечивающих работоспособность систем типа “умный дом”, “умный город”, “умный транспорт” и др.