WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

КРЮЧАТОВ Владимир Иванович

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ПАССИВНОЙ ЧАСТИ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

С ПОВЫШЕННЫМ УРОВНЕМ МОЩНОСТИ

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань – 2010

Работа выполнена в Казанском государственном техническом

университете им. А.Н. Туполева и

Федеральном научно-производственном центре по радиоэлектронным системам и информационным технологиям имени В.И. Шимко

(ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко»), г. Казань.

Научный консультант:                доктор технических наук, профессор

Карамов Фидус Ахмадиевич.

Официальные оппоненты:        доктор технических наук, профессор

Седельников Юрий Евгеньевич,

Казанский государственный технический

университет им. А.Н. Туполева, г. Казань.

                                       доктор физико-математических наук, профессор

Неганов Вячеслав Александрович,

Поволжская государственная академия

телекоммуникаций и информатики, г. Самара.

доктор технических наук, профессор

Радионов Александр Алексеевич,

Нижегородский государственный технический

университет им. Р.Е. Алексеева, г. Н. Новгород.

Ведущая организация:                ФГУП «НПП «Салют», г. Н. Новгород.

Защита состоится 29 апреля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. К. Маркса, 31/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.079.04.

Автореферат разослан «____» _________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                        С.С. Седов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В связи с актуальностью применения радиотехнических систем опознавания с дальностью действия до 300 км большое значение приобретает задача создания высоконадежных микрополосковых (МП) импульсных СВЧ-устройств, с импульсной мощностью до 5-10 кВт, работающих на частотах дециметрового диапазона.

Разработки и исследования первых СВЧ микроэлектронных устройств начались примерно в середине 60-х годов. Однако существенно уменьшить размеры СВЧ-устройств и повысить их надежность удалось в начале 80-х годов после появления керамических подложек с высокой диэлектрической проницаемостью и новых активных приборов, работающих в СВЧ диапазоне. Автор диссертационной работы является одним из участников по созданию современных тонкопленочных МП СВЧ-устройств в области проектирования и технологии пассивной части (ПЧ) СВЧ-устройств - микрополосковой платы (МПП).

Большой вклад в разработку теории и конструкторско-технологических основ проектирования и практическую реализацию СВЧ-устройств и их компонентов внесли отечественные ученые, среди которых можно отметить Бахарева С.И., Бушминского И.П., Вольмана В.И., Высоцкого Б.Ф., Иовдальского В.А., Климачева И.И., Ковалева И.С., Коледова Л.А., Коробова А.И., Малорацкого Л.Г., Морозова Г.В., Неганова В.А., Орлова О.С., Радионова А.А., Раевского С.Б., Славинского О.К., Ярового Г.П. и др., а также ученых Казанского авиационного института (КАИ, ныне - КГТУ им. А.Н. Туполева). Здесь основы теории СВЧ-устройств и их компонентов заложены работами Поповкина В.И., Воробьева Н.Г., Даутова О.Ш., Дымского В.Н., Морозова Г.А., Радцига Ю.Ю., Седельникова Ю.Е., Щербакова Г.И., Чони Ю.И. и др. Вопросы конструирования, технологии и практического применения СВЧ-устройств на основе микрополосковых линий (МПЛ) разработаны учениками Ермолаева Ю.П. Тюхтиным М.Ф., Романенко Ю.И., Кузнецовым Д.И., Кузьминым А.Н. и др.

Заметный вклад в разработку теории и вопросов технологии полосковых СВЧ-устройств внесли зарубежные ученые Goal E., Horton R., Caulton M., Cohn S.B., Meinel H., Pucel R., Kaupp H., Kretzchmar J.G., Schneider M.V., Silvester P., Sobol H., Wheeler H.A., Wolff J., и др.

Основной частью конструкции МП СВЧ-устройств является МПП, от конструкции и технологии изготовления которой существенно зависят их надежность и технические характеристики. Поэтому совершенствование конструкции, методов проектирования, технологии изготовления и контроля качества изготовления ПЧ СВЧ-устройств является актуальной проблемой.

Благодаря работам отечественных и зарубежных авторов, в микрополосковой технике СВЧ большие успехи достигнуты в области построения теоретических основ, разработке инженерных методов анализа и синтеза МП устройств и технологической базы для их изготовления. Значительный прогресс в этой области достигнут благодаря применению современного программного пакета AWR Microwave Office. По мере освоения серийного производства разработаны принципы и методы проектирования микроэлектронных устройств СВЧ по критерию минимальных производственных затрат при учете конструктивно-технологических погрешностей микрополосковых линий передач. В последней монографии И.И. Климачева и В.А. Иовдальского изложены перспективные конструкторско-технологические решения, позволяющие улучшить электрические, тепловые, массогабаритные характеристики и надежность СВЧ гибридных интегральных схем, выполненных по тонкопленочной технологии, для диапазона частот 2,7-11,4 ГГц. Однако во всех работах, посвященных проектированию и технологии СВЧ-устройств, основное внимание уделяется улучшению характеристик элементов на основе МПЛ, и отсутствуют сведения по исследованию потерь энергии в МПЛ для дециметрового диапазона, исследованию импульсного режима работы тонкопленочных резистивных нагрузок (ТРН) и методам их расчета при воздействии импульсной СВЧ мощности. Кроме того, в технической литературе не рассмотрены конструктивно-технологические особенности проектирования и контроля качества тонкопленочных резистивных элементов (ТРЭ) СВЧ-устройств при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев. Тем не менее, при серийном изготовлении МПП выход годных плат с тонкопленочными резисторами (ТПР) существенно меньше выхода годных плат, которые содержат только МПЛ.

При переводе СВЧ-устройств радиотехнических систем опознавания дециметрового диапазона, на основе волноводной техники, в микроэлектронное исполнение, в частности при разработке МПП с ТПР, возникло много новых проблем, требующих решения. С ростом функциональной сложности современных радиотехнических систем опознавания существенно возросли требования к надежности, точности и воспроизводимости электрических параметров элементов приемо-передающих и антенно-фидерных СВЧ-устройств в условиях серийного производства. Миниатюризация СВЧ-устройств потребовала разработки миниатюрных согласованных ТРН, надежно работающих при воздействии импульсного СВЧ сигнала с мощностью до 2-5 кВт. Требования высокой надежности привели к необходимости применения многослойной структуры МПЛ, содержащей слои V-Cu-Ni-Au, вследствие чего возникли проблемы снижения потерь энергии, а переход на технологию раздельного формирования резистивных и проводящих слоев привел к проблеме обеспечения адгезии МПЛ, малых переходных сопротивлений контактов и необходимости их учета. Поэтому первые микроэлектронные СВЧ-устройства часто отказывали уже при включении из-за перегорания ТРН и не обеспечивали заданные электрические и массогабаритные характеристики вследствие больших потерь энергии в МПЛ. Решение этих актуальных проблем потребовало комплексного рассмотрения схемотехнических, конструкторских и технологических вопросов, необходимых для обеспечения качества и надежности импульсных СВЧ-устройств. При создании ПЧ СВЧ-устройств радиотехнических систем опознавания дециметрового диапазона возникла необходимость в значительной степени переосмыслить основные принципы технологии и конструирования базовых элементов с учетом технологических аспектов их производства.

Научная проблема заключается в разработке и развитии теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и серийного производства пассивной части высоконадежных микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона с повышенным уровнем мощности и улучшенными эксплуатационными и электрическими характеристиками для радиотехнических систем государственного опознавания, имеющих большое значение для повышения обороноспособности страны.

Объектом исследования является пассивная часть микрополосковых СВЧ-устройств, содержащая тонкопленочные многослойные микрополосковые линии передачи, тонкопленочные резистивные нагрузки и тонкопленочные резистивные элементы схемы.

Предметом исследования являются конструкции и технологии изготовления тонкопленочных микрополосковых и резистивных элементов пассивной части СВЧ-устройств, модели, методы и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТПР, статистического контроля качества, анализа и регулирования технологическими процессами (ТП) серийного производства.

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных и электрических характеристик пассивной части микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона: повышение надежности, предельной импульсной мощности тонкопленочных резистивных нагрузок, стабильности тонкопленочных резистивных элементов, снижение потерь энергии в МПЛ путем разработки новых конструкций, технологий изготовления, методов автоматизированного проектирования и автоматизированных систем технологического обеспечения качества в процессе серийного производства.

Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить системный анализ современного состояния конструкторско-технологических основ проектирования и систем контроля качества в процессе серийного производства тонкопленочных элементов ПЧ высоконадежных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности, выявить нерешенные проблемы и сформулировать основные направления исследований.

2. Провести теоретическую оценку коэффициента затухания однослойной МПЛ из меди на частотах дециметрового диапазона и исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на потери в многослойной МПЛ со структурой слоев V(Cr)-Cuв-Cuг-Niг-Auг. На основе этих исследований установить причины аномально больших потерь в многослойной структуре и разработать рекомендации по проектированию и технологии изготовления МПЛ с коэффициентом затухания на частоте 1,5 ГГц не более 1,45 дБ/м.

3. Провести теоретический анализ температурного режима работы ТПР при воздействии коротких прямоугольных импульсов большой мощности и исследование предельной мощности рассеяния согласованных ТРН при воздействии на них импульсного СВЧ сигнала. На основе проведенных исследований, определить основные причины отказов и разработать конструкцию, технологию изготовления и рекомендации по проектированию миниатюрных согласованных ТРН, надежно работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности до 5 кВт.

4. Исследовать влияние технологии изготовления и материалов на величину переходного сопротивления контактов ТПР при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев, провести оптимизацию технологии изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным сопротивлением.

5. Исследовать влияние лазерной подгонки на температурную и временную стабильность ТПР. По результатам исследований разработать и внедрить в производство ТП подгонки, не ухудшающий стабильность резисторов.

6. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать конструкцию и технологию серийного изготовления пассивной части СВЧ-устройств, обеспечивающие малые потери на СВЧ и высокую надежность при воздействии внешних факторов и большой импульсной мощности.

7. Разработать тестовую структуру, математические модели, методы и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТРЭ и создания автоматизированных систем статистического контроля качества (АСК), анализа и регулирования технологическими процессами (СРТП) при серийном изготовлении МПП с резистивными элементами.

8. Разработать принципы построения автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с тонкопленочными резисторами при учете контактных сопротивлений.

9. Провести экспериментальное исследование производственных погрешностей и контактных сопротивлений, возникающих при серийном изготовлении МПП с тонкопленочными резисторами с целью получения данных для конструктивного расчета резисторов и автоматизированных систем АСК и СРТП.

10. Разработать методики конструктивного расчета элементов ПЧ микрополосковых СВЧ-устройств с учетом экспериментальных данных по потерям энергии в МПЛ, предельной импульсной мощности рассеяния резистивных материалов и производственным погрешностям ТПР.

11. Провести экспериментальное исследование надежности ПЧ СВЧ-устройств, спроектированной и изготовленной по разработанным методикам и технологиям изготовления, а также испытания в реальных условиях эксплуатации.

12. Внедрить полученные результаты в проектно-конструкторскую деятельность и серийное производство.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались экспериментальные и теоретические методы исследования: системный анализ, разделы математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории теплообмена, методы планирования экспериментов и обработки данных, методы программирования в среде DELPHI-7.

Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе предприятия ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко.

Поставленные задачи решались путем теоретического анализа с последующим изготовлением тестовых структур элементов ПЧ СВЧ-устройств. После проведения экспериментальных исследований тестовых структур разрабатывались и изготавливались опытные образцы СВЧ-устройств на основе МПП. Лабораторные и натурные испытания СВЧ-устройств проводились в составе изделий.

Научная новизна результатов исследований:

1. Экспериментально установлено, что в МПЛ, имеющих структуру V-Cuв--Cuг-Niг-Auг, необходимо учитывать скин-эффект не только на границе между полоской и подложкой, но и на границе между полоской и окружающей газовой средой, вследствие большой плотности поверхностного тока на краях полоски. Поэтому на потери энергии существенно влияет толщина и технология изготовления защитного слоя. Предложен состав и технология золочения, позволяющие до трех раз снизить потери энергии при осаждении золота толщиной более одного скин-слоя в золоте.

2. Установлено, что при воздействии импульсной СВЧ мощности основной причиной выхода из строя ТРН на поликоровых подложках является СВЧ коронный разряд, возникающий на микроостриях резистивной пленки. Показано, что на величину предельной импульсной мощности рассеяния ТРН существенно влияют три основных фактора: качество поверхности подложки, температура плавления резистивной пленки и покрытие поверхности и краев резистивной пленки диэлектрической пленкой. Показано, что покрытие ТРН пленкой Si3N4 позволяет на порядок увеличить предельную удельную импульсную мощность.

3. Предложены материалы контактных пленочных соединений и разработана технология изготовления ТПР при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев для получения малых удельных переходных сопротивлений контактов с величиной в пределах 5·10-3-26·10-3 Ом·мм2, что на один-два порядка меньше чем в известных технологиях.

4. Экспериментально установлено, что при лазерной доводке ТПР на ухудшение температурной и временной стабильности резисторов существенно влияет осаждение продуктов испарения на резистивную пленку в зоне реза. Показано, что предварительное покрытие резистивной пленки диэлектрической пленкой позволяет практически сохранить стабильность резисторов за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне реза.

5. Разработаны два новых способа изготовления МПП. Способ гальванического осаждения проводящих слоев по подслою в зазоре. Способ гальванического осаждения проводящих слоев с использованием тонких пленочных технологических перемычек. Предложенные способы позволяют в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость МПЛ при воздействии окружающей среды за счет практически полной защиты меди слоями Niг-Auг.

6. Предложены математические модели ТПР, на основе которых получены формулы, а также разработана методика и программные модули автоматизированного расчета резисторов МПП с учетом систематических и случайных составляющих производственных погрешностей конструктивно-технологических параметров (КТП), включая погрешности контактных сопротивлений. Методика позволяет обеспечивать заданные поля допусков на сопротивления резисторов с теоретической вероятностью 0,9973 и необходимый уровень надежности.

7. Предложены тестовые резистивные структуры, для которых разработаны математические модели, устанавливающие взаимосвязь сопротивлений ТПР с производственными погрешностями их КТП, включая контактные сопротивления. Предложенные модели позволяют дополнительно определять систематические и случайные составляющие контактных сопротивлений и существенно повысить точность определения погрешностей удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины. На основе этих моделей разработаны принципы построения, методики и алгоритмы для создания автоматизированных систем АСК и СРТП при изготовлении элементов ПЧ СВЧ-устройств, что, в конечном итоге, позволяет обеспечивать качество и существенно уменьшить брак при производстве изделий.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается использованием известных теоретических положений СВЧ техники, технологии микроэлектроники, теории теплообмена и математического моделирования, подтверждается адекватностью разработанных математических моделей. Для обеспечения достоверности результатов проводился большой объем идентичных измерений с применением апробированных экспериментальных методов. Подтверждением достоверности полученных результатов является также успешная апробация и использование разработанных конструкций, технологий, методов проектирования и методик контроля качества при серийном производстве и эксплуатации радиотехнических систем опознавания для наземной, корабельной и самолетной аппаратуры в течение более 20 лет.

Практическую ценность имеют:

1. Разработанные новые конструкции и технологии изготовления элементов ПЧ СВЧ-устройств, позволяющие существенно повысить качество проектирования и надежность СВЧ-устройств. В том числе до трех раз снизить потери энергии в МПЛ, в 5-10 раз повысить предельную импульсную мощность рассеяния ТРН, в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников МПЛ и на порядок повысить стабильность ТРЭ.

2. Рекомендации по проектированию многослойной МПЛ с малыми потерями энергии. Эмпирическая формула для расчета коэффициента затухания в многослойной МПЛ для разработанной конструкции и технологии изготовления на частотах дециметрового диапазона.

3. Разработанная методика расчета согласованных ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности, позволяющая исключить отказы ТРН при эксплуатации СВЧ-устройств.

4. Разработанные методика и программные модули для автоматизированного расчета ТПР c учетом полученных экспериментальных данных по величинам производственных погрешностей их КТП, включая статистические характеристики контактных сопротивлений. Это позволяет закладывать качество ТПР уже на этапе проектирования и в десятки раз сократить время вычислений.

5. Предложенные принципы построения автоматизированных систем АСК и СРТП при изготовлении тонкопленочных МПП с ТПР, позволяющие существенно снизить себестоимость МПП за счет увеличения процента выхода годных с 40 до 70 % и снижения трудоемкости их изготовления.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, из них 9 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 9 статей в сборниках трудов, 9 патентов на изобретения и 2 авторских свидетельства, 8 тезисов докладов на всесоюзных, межреспубликанских и научно-практических отраслевых конференциях и 1 учебное пособие. Кроме того, материалы исследований, связанные с диссертацией, представлены в отчете по ОКР «Отработка конструктивно-технологических решений и внедрение в серийное производство технологических процессов изготовления микросборок изделия 40».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях КАИ, КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 2000-2009 г.г.; IX Всесоюзной конференции по микроэлектронике, г. Казань, 1980 г.; Всесоюзной НТК по интегральной электронике СВЧ, г. Новосибирск, 1988 г.; Межреспубликанской НТК «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения», г. Казань, 1988 г.; Всесоюзной НТК «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах», г. Ялта, 1990 г.; Всероссийской НТК «Датчики и детекторы для авиационной техники «ДДАТ-2003», г. Пенза, 2003 г.; Научно-практической конференции «Пути развития государственного опознавания», г. Казань, 2008 г.

Патенты № 2332741 «Способ изготовления тонкопленочных резисторов» и № 2339103 «Резистор с повышенной мощностью рассеяния и способ его изготовления» вошли в число лучших изобретений 2009 г.; патент № 2341048 «Способ изготовления микрополосковых СВЧ-интегральных схем» вошел в число пяти лучших изобретений 2010 г. на VI республиканском конкурсе 50 лучших инновационных идей Республики Татарстан.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в проектно-конструкторской деятельности и внедрены в серийное производство следующих организаций:

ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В. И. Шимко (до 2007 г. Казанский научно-исследовательский институт радиоэлектроники) - в виде технологической и конструкторской документации на МПП, тонкопленочные платы и СВЧ-устройства; технических предложений в руководящие указания по конструированию интегральных приемо-передающих узлов и модулей СВЧ; конструкторско-технологических требований и ограничений на разработку топологии микрополосковых и тонкопленочных плат; методики и программных средств автоматизированного конструктивного расчета ТПР; методики определения производственных погрешностей ТПР тонкопленочных и микрополосковых плат.

ФГУП «КПКБ» (Федеральное государственное унитарное предприятие – «Казанское приборостроительное конструкторское бюро») - в виде технологической и конструкторской документации на тонкопленочные платы; методики и программных средств автоматизированного конструктивного расчета ТПР; методики определения производственных погрешностей ТПР тонкопленочных плат.

ОАО «КОМЗ» (Казанский оптико-механический завод) - в виде методики и программных средств автоматизированного конструктивного расчета ТПР; методики определения производственных погрешностей ТПР тонкопленочных плат.

КГТУ им А. Н. Туполева (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева) – в виде учебного пособия: «Технология и конструирование высокостабильных прецизионных резистивных элементов тонкопленочных гибридных интегральных схем с учетом контактных сопротивлений», которое используется в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий, а также при выполнении курсовых работ по специальностям 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного анализа существующих конструкций, технологий изготовления, методов проектирования и систем контроля качества в процессе серийного производства тонкопленочных элементов ПЧ высоконадежных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности. Разработанные классификации маршрутов изготовления МПП и пути повышения их качества.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния конструктивно-технологических факторов на потери в многослойных МПЛ, имеющих структуру слоев V(Cr)-Cuв-Cuг-Niг-Auг на частотах дециметрового диапазона, позволившие установить основные причины, существенно влияющие на увеличение потерь энергии многослойной МПЛ.

3. Результаты экспериментального исследования, а также анализа физики отказов ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности, показывающие существенное влияние на предельную импульсную мощность рассеяния ТРН трех основных факторов: качества поверхности подложки, температуры плавления резистивной пленки и покрытия поверхности и краев резистивной пленки диэлектрической пленкой. Методика конструктивного расчета согласованных ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности.

4. Математические модели, методика и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТРЭ СВЧ-устройств, которые, совместно с предложенными автоматизированными системами технологического обеспечения качества, позволяют существенно увеличить процент выхода годных МПП за счет учета систематических и случайных составляющих производственных погрешностей КТП, возникающих при установившемся серийном производстве изделий.

5. Тестовая резистивная структура, математическая модель, методика и алгоритм для создания автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном изготовлении ПЧ СВЧ-устройств. Результаты экспериментальных исследований погрешностей КТП резисторов, включая контактные сопротивления, при серийном изготовлении МПП с ТПР.

6. Новые конструкции, способы изготовления и способ управления ТП изготовления элементов ПЧ СВЧ-устройств, позволяющие существенно повысить их надежность и улучшить электрические и массогабаритные характеристики: снизить потери энергии в МПЛ и повысить их коррозионную стойкость; повысить предельную импульсную мощность рассеяния ТРН при сохранении габаритов; обеспечить высокую стабильность ТРЭ и автоматизировать процессы управления качеством при серийном изготовлении.

Личный вклад автора заключается в проведении теоретического анализа, разработке теоретических положений, планировании экспериментов, проведении обработки и анализа данных экспериментальных исследований, разработке математических моделей, методов проектирования, методик расчета, способов изготовления основных элементов ПЧ СВЧ-устройств и автоматизированных систем технологического обеспечения качества. Все основные научные результаты диссертационной работы получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 160 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 304 страницах текста, содержит 53 рисунка и 46 таблиц.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Гильмутдинову А.Х. за научную консультацию.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы: актуальность темы, объект и предмет исследования, научная проблема, цель работы, решаемые задачи, методы исследований, научная новизна результатов исследований, достоверность и обоснованность научных результатов, их практическая ценность, публикации, апробация и реализация результатов, основные научные результаты, выносимые на защиту, структура и объем диссертации, краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор современного состояния в области конструирования, технологии, методов проектирования и систем технологического обеспечения качества элементов ПЧ микрополосковых СВЧ-устройств. Проведен системный анализ существующих конструкторско-технологических решений, выявлены их недостатки и определены проблемы повышения качества и надежности МП СВЧ-устройств.

На рис. 1 приведена схема взаимодействия основных факторов, и технические характеристики элементов ПЧ СВЧ-устройств, определяющие их качество и надежность. Этот рисунок отражает также основные аспекты объекта и предмета исследований диссертации.

Известно, что надежность любого элемента закладывается при конструировании, обеспечивается при изготовлении и поддерживается в эксплуатации. Поэтому автор придерживался следующих основных принципов создания высоконадежных элементов ПЧ СВЧ-устройств для вновь создаваемой микроэлектронной радиоаппаратуры:

1) при испытаниях СВЧ-устройств проводился физический анализ причин и механизмов отказов элементов, результаты анализа учитывались при проектировании;

2) при разработке элементов закладывались новые ТП, обеспечивающие повышенную надежность;

3) разработка новых конструкций и технологий изготовления элементов МПП, а также методик их расчета и контроля качества по показателям точности ТП в процессе производства направлена на обеспечение высокой вероятности выхода годных;

4) статистический контроль качества и управление процессом производства на всех стадиях - одно из важнейших средств достижения качества и надежности.

Рис. 1. Основные технические характеристики элементов ПЧ СВЧ-устройств и факторы, влияющие на качество и надежность МПП

На основе системного анализа показано, что существующие конструкторские решения, методы проектирования, технологические методы изготовления, автоматизированные системы технологического обеспечения качества при серийном изготовлении ПЧ СВЧ-устройств не позволяют полностью решить задачи проектирования и реализации новых оригинальных конструкций МПП c улучшенными электрическими, массогабаритными характеристиками и повышенной надежностью.

Существующие маршруты изготовления тонкопленочных МПП не обеспечивают надежную коррозионную защиту проводникового медного слоя от воздействий окружающей среды.

Проблема обеспечения потерь энергии на уровне 1-1,45 дБ/м в МПЛ на частотах 1-1,5 ГГц со структурой слоев V-Cuв-Cuг-Niг-Auг, обеспечивающей высокую надежность, связана с отсутствием систематических исследований влияния конструктивно-технологических факторов на потери в многослойной МПЛ в дециметровом диапазоне. В литературе и стандартах нет рекомендаций по выбору материалов, толщин и технологии изготовления многослойных МПЛ с малыми потерями для работы в этом диапазоне.

До настоящего времени не решены проблемы проектирования и технологии изготовления мощных миниатюрных тонкопленочных микрополосковых нагрузок, работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности до 2-5 кВт.

Проблема обеспечения временной и температурной стабильности работы прецизионных ТРЭ МПП связана с необходимостью разработки технологии изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным сопротивлением контактов, способов оперативного определения статистических характеристик контактных сопротивлений при серийном изготовлении для контроля качества контактов и технологии подгонки резисторов.

В литературе отсутствуют в достаточно полной мере сведения, касающиеся влияния технологии и материалов контактов на величину контактных сопротивлений при раздельном формировании резистивных и проводящих пленок. Нет рекомендаций по выбору модели контакта для оценки качества ТП. Существующие способы определения контактных сопротивлений, основанные на измерении сопротивлений и длин резисторов, являются трудоемкими и не всегда применимы.

Существующие способы подгонки, как правило, ухудшают стабильность ТПР или требуют длительной температурной обработки и сложного оборудования.

Проблема создания автоматизированных методов проектирования, систем контроля качества и управления ТП изготовления МПП с ТПР связана с отсутствием математических моделей, устанавливающих взаимосвязь производственных погрешностей сопротивлений ТПР с производственными погрешностями их КТП, включая контактные сопротивления. Существующие тестовые структуры и математические модели не позволяют определять статистические характеристики контактных сопротивлений, а точность определения погрешностей остальных КТП резисторов с помощью существующих моделей недостаточна для практических применений.

Поэтому существующие методики конструктивного расчета ТПР и автоматизированные системы АСК и СРТП не обеспечивают заданные поля допусков резисторов с критическими размерами при серийном изготовлении и не позволяют оценивать качество ТП формирования контактных пленочных соединений. Это приводит к низкому проценту выхода годных МПП с ТПР, большой трудоемкости их изготовления и, конечном итоге, к снижению надежности и увеличению их стоимости.

Существует комплексная проблема конструкторско-технологической унификации МПП, при обеспечении необходимого уровня надежности и высоких электрических характеристик. Нет рекомендаций по выбору базовой конструкции, маршрутов и технологии серийного изготовления ПЧ СВЧ-устройств, обеспечивающих высокую коррозионную стойкость многослойных МПЛ, малые потери на СВЧ, высокую импульсную мощность рассеяния ТРН, низкие переходные сопротивления контактов и высокую стабильность ТПР.

На основе проведенного системного анализа конструкторско-технологических проблем проектирования ПЧ СВЧ-устройств сформулированы объект и предмет исследования, научная проблема, цель работы и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию потерь энергии в многослойных МПЛ с послойной структурой Cr(V)-Cuв-Cuг-Niг-Аuг в диапазоне частот 1,1–1,5 ГГц.

Необходимость исследования потерь энергии в многослойной МПЛ возникла при переходе от структуры Cr-Cuв-Аgг к структуре V-Cuв-Cuг-Niг-Аuг, так как это привело к увеличению потерь энергии с 1 дБ/м до 2,6–3,6 дБ/м и невозможности изготовления СВЧ-устройств с высокой надежностью и приемлемыми электрическими и массогабаритными характеристиками.

Для выявления причин аномального увеличения потерь проведена теоретическая оценка потерь энергии в однослойной МПЛ прямоугольного сечения, выполненной из меди, и экспериментальное исследование потерь в многослойных МП структурах V(Cr)-Cuв-Cuг-Niг-Auг в зависимости от материала, толщины и технологии изготовления каждого слоя, а также формы микропрофиля на частоте 1,1 ГГц. Результаты экспериментальных исследований сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Экспериментальные данные по потерям энергии многослойной МПЛ

Структура и толщина слоев

Потери, дБ/м

Примечание

Поле

рассеяния

Среднее

значение

Влияние материала подслоя

1

Сr(75±5 Ом/кв.)-Cuв(9±1 мкм)

1,06-1,08

1,07

медь вакуумная

2

V(75±5 Ом/кв.)-Cuв(9±1 мкм)

1,09-1,17

1,13

то же

Влияние толщины адгезионного подслоя из ванадия и резистивного слоя

3

V(25 Ом/кв.)-Cuв(9±1 мкм)

1,15-1,25

1,2

медь вакуумная

4

V(150 Ом/кв.)-Cuв(9±1 мкм)

1,05-1,16

1,1

то же

5

РС 5406К(25 Ом/кв.)-Cuв(9-11 мкм)

1,31-1,42

1,37

то же

Влияние технологии изготовления слоя меди

6

V(75±5 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(7-9 мкм)

1,08-1,11

1,1

сернокислый электролит

Влияние микропрофиля полосковых линий на величину коэффициента затухания

7

V(75±5 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(7-9 мкм)

1,08-1,11

1,1

профиль при травлении

8

V(75±5 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(7-9 мкм)

0,93-0,96

0,95

профиль гальванический

Влияние толщины слоя никеля

9

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(7-11 мкм)-Niг(0,4±0,1 мкм)

2,6-2,8

2,7

сернокислый электролит

10

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(7-11 мкм)-Niг(1,0±0,3 мкм)

3,1-3,3

3,2

то же

11

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(7-11 мкм)-Niг(3,0±0,5 мкм)

3,9-4,4

4,2

то же

Влияние толщины меди при осаждении золота из цитратного электролита

12

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(6±1,0 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

2,8-3,7

3,3

цитратный электролит

13

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

2,6-3,6

3,1

то же

14

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(20±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

2,2-2,9

2,6

то же

Влияние толщины золота при осаждении из цитратного электролита

15

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(6±0,5 мкм)

2,4-3,3

2,9

цитратный электролит

Влияние толщины золота при осаждении из фосфатного электролита с платиновыми анодами

16

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(1±0,3 мкм)

1,5-2,1

1,8

фосфатный электролит

17

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

1,1-1,3

1,2

то же

18

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(6±1,0 мкм)

1,1-1,2

1,1

то же

Влияние толщины меди при осаждении золота из фосфатного электролита с платиновыми анодами

19

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(6±1 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

1,2-1,3

1,25

то же

20

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

1,1-1,2

1,15

то же

21

V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(20±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм)

1,07-1,11

1,1

то же

Данные таблицы 1 позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Материал подслоя и его толщина, а также технология проводящего слоя из меди слабо влияют на потери в МПЛ.

2. Резистивный слой под полоской может увеличить потери до 30 %, поэтому для получения минимальных потерь необходимо применять раздельную технологию формирования резистивных и проводящих слоев.

3. Форма микропрофиля влияет на потери в МПЛ. Поэтому технология изготовления МПЛ методом гальванического наращивания основного медного слоя, по сравнению с технологией, основанной на травлении толстого медного слоя, полученного вакуумным напылением, имеет преимущество при изготовлении МПЛ с малыми потерями, так как округление кромок проводника при гальваническом наращивании позволяет также повысить электрическую прочность МПЛ.

4. Существенные потери вносит буферный слой из никеля при отсутствии на нем золотого покрытия или при наличии золотого покрытия с плохой электропроводностью, полученного, например, гальваническим осаждением из цитратного электролита, рекомендованного нормативной документацией.

5. Для изготовления многослойной МПЛ со структурой слоев V-Cuв-Cuг-  -Niг-Auг, имеющих минимальные потери энергии, необходимо применять фосфатный электролит золочения с платиновыми анодами. Для обеспечения малых потерь энергии толщина золотого покрытия должна быть не менее толщины скин-слоя, поэтому рекомендуемая толщина золотого покрытия на частотах  1,1-1,5 ГГц должна быть не менее 3±0,5 мкм.

6. В многослойной МПЛ при увеличении толщины меди более чем на 3 скин-слоя потери уменьшаются незначительно. Поэтому следует рекомендовать толщину гальванически осажденной меди 10±3 мкм, которая обеспечивает приемлемые потери и высокую воспроизводимость величины коэффициента затухания в МПЛ при изготовлении в условиях серийного производства.

Аномально большие потери, вносимые защитным покрытием с плохой электропроводностью, можно объяснить тем, что плотность поверхностного тока на краю и на расстоянии несколько сотен микрон вблизи края на внешней поверхности полоски может значительно превышать плотность тока, протекающего на границе между полоской и подложкой.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что теорию скин-эффекта необходимо учитывать также на краях внешней границы между многослойной полоской и газовой средой, вследствие большой плотности поверхностного тока, протекающего по этому участку. Вследствие этого, при наличии буферного слоя из никеля с плохой проводимостью, для обеспечения малых потерь энергии технология золочения должна обеспечить высокую электропроводность внешнего слоя из золота, а толщина золотого покрытия должна быть не менее одного скин-слоя.

Для рабочих частот дециметрового диапазона толщину адгезионного подслоя целесообразно выбирать в диапазоне от 50 до 100 Ом/кв., при котором обеспечиваются малые потери энергии и уровень адгезии не менее 300 кг/см2.

Толщина барьерного слоя из никеля должна быть в пределах 0,7-1,3 мкм для предотвращения взаимной диффузии меди и золота.

На основе проведенных исследований, разработана конструкция и технология изготовления высоконадежной многослойной МПЛ со структурой слоев V(50-100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм), имеющей малые потери энергии. Коэффициент затухания многослойной МПЛ в диапазоне частот 1,1-1,5 ГГц имеет значения от 1,14 до 1,32 дБ/м, что оказалось приемлемым для изготовления ПЧ СВЧ-устройств специальной РЭА. Высокая надежность обеспечивается высокой адгезией полосок к подложке, достаточной толщиной буферного слоя из никеля для предотвращения взаимной диффузии меди и золота и высокой коррозионной стойкостью МПЛ к воздействию внешних факторов.

Для разработанной структуры слоев и технологии изготовления МПЛ получена эмпирическая формула для расчета коэффициента затухания в линии  , дБ/м в зависимости от рабочей частоты :

,                                                        (1)

где - коэффициент потерь; - частота в ГГц.

В третьей главе приводятся результаты теоретического анализа теплового режима работы ТПР при воздействии коротких импульсов большой мощности и результаты экспериментального исследования импульсного режима работы тонкопленочных согласованных резистивных нагрузок СВЧ-устройств.

При испытаниях разработанных МП СВЧ-устройств оказалось, что при мощности СВЧ импульсов от 2 до 5 кВт и их длительности порядка 0,5-1 мкс МП ТРН разрушаются раньше, чем происходит высокочастотный пробой МПЛ. Это привело к необходимости исследования физики отказов резисторов с целью разработки конструкции и технологии изготовления ТРН, обеспечивающих надежную работу при импульсной мощности до 5 кВт с сохранением размеров СВЧ-устройств.

Теоретический анализ температурного режима работы ТПР из хрома и тантала на подложке из поликора при воздействии импульсов длительностью 1 мкс показал, что температура тестовых резисторов из хрома при воздействии импульсной мощности от 0,2 до 3 кВт не превышает 60С, а температура тестовых резисторов из тантала при импульсной мощности от 5 до 8 кВт т не превышает 120С. При этом, в ТПР из хрома рассеивается 1% подводимой мощности, а в резисторе из тантала – около 2%. Следовательно, так как температура резисторов не превышает максимально допустимой и намного меньше температуры плавления материала резистивных пленок, то отказ резисторов из-за перегрева, вследствие аккумулирования в резистивной пленке тепловой энергии при воздействии импульсов большой мощности, маловероятен.

Было предположено, что отказы резисторов при воздействии импульсного СВЧ сигнала происходят из-за возникновения коронного СВЧ разряда, инициированного микроостриями поверхности резистивной пленки, а также неровностями ее краев, которые возникают из-за недостаточно высокого качества поликоровых подложек. Возникновение коронного разряда в поверхностном слое газовой среды, прилегающем к резистивной пленке, вызывает дополнительный разогрев резистивной пленки до температуры выше температуры плавления, что приводит к перегоранию резисторов или к их разрушению. Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить эти предположения.

Экспериментально полученные гистограммы распределения предельной импульсной мощности исследованных резистивных материалов, приведенные на рис. 2, 3, имеют два максимума, что свидетельствует о влиянии на выход из строя тонкопленочных резисторов двух доминирующих факторов.

Анализ экспериментальных образцов тестовых резисторов, вышедших из строя в районе первого максимума, показал, что выгорание резистивной пленки происходит по рискам, повторяющим шероховатости подложки, а затем по возникшему зазору развивается электрический пробой. У резисторов, вышедших из строя в районе второго максимума, разрушение резистивной пленки происходит без видимого выгорания по рискам. При этом пленка просто разваливается на отдельные островки, что, по-видимому, происходит при нагреве пленки до температуры выше температуры плавления. Влияние толщины резистивной пленки проявляется в том, что с увеличением толщины пленки в районе первого максимума выходит из строя меньшее число резисторов.

Гистограммы, приведенные на рис. 3, подтверждают предположение о том, что отказы резисторов при воздействии импульсного СВЧ сигнала происходят из-за возникновения коронного СВЧ разряда, так как покрытие поверхности и краев резистивной пленки диэлектрической пленкой существенно увеличивает предельную импульсную мощность за счет изоляции микроостриев, инициирующих коронный разряд.

                а)

                б)

                в)

Рис. 2. Гистограммы распределения предельной импульсной мощности рассеяния пленочных резисторов:

а - РС5406К, 25 Ом/кв.; б - тантал, 25 Ом/кв.;

в - РТР3473, 25 Ом/кв.; N - число значений импульсной мощности в соответствующем интервале; , - общее число значений импульсной мощности для первого и второго максимумов соответственно

                              а)

                                б)

                                в)

Рис. 3. Гистограммы распределения предельной импульсной мощности рассеяния пленочных резисторов из сплава РС5406К, 50 Ом/кв. с защитой Si3N4 разной толщины:  а - 0,4 мкм; б - 0,8 мкм; в - 2,5 мкм; N - число значений в соответствующем интервале; , - общее число значений импульсной мощности для первого и второго максимумов

соответственно

Экспериментальные данные по статистическим характеристикам предельной и предельной удельной импульсной мощностям рассеяния на поликоровых подложках для исследованных резистивных пленок приведены в табл. 2.

Среднее значение и среднеквадратическое отклонение предельной удельной импульсной мощности рассчитывались по формулам:

, ,        (2)

где , – среднее значение и среднеквадратическое отклонение предельной импульсной мощности для первого максимума гистограммы; – площадь резистора. Эти данные могут быть использованы при расчетах ТРН, работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности.

Таблица 2.

Характеристики резистивных материалов по импульсной мощности

п/п

Материал резистора

, Ом/кв.

,

мм2

,

кВт

,

кВт

,

кВт/мм2

1

Хром

50

4

0,43

0,1

0,11±0,08

2

Хром

25

8

0,86

0,2

0,11±0,07

3

РС3710

50

4

0,55

0,15

0,14±0,11

4

РС5406К

50

4

1,1

0,2

0,28±0,15

5

РС5406К

25

8

2,3

0,27

0,29±0,1

6

Тантал

25

8

7,5

0,8

0,94±0,3

7

РТР3473

25

8

7,2

0,7

0,9±0,3

8

РС5406К, Si3N4 (0,4)

50

4

6,1

1,1

1,53±0,7

9

РС5406К, Si3N4 (0,8)

50

4

7,9

1,3

1,98±0,9

10

РС5406К, Si3N4 (2,5)

50

4

10

1,3

2,5±1

На рисунке 4 представлен вариант конструкции согласованной ТРН, предназначенной для работы при воздействии импульсной СВЧ мощности до 5 кВт.

Рис. 4. Конструкция оконечной согласованной нагрузки микрополосковых тонкопленочных плат для рассеяния импульсной СВЧ мощности

Для исключения возникновения коронного СВЧ разряда при рассеянии резистором мощного СВЧ импульса от подводящей микрополосковой линии 1 поверхность и края резистивной пленки 3 покрыты диэлектрической пленкой 4, толщина которой значительно больше высоты неровностей подложки 8. Для надежности изоляции резистивной пленки контактные площадки 2 и 5 резистора перекрывают края диэлектрической пленки на 0,1-0,2 мм. Контактная площадка 5 резистивной нагрузки является также короткоза-

мыкателем на экран 7 через металлизированный торец подложки 6. Диэлектрическая пленка из Si3N4 одновременно выполняет функцию защиты резистора от воздействий окружающей среды и механических повреждений, что также повышает надежность резистора. Диэлектрическая пленка 9, например, из окиси алюминия, сглаживает микронеровности поверхности подложки.

Проведенные исследования физики отказов ТРН, при воздействии импульсной СВЧ мощности, позволили выявить причины отказов и разработать конструкцию и технологию изготовления миниатюрных ТРН, надежно работающих при воздействии импульсной мощности до 2-5 кВт при размерах от 2X2 до 4X8 мм в зависимости от средней мощности. Это позволило решить проблему разработки импульсных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности и заданными габаритами, исключив отказы аппаратуры из-за перегорания ТРН.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке новых технологий изготовления ПЧ СВЧ-устройств.

На основе системного анализа конструкторско-технологических проблем проектирования ПЧ высоконадежных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности предложена классификация маршрутов изготовления МПП и разработаны новые технологии и маршруты изготовления МПП с повышенной надежностью и улучшенными электрическими и массогабаритными характеристиками.

На основе проведенных исследований, разработана технология изготовления ПЧ микрополосковых СВЧ-устройств, позволяющая до трех раз снизить потери энергии в многослойной МПЛ, имеющей структуру V-Cuв-Cuг-Niг-Auг. Сущность технологии заключается в электролитическом осаждении на барьерный слой из никеля, который вносит большие потери, защитного слоя из золота с высокой электропроводностью и толщиной более одного скин-слоя на рабочей частоте в фосфатном электролите золочения с платиновыми анодами, при следующем соотношении компонентов, г/л:

калия дициано -I- аурат, K[Au(CN)2]                                         10-15;

аммоний фосфорнокислый однозамещенный, (NH4)H2PO4                 30-40;

аммоний фосфорнокислый двузамещенный, (NH4)2HPO4                 50-70;

талий азотнокислый, TlNO3                                                 0,01-0,02,

с кислотностью pH =6-7 при плотности тока (0,3–0,4) А/дм2 и температуре 65±5С.

На основе экспериментальных исследований установлено, что на величину удельного переходного сопротивления контактов при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев, существенно влияют материал подслоя и технология формирования контактов. Разработана оптимальная технология изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным сопротивлением путем подбора материала подслоя, технологических режимов и состава раствора для межоперационной обработки.

Рис. 5. Зависимость удельного переходного сопротивления контакта от времени межоперационной обработки подложек

На рис. 5 приведена экспериментальная зависимость средней величины удельного переходного сопротивления контакта от времени обработки в хромовой смеси состава K2Cr2O7 - 80г, H2SO4 - 1л при температуре 20С. Кривая получена для низкоомного резистивного материала РС5406К с подслоем из ванадия. Из рисунка следует, что оптимальное время обработки составляет 30-40 сек. В таблице 3 приведены данные по величинам для используемых в

СВЧ-устройствах резистивных материалов и принятой на предприятии технологии.

Таблица 3.

Удельные переходные сопротивления контактов тонкопленочных резисторов.

Материал резистивного слоя

Удельное поверхностное сопротивление, Ом/кв.

Материал подслоя

Среднее удельное переходное сопротивление контакта ·103, Оммм2

Средне квадратическое отклонение ·103, Оммм2

1

РС5406К

50

Ванадий

5

1,5

Хром

380

120

2

РС3710

500

Ванадий

26

6

Хром

280

70

3

Нитрид тантала

50

Ванадий

0,5

0,1

Хром

5

1,5

Из таблицы следует, что подслой из ванадия обеспечивает на 1-2 порядка меньшее переходное сопротивление контакта и существенно меньший разброс .

В многочисленных источниках отмечают ухудшение стабильности ТПР после их подгонки за счет обнажения резистивной пленки в зоне реза и изменения ее структуры при термическом воздействии лазерного луча. В результате экспериментальных исследований установлено, что при лазерной доводке ТПР основная нестабильность сопротивления возникает вследствие осаждения продуктов испарения в зоне реза. В этом предположении разработана технология подгонки ТПР, практически не ухудшающая их стабильность. Сущность технологии заключается в покрытии резистивной пленки до доводки диэлектрической пленкой, например, фоторезистом ФН-11С или пленкой Si3N4, которая поглощает продукты испарения резистивной пленки от воздействия лазерного луча.

Разработана технология изготовления тонкопленочных МПП с миниатюрными ТРН, работающими при воздействии импульсной СВЧ мощности до  5 кВт. Сущность технологии заключается в том, что после формирования методом фотолитографии рисунка из резистивной пленки на подложке формируют контактную маску со структурой слоев V-Cuв-Cuг-Niг, в окна которой на поверхность резистивного слоя напыляют диэлектрическую пленку из нитрида кремния Si3N4. Затем «взрывным» травлением контактной маски на резистивной пленке получают диэлектрический слой из Si3N4, перекрывающий края резистивной пленки с оставлением площадок для контактирования с подводящей МПЛ. После этого методом фотолитографии и электрохимического осаждения на поверхность диэлектрической подложки наносят токонесущие контактные площадки и МПЛ со структурой V-Cuв-Cuг-Niг-Auг.

Разработана технология гальванического осаждения проводниковых слоев по подслою в зазоре, отличающаяся от известной технологии осаждения слоев по подслою тем, что, с целью повышения равномерности осадка по толщине, в пробельные места введен временный технологический слой из вакуумной меди толщиной 1,5±0,5 мкм с оставлением зазора до всех проводников величиной 50- -100 мкм по всему полю положки. Проведенные технологические исследования позволили выявить, что этот маршрут пригоден для формирования структуры МПЛ со слоями V(Cr)-Cuв-Cuг-Niг-Auг, причем, по сравнению с известной технологией осаждения проводников по подслою, обеспечивается в 5 раз меньше разброс меди по толщине при полной защите медного слоя от коррозии.

Разработана технология изготовления многослойных МПЛ методом гальванического осаждения проводниковых слоев с использованием «тонких» пленочных технологических перемычек. В отличие от известных технологий, основанных на применении сварных или пленочных перемычек, в предлагаемой технологии пленочные перемычки, формируемые на этапе I фотолитографии, сразу же после удаления фоторезиста защищаются локально фоторезистом на этапе II фотолитографии. Поэтому при последующих гальванических процессах медь, никель и золото осаждаются только на основные проводники. Это позволяет существенно упростить и удешевить технологию изготовления плат с использованием пленочных или сварных технологических перемычек и повысить коррозионную стойкость проводников при воздействии окружающей среды.

Проведенные технологические исследования позволили разработать базовые ТП и маршруты серийного изготовления ПЧ высоконадежных СВЧ-устройств, обеспечивающие малые потери энергии, высокую коррозионную стойкость и адгезию многослойных проводников МПЛ к подложке, надежную работу миниатюрных ТРН при воздействии повышенной импульсной мощности, высокую температурную и временную стабильность ТРЭ.

Пятая глава посвящена разработке теоретических положений для создания автоматизированных систем технологического обеспечения качества и экспериментальному исследованию производственных погрешностей ТПР при серийном изготовлении ПЧ СВЧ-устройств.

Разработаны математические модели сопротивлений ТПР с учетом систематических и случайных составляющих погрешностей контактных сопротивлений, а также тестовые структуры и математические модели для оценки точности основных ТП, включая ТП формирования контактов, при производстве ПЧ СВЧ-устройств с помощью автоматизированных систем АСК и СРТП.

Математические модели сопротивлений ТПР для средних значений и среднеквадратических отклонений имеют вид:

,                       (3)

,       (4)

где , , , - номинальное значение, среднее значение, среднеквадратическое отклонение и систематическая погрешность сопротивления резистора - го типа соответственно; , , - номинальное значение, среднеквадратическое отклонение и систематическая погрешность удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки соответственно; , , - номинальное значение, среднеквадратическое отклонение и систематическая погрешность длины и ширины соответственно; - среднее значение удельного переходного сопротивления контактов; - эмпирические коэффициенты, зависящие от технологии изготовления и материалов контактов.

С использованием формул (3) и (4) можно оценить вероятность выхода годных ТПР микрополосковых плат при изготовлении:

,                        (5)

где - допуск на сопротивление резистора - го типа (в относительных единицах); - число типов различных по конструкции резисторов в МПП.

Эти модели послужили основой для вывода формул и разработки методики автоматизированного конструктивного расчета резистивных элементов СВЧ-устройств с учетом погрешностей их КТП, включая контактные сопротивления.

Тестовая структура для определения производственных погрешностей КТП ТПР, включая контактные сопротивления, путем измерения сопротивлений тестовых резисторов и , изображена на рис. 6.

Каждая пара резисторов содержит плёночные резисторы, равные по ширине и отличные друг от друга по длине, соединённые между собой и на концах каждой пары контактными площадками шириной, равной ширине пары плёночных резисторов.

Рис. 6. Тестовая резистивная структура для косвенного определения погрешностей КТП ТПР, включая величину удельного переходного сопротивления контактов

Систематическую и случайную составляющие производственных погрешностей удельного поверхностного сопротивления , ширины , длины и удельного переходного сопротивления контактов резистивных элементов ИС получают усреднением погрешностей , , , , определенных решением систем уравнений, составленных для отдельно взятой - ой тестовой структуры:

,                        (6)

,

,

,

,

где - порядковый номер тестовой структуры; - коэффициенты пар резисторов - ой тестовой структуры, вычисляемые по формулам:

,                                (7)

;                                (8)

где , , , - измеренные сопротивления резисторов , , , и - ой тестовой структуры; , , , - номинально заданные длины плёночных резисторов тестовой структуры; , - номинально заданные ширины пар резисторов тестовой структуры; , величины сопротивлений контактов пар резисторов - ой тестовой структуры; , - коэффициенты пар резисторов - ой тестовой структуры, вычисляемые по формулам:

,                               (9)

.                                (10)

Величину удельного переходного сопротивления контактов резистивных элементов ИС по отдельно взятой - ой тестовой структуре определяют по формуле:

,                                (11)

где: величина удельного поверхностного сопротивления в месте расположения - ой тестовой структуры; .

На основе разработанных тестовой структуры и математической модели предложены принципы построения и разработаны автоматизированные системы АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с резистивными элементами при учете контактных сопротивлений, позволяющие существенно повысить эффективность производства. Схема организации АСК и СРТП показана на рис. 7.

При изготовлении очередной партии подложек качество основных ТП, от которых зависит вероятность выхода годных резистивных элементов, оценивается по отклонению оценок производственных погрешностей КТП , , , конкретной - ой партии подложек от статистических характеристик КТП резистивных элементов ,, , , , определенных для генеральной совокупности.

Эффективность регулирования ТП предложено оценивать по вероятностям выхода годных резисторов тестовых структур: квадратного , чувствительного к изменению , широкого с малой длиной , чувствительному к изменению длины и длинного с малой шириной , чувствительного к изменению ширины:

,                        (12)

Рис. 7. Алгоритм статистического контроля и управления групповыми технологическими процессами изготовления резистивных элементов интегральной схемы

где , - оценки средних значений и среднеквадратических отклонений сопротивлений тестовых резисторов - ого типа - ой партии подложек; , - средние значения и среднеквадратические отклонения сопротивлений тестовых резисторов - ого типа, для генеральной совокупности.

Вероятность выхода годных всех тестовых резисторов - ой партии подложек, при которой достигается планируемый процент выхода годных резистивных элементов ИС, должна быть не менее некоторой критической величины , которая может быть определена экспериментальным путем:.

В качестве технического средства автоматизированного статистического контроля ТП может быть использован стенд, схема которого приведена на рис. 8.

Стенд позволяет автоматически проводить измерение всех тестовых резисторов, вводить данные измеренных сопротивлений в компьютер, проводить необходимые вычисления и выводить результаты в виде удобном для пользователя.

Рис. 8. Структурная схема стенда автоматизированного контроля тестовых резисторов: ПТ - подложка с тестовыми резисторами; КУ - контактирующее устройство; КИА - контрольно-измерительная аппаратура; УС - устройство сопряжения; ПК - персональный компьютер

На основе математической модели (6) разработаны методика и алгоритм расчета оценок статистических характеристик ТПР.

Рис 9. Алгоритм расчета статистических характеристик ТПР партии подложек

Алгоритм расчета оценок статистических характеристик ТПР - ой партии подложек приведен на рис. 9, где , .

При выходе оценок погрешностей КТП резисторов конкретной партии за границы регулирования проводят регулирование параметров групповых ТП на операции напыления резистивного слоя, формирования рисунков в коммутационном и резистивном слоях или формировании контактов.

При проектировании ТПР их размеры рассчитывают с учетом оценок всей совокупности систематических и случайных составляющих производственных погрешностей КТП, определенных для генеральной совокупности. Поэтому предложенные системы автоматизированного контроля и регулирования ТП позволяют изготавливать резисторы, средние значения сопротивлений которых будут близки к номинальным значениям, не зависимо от их размеров, а вероятность выхода годных ИС будет максимальной.

С помощью системы АСК, для разработанной технологии, проведены экспериментальные исследования производственных погрешностей резистивных элементов МПП. Полученные экспериментальные данные для генеральных характеристик приведены в табл. 4. Эти данные используются при конструктивном расчете ТПР для обеспечения заданных полей допусков и в автоматизированных системах АСК и СРТП для управления точностью ТП.

Таблица 4

Статистические характеристики КТП тонкопленочных резисторов

Материал

,

Ом/кв.

,

Ом

,

Оммм2

,

мкм

,

мкм

,

мкм

,

мкм

,

Ом·мм

1

К 50С

2000

86

0,29

-6,6

2,9

-5,2

2,7

15

1,0

2

РС 3710

500

8,32

0,034

-7,2

2,8

-5,5

3,0

1,55

1,11

3

РС 5406К

50

0,81

0,0046

-6,8

2,3

-6,3

2,4

0,21

1,13

4

РС 5406К

25

0,36

0,0041

-8,3

3,2

-5,1

3,3

0,11

1,14

Для среднеквадратических отклонений контактных сопротивлений получены эмпирические зависимости от ширины резисторов:

,                                                (13)

где - эмпирические коэффициенты, зависящие от технологии изготовления и материалов контактов.

Основная задача СРТП заключается в определении необходимости настройки технологического оборудования и ТП по параметрам точности. СРТП анализирует данные АСК по величинам погрешностей ТПР и выдает информацию о необходимости регулирования ТП и возможных причинах разладки.

При точной настройке ТП изготовления резисторов ИС по результатам контроля - ой партии подложек для оценок средних погрешностей имеем:

, , , .                 (14)

При выполнении соотношений (14) и корректировке размеров резисторов с учетом систематических погрешностей длины, ширины и контактных сопротивлений оценки математических ожиданий КТП всех изготовленных резисторов ИС - ого типа - ой партии подложек будут близки к значениям:

, , ,                 (15)

где - ширина резистора, откорректированная с учетом систематической погрешности контактных сопротивлений по формуле (28). При выполнении соотношений (15) оценки математических ожиданий сопротивлений всех резисторов МПП будут близки к номинальным значениям: .

Рис. 10. Диаграмма полей рассеяния тестовых резисторов: партии № 1, 2 - до внедрения систем АСК и СРТП; партия № 3 - после

внедрения систем АСК и СРТП

Эффективность внедрения систем технологического обеспечения качества иллюстрируется на рис. 10 на примере изготовления тестовых структур из материала РС5406К с удельным поверхностным сопротивлением резистивного слоя 50 Ом/кв.

До внедрения автоматизированных систем АСК и СРТП и методики расчета резисторов с учетом производственных погрешностей, полученных с помощью АСК, напыление резистивных сплавов проводилось с отклонением – (10-15) % от номинального значения удельного поверхностного сопротивления, для того, чтобы получать в пределах поля допуска сопротивления резисторов с малы-

ми длинами (, партия № 2). Поэтому резисторы с большими размерами почти все проходили процесс подгонки в сторону увеличения сопротивлений до номинального значения (,, партия № 2). При напылении резистивной пленки с величиной , равной номинальному значению, большой процент сопротивлений резисторов с длиной (0,2-0,5) мм выходил за пределы поля допуска (, партия № 1).

Геометрические параметры тестовых резисторов партии № 3 рассчитывались с учетом производственных погрешностей КТП для обеспечения номинальных значений и попадания сопротивлений резисторов в поле допуска ±10 %.

Автоматизированные системы технологического обеспечения качества внедрены в производство, что позволило в два раза снизить трудоемкость на операции доводки резисторов и на 30% увеличить процент выхода годных МПП с ТПР.

В шестой главе проведена разработка методов проектирования ТРЭ, ТРН и методики расчета коэффициента затухания многослойной МПЛ пассивной части СВЧ-устройств.

Расчет ТРЭ основан на применении основных положений теории вероятностей. Формулы для расчета резисторов получены для генеральных характеристик производственных погрешностей, величины оценок которых поддерживаются на постоянном уровне в пределах границ регулирования с помощью автоматизированных систем АСК и СРТП, что позволяет изготавливать ТПР с заданной точностью при серийном производстве МПП. Предпочтительная форма резисторов с сосредоточенными параметрами в СВЧ-устройствах – прямоугольная. Поэтому все расчеты проводят для резисторов прямоугольной формы.

Сначала проводят предварительный расчет резисторов без учета случайной составляющей контактных сопротивлений, так как величина зависит от ширины резистора, которая в начале расчета неизвестна.

Определяют оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки:

,                                (16)

где - число резисторов на плате.

Определяют коэффициент формы резисторов:

       .                                        (17)

Проверяют возможность изготовления резисторов с заданным допуском из выбранного материала без применения операций подгонки, не учитывая относительную случайную погрешность контактных сопротивлений, т. е. полагая .

Рассчитывают квадрат допустимой погрешности коэффициента формы:

,                                        (18)

где - относительная погрешность резистивной пленки.

Рассчитывают минимальное значение квадрата допустимой погрешности коэффициента формы:

,                        (19)

где - минимально допустимая величина коэффициента формы, - технологическое ограничение на минимальную длину.

Если значение , то возможно изготовление этого резистора с погрешностью без подгонки, при этом допустимая погрешность коэффициента формы:

.                                (20)

Если значение <, то проектируют подгоняемый резистор, увеличивая допуск на этот резистор до величины с шагом 5%, для обеспечения соотношения:

,                        (21)

при этом допустимая погрешность коэффициента формы подгоняемого резистора:

.                                        (22)

При расчете резисторов, имеющих коэффициент формы , сначала определяют ширину, а затем длину резистора.

Расчетное значение ширины резистора должно быть не меньше наибольшего значения одной из трех величин:

≥ max {},                                (23)

где - технологическое ограничение на минимальную ширину; - ширина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:

или ;        (24)

- минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность рассеяния резистора из расчета необходимого уровня надежности:

,                                        (25)

где - заданная мощность рассеяния резистора; - допустимая удельная мощность рассеяния резистора; - заданный коэффициент нагрузки.

Из трех полученных значений за ширину резистора принимают максимальное значение.

Находят расчетную длину резистора:

.                                        (26)

Расчетную длину резистора сравнивают с минимально-допустимой длиной резистора , при которой можно не учитывать систематическую погрешность контактных сопротивлений:

,                                        (27)

где - коэффициент, допускающий величину погрешности, вносимой контактным сопротивлением в общую погрешность изготовления резистора.

Если , то за расчетную ширину резистора принимают величину , полученную из условия (23). При величине < корректируют расчетную ширину резистора по формуле:

.                         (28)

При расчете резисторов, имеющих коэффициент формы < 1, расчет начинают с определения длины.

Расчетное значение длины резистора выбирают из условия:

.≥ max{},                        (29)

где - длина резистора, рассчитываемая по формуле:

или ;                (30)

- минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность рассеяния резистора из расчета необходимого уровня надежности:

.                                                (31)

Из четырех полученных значений за длину резистора принимают максимальное значение.

Расчетную ширину резистора определяют по формуле:

.                                        (32)

По окончании этих расчетов проводят проверочный расчет резисторов с учетом случайной погрешности контактных сопротивлений. Резистор спроектирован удовлетворительно, если:

Для резисторов с расчетное значение суммарной погрешности не превышает допуска на резистор:

,                (33)

где , .

Для резисторов с величиной <:

- расчетное значение суммарной погрешности , не превышает допуска на резистор:

,                (34)

- расчетное значение допустимого отклонения ширины резистора при подгонке удовлетворяет соотношению:

.                         (35)

Расчетное значение коэффициента нагрузки не превышает заданного :

.                                (36)

Расчетное значение сопротивления резистора не превышает номинального значения :

.                        (37)

При невыполнении соотношений (33)-(37) увеличивают размеры резисторов.

Полученные в результате всех расчетов размеры резисторов, корректируют с учетом систематических погрешностей длины и ширины для изготовления фотошаблонов:

,                                        (38)

.                                        (39)

С использованием формул (16)-(39) разработаны алгоритмы и программные модули расчета резистивных элементов МПП на персональном компьютере. Новизна предложенной методики состоит в том, что при расчетах применен вероятностный подход и учитываются систематическая и случайная составляющие погрешности контактных сопротивлений.

Предложены формулы и разработана методика расчета согласованных ТРН, работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности.

1. При заданной импульсной мощности и скважности импульсов рассчитывают среднюю мощность рассеяния .

2. Рассчитывают волновое сопротивление эквивалентной линии передачи без потерь (ширина которой равна ширине резистивной нагрузки):

,                                         (40)

где - волновое сопротивление подводящей микрополосковой линии.

3. По известным формулам рассчитывают ширину резистора исходя из волнового сопротивления эквивалентной линии передачи и с учетом того, что отношение толщины эквивалентной линии передачи к толщине подложки :

,                                         (41)

, (42)

где - диэлектрическая проницаемость подложки.

Величину рассчитывают по формуле:

.                                         (43)

Величину рассчитывают по формуле:

. (44)

Формулу (41) применяют при величине > 2,1, формулу (42) – при величине .

4. Рассчитывают площадь резистора , обеспечивающую необходимую надежность для средней мощности :

.                                         (45)

5. Рассчитывают длину резистора , при которой обеспечивается средняя мощность рассеяния:

.                                         (46)

6. Рассчитывают длину резистора , при которой обеспечивается импульсная мощность рассеяния:

.                         (47)

7. За длину резистора принимают наибольшее значение из двух величин:

.                                         (48)

8. Рассчитывают удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки, которое обеспечивает заданное сопротивление нагрузки, при расчетных значениях длины и ширины:

.                                         (49)

Предложенные методики расчета ТРЭ и ТРН позволяют закладывать качество МПП уже на этапе проектирования и намного сократить время на их разработку, существенно увеличить процент выхода годных плат и повысить их надежность.

В заключении приведены основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

В приложении к диссертации приводятся: расчеты эмпирических коэффициентов по экспериментальным данным методом планирования экспериментов; описание программы расчета прецизионных тонкопленочных резисторов с учетом производственных погрешностей и контактных сопротивлений; образцы микрополосковых, тонкопленочных плат и СВЧ-устройств на их основе; акты об использовании результатов диссертационной работы на различных предприятиях и в организациях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведенных исследований и разработок осуществлено решение комплекса конструкторско-технологических проблем по улучшению электрических и массогабаритных характеристик, повышению надежности и контролю качества пассивной части микрополосковых СВЧ-устройств c повышенным уровнем мощности, необходимых для создания и серийного изготовления современных радиотехнических систем государственного опознавания дециметрового диапазона для наземной, корабельной и самолетной техники. Внедрение результатов работы в проектно-конструкторскую деятельность и серийное производство позволяет существенно повысить экономическую эффективность производства и вносит значительный вклад в развитие СВЧ техники для радиотехнических систем опознавания, необходимых для повышения обороноспособности страны.

При решении данных проблем получены следующие основные результаты:

1. Проведен системный анализ современного состояния в области проектирования, технологии изготовления и создания автоматизированных систем технологического обеспечения качества МПП при серийном производстве высоконадежных МП СВЧ-устройств дециметрового диапазона с повышенным уровнем мощности. Показано, что при проектировании и изготовлении МПП актуальными конструкторско-технологическими проблемами являются: обеспечение малых потерь энергии и высокой коррозионной стойкости МПЛ; повышение надежности согласованных ТРН при воздействии большой импульсной СВЧ мощности; обеспечение высокой стабильности и выхода годных ТРЭ; автоматизация контроля качества и управления основными ТП их изготовления. На основе этого анализа предложена классификация маршрутов изготовления МПП и разработаны новые технологии изготовления элементов МПП с повышенной надежностью.

2. Экспериментально установлено, что в МПЛ, имеющих структуру V-Cuв--Cuг-Niг-Auг, необходимо учитывать скин-эффект не только на границе между полоской и подложкой, но и на границе между полоской и окружающей газовой средой, вследствие большой плотности поверхностного тока на краях полоски. Поэтому на потери энергии существенно влияет толщина и технология изготовления защитного слоя. Предложен состав и технология золочения, позволяющие до трех раз снизить потери энергии при осаждении золота толщиной более одного скин-слоя в золоте. Разработаны рекомендации по проектированию многослойной МПЛ с малыми потерями энергии.

3. Установлено, что при воздействии импульсной СВЧ мощности основной причиной выхода из строя ТРН на поликоровых подложках является СВЧ коронный разряд, возникающий на микроостриях резистивной пленки. Показано, что на величину предельной импульсной мощности рассеяния ТРН существенно влияют три основных фактора: качество поверхности подложки, температура плавления резистивной пленки и покрытие поверхности и краев резистивной пленки диэлектрической пленкой. Показано, что покрытие ТРН пленкой Si3N4 позволяет на порядок увеличить предельную удельную импульсную мощность.

Разработаны конструкция, способ изготовления и методика расчета согласованных ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности, позволяющие исключить отказы ТРН при эксплуатации СВЧ-устройств.

4. Предложены материалы контактных пленочных соединений и разработана технология изготовления ТПР при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев для получения малых удельных переходных сопротивлений контактов с величиной в пределах 5·10-3-26·10-3 Ом·мм2, что на один-два порядка меньше чем в известных технологиях.

5. Экспериментально установлено, что при лазерной доводке ТПР на ухудшение температурной и временной стабильности резисторов существенно влияет осаждение продуктов испарения на резистивную пленку в зоне реза. Показано, что предварительное покрытие резистивной пленки диэлектрической пленкой позволяет практически сохранить стабильность резисторов за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне реза.

6. Предложены математические модели ТПР, на основе которых получены формулы, а также разработана методика и программные модули автоматизированного расчета резисторов МПП с учетом систематических и случайных составляющих производственных погрешностей конструктивно-технологических параметров, включая погрешности контактных сопротивлений. Методика позволяет обеспечивать заданные поля допусков на сопротивления резисторов с теоретической вероятностью 0,9973, повысить надежность ТПР и в десятки раз сократить время вычислений.

7. Предложены тестовые резистивные структуры, для которых разработаны математические модели, устанавливающие взаимосвязь сопротивлений ТПР с производственными погрешностями их КТП, включая контактные сопротивления. Предложенные модели позволяют дополнительно определять систематические и случайные составляющие контактных сопротивлений и существенно повысить точность определения погрешностей удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины. На основе этих моделей разработаны принципы построения, методики и алгоритмы для создания автоматизированных систем АСК и СРТП при изготовлении элементов ПЧ СВЧ-устройств, что, в конечном итоге, позволяет обеспечивать качество и существенно уменьшить брак при производстве изделий.

8. Получены экспериментальные данные по величинам производственных погрешностей КТП ТПР пассивной части СВЧ-устройств, включая контактные сопротивления для генеральных характеристик. Получена эмпирическая формула для расчета среднеквадратического отклонения контактных сопротивлений в зависимости от ширины резисторов. Эти данные и формула позволяют производить конструктивный расчет резисторов для обеспечения заданной точности, а также оценивать точность ТП в процессе производства с помощью автоматизированных систем АСК и СРТП.

9. Разработанные конструкции, способы изготовления, модели, методики и программные модули расчета ТПР пассивной части СВЧ-устройств внедрены на предприятии ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» и используются при проектировании и серийном изготовлении специзделий. Результаты работы внедрялись при выполнении ОКР по теме: «Отработка конструктивно-технологических решений и внедрение в серийное производство базовых технологических процессов изготовления МСБ изделия 40». Внедрение результатов работы позволило существенно повысить качество и надежность СВЧ-устройств, снизить себестоимость их разработки и изготовления. В том числе до трех раз снизить потери энергии в МПЛ, в 5-10 раз повысить импульсную СВЧ-мощность ТРН, в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников МПЛ и на порядок повысить стабильность ТРЭ. Внедрение методики автоматизированного конструктивного расчета ТПР и автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном производстве ПЧ СВЧ-устройств на предприятии ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника», а также методик автоматизированного конструктивного расчета ТПР и определения производственных погрешностей ТПР на предприятиях ФГУП «КПКБ» и ОАО «КОМЗ» позволило существенно повысить экономическую эффективность производства.

Подтверждением высокой надежности микрополосковых плат является успешное проведение периодических и натурных испытаний плат в составе изделий, а также опыт эксплуатации изделий на объектах в течение более чем двадцати последних лет.

Новизна предложенных технических решений подтверждена девятью патентами и двумя авторскими свидетельствами на изобретения.

Полученные результаты диссертационной работы имеют широкий диапазон применения в области проектирования и технологии микроэлектронных изделий. Рекомендации по проектированию и технологии изготовления МПП с малыми потерями энергии и высокой импульсной мощностью рассеяния согласованных ТРН могут быть использованы при проектировании СВЧ-устройств сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Предложенные системы технологического обеспечения качества могут найти широкое применение при производстве любых тонкопленочных ИС с резистивными элементами.

На рис. 11-14 приведены серийно выпускаемые образцы МПП, спроектированных и изготовленных по предложенным автором диссертации методикам и технологиям и образцы СВЧ-устройств на основе МПП.

Рис. 11. Микрополосковые платы

Рис. 12. Усилитель мощности на 2 кВт

Рис. 13. Антенный переключатель на импульсную мощность 8 кВт

Рис. 14. Приемник

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Крючатов В.И., Насыров И.К. Расчет тонкопленочных резисторов с учетом переходного сопротивления контакта // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 1998. № 1. С. 42–45.

2. Крючатов В.И., Насыров И.К. Исследование предельной импульсной мощности рассеяния резистивных пленок на подложках СВЧ интегральных схем // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 1998. № 2. С. 19–22.

3. Крючатов В.И. Применение персонального компьютера для расчета прецизионных резистивных элементов интегральных схем по методике, учитывающей контактные сопротивления // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2007. № 1. С. 33–37.

4. Крючатов В.И. Технология изготовления микрополосковых линий СВЧ ГИС с повышенной надежностью // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2009. № 2. С. 34–36.

5. Крючатов В.И. Методика автоматизированного конструктивного расчета тонкопленочных резисторов с учетом производственных погрешностей // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2009. № 3. С. 53–59.

6. Крючатов В.И. Математическая модель для исследования погрешностей сопротивлений резисторов интегральных схем // Нелинейный мир. М.: 2009. Т.7. № 5. С. 70-75.

7. Крючатов В.И. Математическая модель тонкопленочного резистора, включая переходные сопротивления контактов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2009. № 4. С. 43–48.

8. Крючатов В.И. Экспериментальное исследование технологических погрешностей и контактных сопротивлений тонкопленочных резистивных структур // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2010. №1. С. 48–53.

9. Крючатов В.И. Автоматизированные системы технологического обеспечения качества тонкопленочных резисторов при учете контактных сопротивлений // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2010. № 2. С. 53–58.

Авторские свидетельства СССР и патенты РФ на изобретение:

10. А.с. 1314847 СССР, МКИ4 H01C 7/00. Толстопленочный резистор / Ю.П. Конов, В.И. Крючатов, М.З. Валеев. № 3864958/24-21; заявл. 07.03.85; опубл. 01.02.87.

11. А.с. 1316453 СССР, МКИ4 H01C 17/22. Пленочный резистор / Ю.П. Конов, В.И. Крючатов, М.З. Валеев. № 3840374/24-21; заявл. 08.01.85; опубл. 08.02.87.

12. Пат. № 2308127 Российская Федерация, C1, H01P 1/26. Полосковая нагрузка / Крючатов В.И., Кузнецов Д.И.; заявл. 12.12.2005; опубл. 10.10.2007, Бюл. №28.

13. Пат. № 2309489 Российская Федерация, C2, H01P 1/22. Полосковый аттенюатор / Крючатов В.И., Кузнецов Д.И.; заявл. 12.12.2005; опубл. 27.10.2007, Бюл. №30.

14. Пат. № 2338341 Российская Федерация, C2, H05K 3/02, H05K 3/06. Способ изготовления полосковой платы на диэлектрической подложке / Крючатов В.И.; заявл. 28.12.2006; опубл. 10.11.2008, Бюл. №31.

15. Пат. № 2342812 Российская Федерация, C2, H05K 3/02, H05K 3/06. Способ изготовления плат гибридных интегральных схем Крючатова В.И. / Крючатов В.И.; заявл. 24.01.2007; опубл. 27.12.2008, Бюл. №36.

16. Пат. № 2339104 Российская Федерация, C1, H01C 17/24. Способ изготовления пленочных резисторов / Крючатов В.И.; заявл. 16.03.2007; опубл. 20.11.2008, Бюл. №32.

17. Пат. № 2332741 Российская Федерация, C1, H01C 17/075. Способ изготовления тонкопленочных резисторов / Крючатов В.И.; заявл. 16.04.2007; опубл. 27.08.2008, Бюл. №24.

18. Пат. № 2341048 Российская Федерация, C1, H05K 3/18. Способ изготовления микрополосковых СВЧ-интегральных схем / Крючатов В.И.; заявл. 28.06.2007; опубл. 10.12.2008, Бюл. №34.

19. Пат. № 2339103 Российская Федерация, C1, H01C 1/032. Резистор с повышенной мощностью рассеяния и способ его изготовления / Крючатов В.И.; заявл. 17.07.2007; опубл. 20.11.2008, Бюл. №32.

20. Пат. № 2403649 Российская Федерация., C1, H01L 21/66. Способ управления групповыми технологическими процессами изготовления резистивных компонентов интегральных схем / Крючатов В.И.; заявл. 17.08.2009; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31.

Статьи в периодических изданиях и сборниках трудов:

21. Крючатов В.И. Оптимизация технологии изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным контактным сопротивлением // Электронное приборостроение. Казань, 1997. Вып. 3. С. 40–44.

22. Крючатов В.И., Коннов Ю.П. Подгонка сопротивления пленочных резисторов с помощью лазера // Обмен производственно техническим опытом. М.: НИИ ЭИР, 1989.

23. Крючатов В.И. Подгонка тонкопленочных резисторов, защищенных фоторезистивным слоем // Обмен производственно техническим опытом. М.: НИИ ЭИР, 1990.

24. Крючатов В.И. Исследование термостабильности толстопленочных резисторов, подгоняемых лазерным способом // Электронное приборостроение. Казань, 1997. Вып. 2. С. 39–43.

25. Крючатов В.И. Исследование влияния лазерной подгонки на стабильность тонкопленочных резисторов с защитным фоторезистивным слоем // Электронное приборостроение. Казань, 1997. Вып. 2. С. 44–49.

26. Крючатов В.И. Исследование влияния структуры микрополосковых линий и технологии их изготовления на погонные потери // Электронное приборостроение. Казань, 1997. Вып. 4. С. 41–43.

27. Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Конструктивно-технологические вопросы проектирования тонкопленочных резистивных нагрузок ГИС СВЧ диапазона при воздействии импульсной СВЧ мощности // Электронное приборостроение. Казань, 2002. Вып. 5. С. 108–116.

28. Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Проектирование высокостабильных прецизионных резистивных элементов тонкопленочных ГИС с учетом контактных сопротивлений // Электронное приборостроение. Казань, 2002. Вып. 5. С. 93–107.

29. Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Разработка методики и программных модулей расчета прецизионных тонкопленочных резисторов с учетом контактных сопротивлений // Электронное приборостроение. Казань, 2004. Вып. 7. С. 40–58.

Материалы конференций:

30. Тюхтин М.Ф., Крючатов В.И. Исследование точности изготовления тонкопленочных элементов ГИС СВС на поликоре // Тез. докл. Всесоюзной конф. «Интегральная электроника СВЧ». Новосибирск, 1988.

31. Крючатов В.И. Состояние и перспективы развития технологии изготовления тонкопленочных и микрополосковых плат микросборок // Тез. докл. межреспубликанской конф. «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения». Казань, 1989. С. 50-51.

32. Крючатов В.И. Исследование влияния технологии контактов на величину сопротивления тонкопленочных резисторов // Тез. докл. межреспубликанской конф. «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения». Казань, 1989. С. 130-131.

33. Крючатов В.И., Яхин Ш.З., Мумжиева Т.П. Влияние технологии защитных покрытий на потери в микрополосковых линиях СВЧ модулей // Тез. докл. межреспубликанской конф. «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения». Казань, 1989. С. 119-120.

34. Крючатов В.И. Влияние технологии защитных покрытий на потери в микрополосковых линиях СВЧ модулей // Тез. докл. I Всесоюзной научно-технической конф. «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах». Ялта, 1990.

35. Невзоров В.Н., Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Автоматизированная система управления технологическими процессами для обеспечения качества датчиков, выполненных методом вакуумного напыления тонких пленок на установке «Магнетрон» // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции 2-6 сентября 2003 г. Пенза: ФГУП «НИИ физических измерений», 2003. С. 71–72.

36. Крючатов В.И. Исследование потерь энергии в многослойных микрополосковых линиях СВЧ ГИС для радиотехнических систем опознавания // Материалы Международной молодежной научной конференции 9-10 ноября 2007 г. XV Туполевские чтения, т. 4. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2007. С. 80-83.

37. Крючатов В.И. Методика косвенного экспериментального определения производственных погрешностей конструктивно-технологических параметров резистивных элементов гибридных интегральных схем // Материалы научно-практической конференции, посвященной 50-летию со дня образования Казанского научно-исследовательского института радиоэлектроники. «Пути развития государственного опознавания». Казань, 2008. С. 56-67.

Учебное пособие

38. Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Технология и конструирование высокостабильных прецизионных резистивных элементов тонкопленочных гибридных интегральных схем с учетом контактных сопротивлений: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2002. 55 с.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.