Метод проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Смирнов, Александр Михайлович

• Смирнов, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Александр Михайлович

Содержание

Введение

1 Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований в области разработки метода проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций

1.1 Общая характеристика проблемы

1.2 Анализ современных материалов, используемых в качестве оснований для создания быстродействующей цифровой аппаратуры

1.2.1 Материалы на основе политетрафторэтилена

1.2.2 Печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров

1.2.3 Технология НТСС

1.2.4 Технология производства КНТО

1.2.5 Процессы технологии производства КНТО

1.3 Анализ особенностей создания топологии верхних слоев многослойных керамических модулей

1.4 Анализ особенностей проектирования телекоммуникационных устройств, изготавливаемых с применением КНТО

1.4.1 Изменение геометрических размеров при обжиге

1.4.2 Минимальные топологические размеры

1.4.3 Расположение металлизированных отверстий

1.4.4 Интегрированные пассивные компоненты

1.4.5 Влияние диэлектрической проницаемости керамической основы на прохождение сигнала в линиях передачи

1.5 Обзор методов проектирования цифровой быстродействующей аппаратуры

1. б Анализ элементной базы, используемой в быстродействующих устройствах телекоммуникаций

1.7 Обзор линий передачи

1.8 Постановка задачи

2 Разработка модели микрополосковой линии передачи, учитывающей особенности технологии изготовления многослойных керамических модулей

2.1 Анализ методов расчета электрической емкости микрополосковой линии передачи

2.2 Анализ программного обеспечения, реализующего расчет методом конечных элементов

2.2.1 FlexPDE

2.2.2 PDEase2D

2.2.3 QuickField

2.2.4 Maxwell Spicelink

2.2.5 ELCUT

2.3 Обоснование выбора метода планирования эксперимента

2.4 Обоснование выбора метода Бокса-Ушсона

2.5 Создание плана эксперимента

2.6 Обоснование выбора факторов

2.6.1 Диэлектрическая проницаемость керамической основы

2.6.2 Толщина керамической основы

2.6.3 Толщина проводника сигнального слоя

2.6.4 Ширина проводника сигнального слоя с учетом подтравов

2.6.5 Диэлектрическая проницаемость и толщина компаунда на поверхности линии передачи

2.6.6 Толщина полимерного компаунда на поверхности линии передачи

2.7 Создание модели микрополосковой линии передачи

2.7.1 Определение адекватности линейной модели для расчетов волнового сопротивления

2.7.2 Разбиение области определения факторов на подобласти

2.7.3 Включение в модель эффектов взаимодействия факторов

2.7.4 Влияние подтравов проводников назначение волнового сопротивления линии передачи

2.7.5 Определение регрессионной модели расчета волнового сопротивления с учетом всех рассматриваемых факторов

2.7.6 Определение вида нелинейной модели для расчета значения волнового сопротивления

2.7.7 Уточнение нелинейной модели добавлением учета влияния подтравов проводников

2.7.8 Уточнение нелинейной модели учетом влияния кусочно-однородной среды

2.7.9 Проверка точности полученной модели

2.8 Практическая реализация полученной модели

2.9 Выводы

3 Анализ целостности сигнала в линиях передачи

3.1 Расчет помех отражения и анализ их влияния на сохранение целостности сигнала

3.2 Интеграция IBIS-моделей микросхем в расчет помех отражения методом характеристик

3.3 Применение предложенного алгоритма для расчета помех отражения линии передачи

3.4 Выводы

4 Разработка метода проектирования микрополосковых линий передачи на многослойных керамических подложках

4.1 Разработка метода

4.1.1 Определение типа линии передачи

4.1.2 Определение технологии производства изделия и применяемых материалов

4.1.3 Определение параметров линии передачи

4.1.4 Расчет волнового сопротивления линии передачи

4.1.5 Оценка соответствия расчетных данных требуемым

4.1.6 Анализ элементной базы

4.1.7 Подбор соответствующих конструкторских решений, удовлетворяющих заданным требованиям

4.1.8 Оценка помех отражения и их влияния на целостность сигнала

4.1.9 Создание виртуального прототипа изделия

4.2 Апробация метода проектирования

4.3 Рекомендации по проектированию многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций

4.3.1 Общие положения, вытекающие из особенностей многослойных керамических подложек

4.3.2 Расположение компонентов и топология

4.3.3 Создание полостей

4.3.4 Создание встроенных пассивных компонентов

4.3.5 Требования к конструкции, обусловленные технологическими процессами производства

4.4 Выводы

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций»

Введение

Развитие современных устройств телекоммуникации неуклонно движется по пути разработки и производства изделий с минимальными топологическими размерами.

Тенденции миниатюризации, повышения требований к надежности изделий, увеличения скоростей передачи данных приводят к необходимости использования современных конструкторско-технологических решений в производстве устройств телекоммуникаций. В соответствии с законами развития электроники, выдвинутыми Гордоном Муром, каждые 1,5 - 2 года число транзисторов на кристалле микросхем удваивается. Это приводит к увеличению скоростей передачи и обработки информации, новым возможностям телекоммуникационных устройств. Соответственно, изменяется конфигурация электрорадиоэлементов (ЭРЭ): увеличивается число выводов микросхем, уменьшается шаг между ними, уменьшаются размеры микросхем. Реалии сегодняшнего дня - микросхемы с шагом выводов 0,3 мм и менее, микросхемы в корпусах CSP (Chip Scale Package), BGA (Ball Grid Array), Flip Chip с выводами, расположенными под корпусами микросхем. Появляется необходимость в создании все большего числа межсоединений на одной печатной плате, сохраняя и даже уменьшая при этом ее размеры. Традиционные стеклотекстолитовые печатные платы, широко использующиеся в качестве основы телекоммуникационных изделий, производимых с применением технологии поверхностного монтажа, имеют весьма ограниченную область применения. Свойства базового материала позволяют использовать их только в изделиях, работающих на частотах до нескольких единиц ГГц. При более высоких частотах передачи данных резко возрастают потери в диэлектрике, и, как следствие, нарушается целостность передаваемого сигнала. Частоты, на которых осуществляется передача данных в современных телекоммуникационных устройствах, могут составлять несколько десятков гигагерц. Фронты передаваемых сигналов уменьшаются, предъявляются жесткие требования к повышению скоростей передачи данных и к согласованию линий передачи. Реалии сегодняшнего дня таковы, что требования рынка диктуют необходимость создания миниатюрных цифровых быстродействующих устройств телекоммуникации, обладающих высочайшей надежностью и имеющих уникальные эксплуатационные характеристики. Заданным требованиям в полной мере отвечают телекоммуникационные устройства, выполненные с применением керамики с низкой температурой обжига (КНТО). При разработке устройств телекоммуникаций, выполненных с применением КНТО, разработчикам необходимо, помимо прочего, учитывать особенности применяемых конструктивных материалов (керамики, металлизационных резистивных и то-копроводящих паст), параметры производственного процесса (разрешающая способность

процесса фотолитографии, возможности по созданию минимальных расстояний проводник/зазор) и т.д.

В этих условиях, перед разработчиками быстродействующих устройств телекоммуникации встает ряд новых задач. Стоимость единичных серий изделий, изготовленных на основе керамических модулей достаточно высока. Цена ошибки разработчиков и конструкторов возрастает. Появляется ряд задач в области обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). В частности, задачи обеспечения целостности сигнала, уменьшения перекрестных помех, согласования линий передачи. С целью сокращения затрат на доработку неработоспособных изделий возникает необходимость в использовании современных методов проектирования, которые учитывают особенности различных технологических процессов производства изделий, свойства применяемых материалов и их влияние на конечные свойства изделий. Существующие на сегодняшний день методы проектирования зачастую не учитывают всех необходимых параметров. В этой связи, возникает необходимость в разработке новых методов, позволяющих с высокой точностью рассчитать и сконструировать работоспособную цифровую быстродействующую телекоммуникационную аппаратуру, изготавливаемую с применением современных конструктивных материалов.

На сегодняшний день на рынке программного обеспечения представлено множество продуктов, направленных на решение специфических конструкторских задач при проектировании устройств телекоммуникаций. Это как, ставшие стандартными инструментами разработчиков программные пакеты от Mentor Graphics Technologies, Cadence и Zuken, так и многофункциональные узконаправленные программы производства компаний Polar Instruments, IMST и др. Применение данных продуктов целесообразно с точки зрения повышения точности инженерных расчетов, однако, не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Стоимость специализированного программного обеспечения высока и зачастую сравнима со стоимостью разработки изделия. В этой связи, для частных компаний, специализирующихся на создании конкурентоспособных телекоммуникационных изделий, производимых небольшими партиями, использование подобных дорогостоящих инструментов проектирования может оказаться нецелесообразным.

Тенденции развития современных телекоммуникационных устройств связаны с повышением быстродействия, увеличением частот передачи сигналов, снижением длительности фронтов передаваемых сигналов. В этой связи, одной из ключевых задач при проектировании устройств телекоммуникаций является решение вопросов, связанных с задержкой распространения сигналов, искажения формы сигналов, согласования линий передачи и отражения сигналов в линиях передачи, которые тесно связаны с проблемой сохранения целост-

ности сигналов. В этой связи, поскольку инструменты и методы, используемые при проектировании изделий на основе стеклотекстолитовых печатных плат, в условиях разработки устройств на основе многослойных керамических подложек неэффективны, возникает необходимость в создании методов и инструментов, которые помогут разработчикам устройств телекоммуникаций сократить время проектирования и повысить эффективность процесса.

Существенный вклад в решение проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций внесли советские и российские ученые: А.Д. Князев, Б.В. Петров, J1.H. Кечиев, С.Ф. Чермошенцев, Т.Р. Газизов, Б.Н. Файзулаев, В.Г. Журавский, П.В.Степанов, Ю.А. Чурин, а также зарубежные ученые Эрик Богатин (Е. Bogatin), Кейт Армстронг (Keith Armstrong), Абе Риази (Abe Riazi), Дуглас Брукс (Douglas Brooks), Ховард Джонсон (Howard W. Johnson), Тим Уильяме (Tim Williams) и другие.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 172 с.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы целостности сигнала и электромагнитной совместимости, анализ применяемых в промышленности материалов для производства основы быстродействующих устройств телекоммуникаций, описаны их преимущества и недостатки. Показано развитие устройств телекоммуникаций. Показаны преимущества и недостатки различных материалов оснований подложек изделий быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры. По результатам анализа материалов отмечена технология изготовления многослойных керамических модулей КНТО, как наиболее перспективная для создания основы современных устройств телекоммуникаций.

Проведен анализ технологии изготовления многослойных керамических модулей и влияние технологии на параметры линий передачи. Подробно рассмотрены технологии создания топологии верхних слоев керамических модулей, показана необходимость учета влияния подтравов проводников, образующихся при применении различных процессов литографии, на электрофизические параметры линий передачи.

Проведен анализ методов проектирования цифровой быстродействующей телекомму-никацонной аппаратуры, показана низкая эффективность существующих методов для использования в условиях применения многослойных керамических модулей, рассмотрены возможные нарушения целостности сигнала, их причины и задачи обеспечения целостности сигнала и электромагнитной совместимости.

Анализ технологий герметизации полупроводниковых приборов устройств телекоммуникационной аппаратуры показал, что на сегодняшний день перспективным направлением

является использование различных полимерных материалов для защиты устройств от внешних воздействий.

При нанесении на поверхность линии передачи полимерного компаунда образуется кусочно-однородная среда передачи сигналов, параметры которой влияют на значение волнового сопротивления линий передачи. Как показал проведенный анализ методик проектирования устройств телекоммуникаций, для учета кусочно-однородной среды во всех существующих моделях при расчетах волнового сопротивления возникает необходимость в определении эффективной диэлектрической проницаемости, что в большинстве случаев представляет собой сложную математическую задачу.

Проведен анализ современной элементной базы. Показано, что погрешность встроенных согласующих резисторов современных микросхем может приводить к возникновению помех отражения и нарушению целостности сигнала. Анализ методов проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций показал, что на сегодняшний день отсутствуют методы проектирования многослойных керамических модулей, учитывающие параметры встроенных согласующих резисторов микросхем нагрузки.

В первой главе также показаны перспективы создания миниатюрных телекоммуникационных устройств на основе многослойных керамических модулей. Технология производства многослойных керамических структур позволяет интегрировать пассивные компоненты в единое изделие, тем самым значительно уменьшая конечные размеры устройств телекоммуникаций. Платы, изготовленные по технологии КНТО несут функции подложек, на которые монтируются ЭРИ. При этом, существует возможность монтажа как бескорпусных ЭРЭ, так и ЭРЭ в стандартных корпусах. В то же время, методики проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций, учитывающие все конструкторско-технологические особенности многослойных керамических подложек, на сегодняшний день отсутствуют.

На основе проведенного анализа и исследований сформулированы цели и задачи диссертационной работы, показана ее актуальность и научная новизна.

Вторая глава посвящена разработке математической модели линии передачи повышенной точности, учитывающей влияние ранее не рассматриваемых факторов на значение волнового сопротивления линии передачи. Наряду с ранее рассматриваемыми факторами показано влияние на значение волнового сопротивления микроплосковой линии передачи под-травов печатных проводников, диэлектрической проницаемости и толщины полимерного компаунда, дано обоснование причин, по которым их необходимо учитывать.

Особое внимание уделено рассмотрению влияния подтравов проводников, которые возникают при создании верхнего токопроводящего слоя керамических модулей с использованием технологии Fodel®. Показано, как подтравы верхней и нижней сторон проводника, возникающие при использовании различных технологий травления, влияют на значение волнового сопротивления линии передачи и коэффициент отражения.

Приведен анализ методов расчета электрофизических параметров линий передачи и современных инструментов, применяемых разработчиками, указаны их достоинства и недостатки, дано обоснование выбора метода конечных элементов для расчета параметров разработанной математической модели. Был проведен анализ программных средств, реализующих численные вычисления электрофизических параметров линий передачи с применением метода конечных элементов. Среди прочих это: FlexPDE, PDEase2D, QuickField, Maxwell Spicelink, ELCUT. По результатам проведенного анализа был выбран программный комплекс ELCUT в качестве инструмента для проведения вычислительных экспериментов.

Дано обоснование использования метода планирования эксперимента для анализа влияния изменения различных факторов на значение волнового сопротивления линии передачи и получения математической модели линии передачи повышенной точности.

Спланированы и проведены с использованием программного комплекса ELCUT вычислительные эксперименты по определению электрической емкости микрополосоковых линий передачи и эффективной диэлектрической проницаемости подложек в различном конструктивном исполнении.

С применением методики проведения эксперимента Бокса-Уилсона получена математическая модель для расчета волнового сопротивления микрополосковых линий передачи устройств быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры, выполненных на основе КНТО.

На основании результатов проведенных сравнительных расчетов показано, что использование математической модели для расчета значения волнового сопротивления микрополосковых линий передачи на ранних этапах проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций позволяет повысить точность расчетов и, как следствие, сократить издержки, связанные с доработкой конструкции на последующих этапах проектирования.

В третьей главе рассмотрены вопросы сохранения целостности сигнала при его передаче в электрически длинных линиях в быстродействующих узлах телекоммуникационной аппаратуры. Рассмотрены различные схемы согласования линий передачи по волновому сопротивлению, методы расчета помех отражения. Проведен анализ особенностей реализации метода характеристик в программной среде Mathematica. Проанализированы структуры, опи-

сание и метод получения IBIS-моделей микросхем, рассмотрены вопросы внедрения IBIS-моделей в методику проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций. Предложен алгоритм расчета помех отражения, учитывающий конструкторско-технологические параметры линий передачи, погрешность внешних и встроенных согласующих резисторов, вольт-амперные характеристики микросхем нагрузки.

Расчет отражений в соответствии с предложенным алгоритмом показал, что в случае, если при проектировании не учитывать погрешность согласующих резисторов (встроенных и внешних), может произойти нарушение целостности сигнала при его передаче. Расхождение реального значения волнового сопротивления с нормируемым из-за выбора неправильного инструмента расчета с большой погрешностью, или неучтенной погрешности согласующих резисторов может привести к тому, что линия передачи перестанет быть согласованной, в нужный момент уровень сигнала не достигнет уровня логической «1» и микросхема не переключится. Применение предложенного алгоритма позволяет на ранних стадиях проектирования оценить помехи отражения и принять решение о допустимости применяемых проектных решений и соответствия результатов техническому заданию.

В четверной главе приводится разработка инженерного метода проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций на основе многослойных керамических модулей, учитывающая влияние технологии производства изделий на электрофизические параметры и сохранение целостности сигнала (рис.7).

Детально рассмотрена последовательность действий при использовании предложенного метода проектирования, даны рекомендации по конструированию и производству быстродействующих устройств телекоммуникаций на основе многослойных керамических модулей.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования на предприятии ЗАО «Инструментальные системы». Разработанные в процессе написания диссертационной работы методические указания внедрены в учебный процесс ФГБО-УВПО МИЭМ на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" по дисциплинам «Основы проектирования РЭС», «Технология поверхностного монтажа».

Апробация результатов работы. Результаты представлялись и докладывались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг., Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Саратов, 2008, Первой всероссий-

ской конференции «Силовая электроника», Москва, 2008, Десятой научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности Санкт-Петербург, 2008.

В 2008, 2011 годах результаты работы были признаны лучшими среди работ, представленных на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ и удостоены диплома I степени.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 6 тезисов докладов, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики.

1 Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований в области разработки метода проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций

Тенденции миниатюризации, повышения требований к надежности изделий, увеличения скоростей передачи данных приводят к необходимости использования современных конструкторско-технологических решений в производстве радиоэлектронных изделий. Традиционные стеклотекстолитовые печатные платы, широко использующиеся в качестве основы изделий, производимых с применением технологии поверхностного монтажа, имеют весьма ограниченную область применения. Они могут быть использованы только в изделиях, работающих на частотах до нескольких ГГц. При более высоких частотах передачи данных резко возрастают потери в диэлектрике, и, как следствие, нарушается целостность передаваемого сигнала. Частоты, на которых осуществляется передача данных в современных радиоэлектронных устройствах, могут составлять несколько десятков гигагерц. Реалии сегодняшнего дня таковы, что требования рынка диктуют необходимость создания миниатюрных высокочастотных радиоэлектронных устройств, обладающих высочайшей надежностью и имеющих уникальные эксплуатационные характеристики. Один из возможных вариантов решения подобной задачи - применение в качестве основы устройств многослойных керамических плат, изготовленных по технологии КНТО [1].

В первой главе будут рассмотрены вопросы анализа целостности сигнала, проведен анализ используемых материалов подложек цифровой быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры, проведен анализ методов разработки и производства изделий с использованием многослойных керамических подложек. Особое внимание будет уделено вопросам проектирования данных устройств, вопросам согласования линий передачи, выполненных на керамических подложках. Будет проведен анализ современной элементной базы. В конце главы сформулированы цель и актуальность диссертационной работы, решаемые задачи, научная новизна, а также положения, выносимые на защиту.

1.1 Общая характеристика проблемы

Развитие современных устройств телекоммуникации неуклонно движется по пути миниатюризации. Одна из основных тенденций развития заключается в воспроизведении свойств крупногабаритных электронных модулей на подложках с минимальными топологическими размерами. Необходимо не только сконструировать изделие, но и обеспечить его бесперебойное функционирование и сохранение эксплуатационных характеристик в течение

длительного времени. Появляются новые материалы с уникальными физическими характе-

-11 -

ристиками, повышается быстродействие цифровых систем. В этих условиях существовавшие ранее подходы к проектированию быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры становятся неактуальными. В то же время, информация о новых методиках проектирования практически отсутствует. На рынке представлено множество программных продуктов, направленных в помощь разработчикам радиоэлектронной аппаратуры. Однако, их применение связано со значительными финансовыми затратами и в большинстве случаев информация об используемых в программах методиках расчетов зашифрована и является коммерческой тайной производителей.

При проектировании цифровой быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры перед конструкторами и разработчиками встает задача обеспечить сохранение целостности сигнала. В частности, нивелировать перекрестные помехи и помехи, связанные с рассогласованием длинных линий передачи.

При распространении сигнала в линии передачи могут возникать потери энергии в пяти следующих направлениях:

- Потери на излучение. При распространении сигнала в электрически длинных линиях малы и практически не оказывают влияние на целостность передаваемого сигнала.

- Связь с соседними трассами. При проектировании современной цифровой быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры необходимо учитывать связи между соседними проводниками, поскольку их взаимодействие может влиять на ухудшение фронта сигнала. Взаимодействие между соседними проводниками в большинстве случаев необходимо моделировать на этапе конструирования аппаратуры с использованием специализированного программного обеспечения.

- Потери от рассогласования волновых сопротивлений. Рассогласование различных компонентов линий передачи по волновому сопротивлению оказывает существенное влияние на ухудшение фронта сигнала. На сегодняшний день существует обширная база знаний по методам согласования линий передачи. Как правило, согласование осуществляется путем добавления согласующего резистора, либо системы резисторов. Исследования различных способов согласования линий передачи приведены в [2]-[5]. С учетом современных тенденций миниатюризации добавление согласующих резисторов естественным образом увеличивает геометрические размеры изделий, что в ряде случаев является недопустимым. Кроме того, добавление внешних согласующих резисторов приводит к дополнительным энергозатратам. Многие современные интегральные микросхемы (ИМС), используемые в качестве нагрузки в линиях передачи современной цифровой быстродействующей аппаратуры содержат встроенные согласующие резисторы. На сегодняшний день отсутствуют методики про- 12-

ектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций, учитывающие влияние встроенных согласующих резисторов и их погрешностей на целостность сигнала. В этой связи, исследование вопросов влияния встроенных согласующих резисторов современных ИМС на волновое сопротивление линий передачи представляется перспективной научной задачей.

Потери от рассогласования волновых сопротивлений часто связаны с необходимостью учета различных конструкторско-технологических факторов на этапе разработки изделий. Так, на сегодняшний день отсутствует единая общепринятая система учета влияния под-травов печатных проводников на значение волнового сопротивления линий передачи. Постоянно появляются новые материалы, используемые в качестве основы быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры, новые технологии, используемые при производстве. В этой связи, исследование влияния подтравов печатных проводников на изменение значения волнового сопротивления представляется актуальной научной задачей в свете использования новых конструкторско-технологических решений при производстве изделий [6].

Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют стандарты, описывающие методики проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций на основе многослойных керамических модулей, изготовленных по технологии LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic - далее KHTO). Сами же методики проектирования зачастую либо являются интеллектуальной собственностью конкретных разработчиков, либо отсутствует вовсе. Еще одной актуальной научной задачей является создание подобных методик.

- Потери в материале проводников. Потери в проводниках относятся к потерям в прямом и возвратном проводниках линий передачи и вызваны их активным последовательным сопротивлением. [7]

- Потери в диэлектрических материалах. Данный вид потерь определяется свойствами материалов основания и характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь материала.

[V]

С учетом вышеприведенной информации можно сделать следующий вывод. Несмотря на то, что цифровые быстродействующие устройства используются в составе различного телекоммуникационного оборудования достаточно давно и накоплена обширная база знаний в области проектирования подобных устройств с учетом требования сохранения целостности сигнала, современные производственные технологии диктуют необходимость в создании новых, уточненных методов проектирования.

1.2 Анализ современных материалов, используемых в качестве оснований для создания быстродействующей цифровой аппаратуры

Помимо изделий, изготовленных по технологии КНТО, при производстве быстродействующих устройств телекоммуникаций хорошо себя зарекомендовали подложки на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). На сегодняшний день активно ведутся работы по разработке и внедрению изделий, изготовленных с использованием подложек из жидкокристаллических полимеров (ЖКП).

К подложкам на основе ПТФЭ относятся материалы, производимые под торговыми марками Rogers, Arlon, Taconic и др. Керамические подложки выполняются на основе оксида алюминия, нитрида алюминия, других материалов. Тенденции развития электроники привели к тому, что современные керамические подложки представляют собой многослойные структуры, выполненные с использованием низкотемпературного или высокотемпературного обжига.

Далее подробно рассмотрим преимущества и недостатки различных технологий и материалов, используемых для производства устройств современной быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры.

1.2.1 Материалы на основе политетрафторэтилена

Политетрафторэтилен (Тефлон, фторопласт-4) (-C2F4-)n — полимер тетрафторэтиле-на (ПТФЭ), пластмасса, обладающая уникальными физико-химическими свойствами и применяемая в разных областях науки, техники и в быту [8].

Политетрафторэтилен был открыт в апреле 1938 года 27-летним учёным-химиком Роем Планкеттом, который случайно обнаружил, что закачанный им в баллоны под давлением газообразный тетрафторэтилен спонтанно полимеризовался в белый парафиноподобный порошок. Патент на изобретение тефлона принадлежит компании DuPont, США.

Тефлон широко используется в высокочастотной технике, так как, в отличие от близких по свойствам, полиэтилена или полипропилена, имеет очень низкий коэффициент изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры, а также обладает крайне низкими диэлектрическими потерями. Эти свойства, наряду с теплостойкостью, обуславливают его широкое применение в военной и аэрокосмической технике [8].

Наиболее распространенные на сегодняшний день базовые материалы подложек радиоэлектронных устройств на основе ПТФЭ производятся под торговыми марками Rogers, Arlon, Taconic. В Таблице 1.1 приводятся сравнительные характеристики наиболее популярных материалов.

Таблица 1.1. Сравнительные характеристики материалов на основе ПТФЭ

Торговая марка Материал Толщина, мкм Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10 ГГц Теплопроводность, Вт/м*К Материал

Rogers R03003 760 3 0,0013 0,5 ПТФЭ + наполнитель (керамика)

R03006 635 6,15 0,0024 0,61

R03006 1270

R03010 635 10,2 0,0035 0,66

R03010 1270

Arlon AR 600 635 6 0,0035 0,43 ПТФЭ + стекловолокно + керамика

AR 1000 635 10 0,65

Taconic RF-60 635 6,15 0,0028 0,5 ПТФЭ + стекловолокно + керамика

Помимо ПТФЭ данные виды подложек, как видно из таблицы, содержат стекловолокно, которое добавляется для увеличения механической прочности и керамику, добавляемую для улучшения температурной стабильности [9]. Добавление керамики в диэлектрическую основу накладывает ограничения на конструктивные особенности изделий. Так, минимальная толщина некоторых керамических частиц может составлять 120 мкм. Это означает, что толщина диэлектрических слоев, изготовленных с применением подобных материалов не может быть менее 120 мкм. Кроме того, размеры керамических частиц определяют минимальное расстояние между отверстиями в плате, которое в некоторых случаях может достигать 250 мкм.

Технология производства печатных плат на основе ПТФЭ во многом схожа с технологией производства печатных плат на основе стеклотекстолита. Основное различие заключается в используемом диэлектрическом материале. Подробно особенности производственного процесса печатных плат на основе тефлона рассмотрены в статье [10]. Существует также возможность сочетать в рамках одной многослойной печатной платы слои, выполненные из ПТФЭ и стеклотекстолитовые слои. При этом, наиболее критичные к сохранению целостности сигнала слои могут быть выполнены из тефлона, в то время, как остальные - из стеклотекстолита Р114.

Главным преимуществом материалов на основе ПТФЭ по сравнению с другими материалами для производства быстродействующих устройств является малое значение диэлектрической проницаемости и низкий уровень потерь в диэлектрике. Это обуславливает популярность материалов на основе тефлона у разработчиков и производителей быстродействующей радиоэлектронной аппаратуры. Малое значение диэлектрической проницаемости позволяет использовать более широкие проводники для создания линий передачи с контро-

- 15-

лируемым волновым сопротивлением, чем в стеклотекстолитовых печатных платах. Данное обстоятельство является конкурентным преимуществом тефлоновых диэлектриков, поскольку, чем шире проводник, тем меньшие потери сигнала в нем происходят, и тем проще технология его изготовления. Для примера в Таблице 1.2 приведены данные о необходимой ширине печатных проводников для создания микрополосковой линии передачи с контролируемым волновым сопротивлением 50 Ом при различных толщинах материала основания и при различных значениях его диэлектрической проницаемости [11].

Таблица 1.2. Зависимость ширины печатных проводников от толщины и диэлектрической проницаемости материала основания в микрополосковых линиях передачи с волновым сопротив-

лением 50 Ом

Толщина материала основания, мм Диэлектрическая проницаемость материала основания Ширина проводника, мм

0,05 4,5 0,084

0,05 2,2 0,142

0,075 4,5 0,130

0,075 2,2 0,218

0,1 4,5 0,178

0,1 2,2 0,298

0,125 4,5 0,226

0,125 2,2 0,376

Несмотря на то, что материалы на основе ПТФЭ наиболее привлекательны для разработчиков быстродействующей электронной аппаратуры благодаря низкому значению диэлектрической проницаемости, существует важная особенность, которую необходимо учитывать. Компания Аг1оп, один из ведущих мировых производителей материалов для электроники на основе тефлона провела ряд исследований по определению влияния адсорбированной платами влаги на значение тангенса угла диэлектрических потерь [12]. Исследования показали, что коэффициент рассеяния печатных плат на основе ПТФЭ под воздействием влажности и температуры существенно изменяется (рис. 1.1). Подобные изменения могут сказаться на характеристиках современной быстродействующей аппаратуры при работе в различных условиях эксплуатации. Как показали проведенные исследования, количество отверстий на печатной плате непосредственным образом сказывается на накоплении платой влаги. Чем больше на плате отверстий, тем больше влаги она способна накопить. Кроме того, влага, адсорбированная печатной платой, может привести к образованию трещин, вздутий и отслоений материала основания.

OOC2V

■ Нормальные условия 1 час при +135°С Р 24 часа в водных парах, +20°С И 48 часов при отн.влажн. 99%, +50°С

«

К

К «

й> о

8 а н к 0> S И" К -©н

m о И

00013

0.0011

сдахг

Условное обозначение материала

Рис.1.1. Влияние различных воздействий на значение коэффициента рассеяния в материалах на

основе ПТФЭ [12]

Также к недостаткам материалов на основе ПТФЭ можно отнести неоднородность структуры материала, связанную с особенностями технологического процесса производства подложек. В статьях [11], [13] говорится о так называемом «эффекте переплетения» (Weave effect). Суть данного явления заключается в неравномерности заполнения стекловолокнами тефлоновой основы подложек (рис. 1.2). На частотах в несколько десятков гигагерц данный эффект может привести к нарушению целостности передаваемого сигнала и отразиться на функционировании изделия. В этой связи, с увеличением частоты передаваемых сигналов и с уменьшением толщин диэлектрических слоев необходимо уделять все большее внимание учету данного эффекта на этапе разработки изделия.

Рис. 1.2. «Эффект переплетения». Стекловолокно неравномерно распределено в толще ПТФЭ

[13]

Материалы на основе ПТФЭ широко используются в России и за рубежом для производства быстродействующих устройств телекоммуникаций. Область применения данных материалов достаточно широкая. В зависимости от типа наполнителя, материалы на основе тефлона применяются в производстве как аналоговых, так и цифровых приложений. При этом, для различных применений необходимо использовать различные материалы. Различия между материалами для аналоговых и цифровых приложений заключаются в следующем [7]:

- материалы для аналоговых приложений обычно имеют меньшее значение относительной диэлектрической проницаемости, что обеспечивает большую стабильность на высоких частотах и при изменении температуры;

- материалы для аналоговых приложений имеют меньший допуск на толщину диэлектрического основания;

- фольга материалов для аналоговых приложений может быть как электролитической, так и катанной; для цифровых приложений применяется только электролитическая фольга;

- только отдельные материалы для аналоговых приложений могут применяться в многослойных печатных платах; материалы для цифровых приложений все пригодны для таких применений;

- тангенс угла диэлектрических потерь материалов для аналоговых приложений на порядок лучше, чем для цифровых приложений.

Широкая номенклатура материалов ПТФЭ и уникальные свойства тефлона обуславливают возможность их применения в различных отраслях промышленности, начиная от бытовой электроники, заканчивая высокочастотными устройствами аэрокосмического назначения. Данные о возможности применения материалов ПТФЭ для изделий, эксплуатирующихся в космосе приведены в источнике [14].

1.2.2 Печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров

На сегодняшний день небольшой процент высокочастотных радиоэлектронных изделий изготавливается с использованием материалов на основе жидкокристаллических полимеров (ЖКП). Жидкокристаллические полимеры используются в качестве основы подложек изделий, функционирующих на высоких и сверхвысоких частотах. Они обладают уникальными свойствами для различных применений, однако, широко в промышленности не распространены в силу сложности процесса производства и необходимости прецизионного контроля каждой стадии процесса. Это существенно удорожает стоимость изделий, изготовленных с использованием ЖКП и делает их применение экономически нецелесообразным. Уникальность свойств ЖКП заключается в следующем: • отсутствие галогенов;

• гибкость и эластичность (рис 1.3);

• стабильность диэлектрических характеристик на различных частотах;

• возможность использования на частотах свыше 100 ГГц;

• крайне малое газовыделение;

• крайне низкое влагопоглощение;

• возможность эксплуатации при высоких температурах;

• возможность использования в герметичных корпусах;

• отличная химическая стойкость, пожаростойкость.

Рис.1.3. Внешний вид изделия, выполненного на основе ЖКП (11]

1.2.3 Технология НТСС

НТСС (High Temperature Cofired Ceramics) - высокотемпературная, спекаемая за одну технологическую стадию керамика. Использование данной технологии широко применяется в радиоэлектронной промышленности (рис. 1.4). Главным образом, для создания корпусов микроэлектронных изделий. Для создания устройств быстродействующей цифровой телекоммуникационной аппаратуры данная технология применяется в значительно меньшей степени, чем все остальные, описываемые в первой главе.

Рис. 1.4. Образцы изделий, изготовленных с применением технологии НТСС

К преимуществам технологии НТСС можно отнести: высокую теплопроводность материала основания, высокую механическую прочность, стабильность электрических свойств. В Таблице 1.3 приведены типичные свойства диэлектрического основания подложек, изготовленных с применением технологии НТСС.

Таблица 1.3. Диэлектрические свойства керамической основы НТСС-подложек

Параметр Значение

Диэлектрическая проницаемость на частоте 10 ГГц 9,2

Диэлектрическая проницаемость на частоте 30 ГГц 9,2

Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10 ГГц 0,003

Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 30 ГГц 0,004

Диэлектрическая прочность 11,6 кВ/мм; 295 В/мил

Для изготовления НТСС-подложек используется керамическая основа. Чаще всего это алюмооксидная керамика с содержанием AI2O3 92%. Это обуславливает высокую механическую прочность НТСС-изделий. Модуль Юнга 92-х процентной керамики составляет 275 ГПа, что более чем в 20 раз больше, чем у материалов на основе ПТФЭ. Теплопроводность керамической основы изделий НТСС составляет около 20 Вт/м*К [15]. Вместо оксида алюминия в производстве НТСС-керамики часто используется нитрид алюминия A1N. Данный

материал обладает значительно большей теплопроводностью (100-170 Вт/м°С) по сравнению с оксидом алюминия (20-30 Вт/м°С) [16].

Температура спекания слоев оксида алюминия в технологии НТСС составляет около 1600°С. Для создания токопроводящего рисунка используются высокотемпературные пасты на основе вольфрама и молибдена. Подобные пасты обладают худшей электропроводностью по сравнению с золотом и серебром. Так, удельное сопротивление проводника из молибдена - 5,2, а из вольфрама - 5,5 мкОм*см против 1,6 и 1,7 мкОм*см для проводников из серебра и меди соответственно [17]. Это приводит к увеличению времени задержки сигналов и потерь электрической мощности. В этой связи, изделия, изготовленные по технологии НТСС, реже используются в процессе производства цифровой быстродействующей аппаратуры, чем материалы на основе ПТФЭ и низкотемпературной керамики. В то же время, существуют экспериментальные данные, указывающие на возможность применения изделий, изготовленных по технологии НТСС на частотах до 24 ГГц, а при соблюдении определенных конструкторских требований - на частотах до 30 ГГц [15]. На рис.1.5. приведена модель диэлектрических потерь в керамике НТСС.

Щ- -V -0-2

10.0

15.0 20.0

Частота, ГГц

25.0

30.0

Рис.1.5. Затухание сигнала в керамике НТСС на различных частотах [15]

Одним из основных преимуществ изделий, изготовленных по технологии НТСС является возможность использования в составе герметичных конструкций. Для большинства изделий, имеющих военную приемку, герметичность является обязательным условием. Кроме того, технология НТСС позволяет создавать встроенные в керамические подложки пассивные элементы (конденсаторы, резисторы, индуктивности). 1.2.4 Технология производства КНТО

Во всем мире процент быстродействующих телекоммуникационных устройств, изготавливаемых с применением КНТО, с каждым годом увеличивается. Причиной является масса преимуществ изделий, произведенных с применением данной технологии по сравнению с традиционными печатными платами, изделиями, изготовленными по технологии НТСС и на основе ПТФЭ.

КНТО - низкотемпературная, спекаемая за одну технологическую операцию керамика. Данная технология хорошо зарекомендовала себя в производстве микроэлектронных изделий. Технология производства КНТО имеет сходство с толстопленочной технологией, применяемой в производстве многослойных керамических конденсаторов. Основная область применения изделий, изготовленных с использованием КНТО - беспроводная связь, высокочастотные телекоммуникационные изделия [8].

Основными отличительными особенностями КНТО по сравнению с другими многослойными структурами являются [18]:

• возможность создания многослойных структур с количеством слоев до 70 [19];

• возможность воспроизведения расстояния проводник/зазор 60 мкм. При использовании технологии струйного нанесения токопроводящих паст возможно уменьшение расстояния проводник/зазор до 30 мкм. На сегодняшний день активно разрабатыва-

ются технологии, позволяющие получить расстояние проводник/зазор 20 мкм [20] и менее (рис.1.6).

Рис. 1.6. Пример реализации разработанной специалистами компании КОА (Япония) технологии создания токопроводящего рисунка по технологии КНТО

• возможность создания внутренних пассивных компонентов (рис. 1.7). что позволяет минимизировать размеры подложек более чем на 50% по сравнению с печатными платами;

• минимальные потери сигнала на частотах до 60 ГГц;

• возможность создания емкостей (выборок) для монтажа кристаллов (рис. 1.8). При монтаже кристаллов в углубления происходит сокращение длины сварного соединения кристалла с подложкой. Это позволяет минимизировать влияние паразитных ин-дуктивностсй на целостность передаваемого сигнала, что особенно актуально при разработке и производстве быстродействующих телекоммуникационных изделий.

• Возможность обеспечения эффективного отвода тепла от кристалла путем создания матрицы металлизированных каналов. Задача обеспечения отвода тепла особенно актуальна при конструировании телекоммуникационных устройств, работающих на сверхвысоких частотах. Данная задача может быть решена в многослойных керамических подложках путем создания матрицы теплоотводящих каналов, заполненных то-копроводящей пастой (рис. 1.8.). Подобные каналы располагаются под кристаллом,

контактируют с его нижней поверхностью, обеспечивая тем самым, эффективный те-плоотвод [21].

Рис. 1.8. Микрошлиф, показывающий возможность реализации различных конструкторских решений в

рамках одной керамической подложки

• Линейный коэффициент теплового расширения (JIKTP), близкий к Si и GaAs;

• высокая надежность изделий при термоциклировании. Рабочие температуры до 350°С;

• более экономичное производство по сравнению с традиционной толстопленочной технологией;

• хорошая теплопроводность по сравнению с печатными платами;

• сокращение производственных циклов по сравнению с обычными толстопленочными технологиями.

На сегодняшний день многослойные керамические подложки находят применение во многих областях, включая:

- быстродействующие устройства, применяемые в телекоммуникационном оборудовании гражданского и военного назначения;

- изделия автомобильной электроники, эксплуатирующиеся в подкапотном пространстве при высоких температурах;

- медицинская техника;

Несмотря на то, что на сегодняшний день помимо технологии производства КНТО существуют также другие технологии, позволяющие создавать изделия с высокой плотностью межсоединений, в совокупности применение КНТО является наиболее перспективным при создании быстродействующих устройств телекоммуникаций. Использование изделий, изготовленных с применением КНТО в качестве замены стандартных стеклотекстолитовых печатных плат представляет большой интерес, в частности, по причине уменьшения размеров изделий. Специалисты компании TDK приводят пример сокращения массогабаритных показателей изделий, обусловленного использованием применением КНТО (рис. 1.9.)

-23-

Устройство, изготовленное на стеклотекстолите

Устройство, изготовленное с применением КНТО

10,0x8,0x1,4 мм

8,0x6,2x1,4 мм

Установленный компонент

Кол-во

Установленный компонент

Кол-во

Кристалл Т11Х 1С (3,0x3,0)

1

Кристалл ТИХ 1С (3,0x3,0)

1

ПАВ-фильтр (2,0x1,4)

ПАВ-фильтр (2,0x1,4)

Чип-компоненты 0201

23

Чнп-компоненты 0201

Рис. 1.9. Сокращение размеров изделий путем создания аналогов на основе КИТО |22| В Таблице 1.4 приводится сравнение возможностей КИТО с другими существующими типами подложек многослойных структур.

Таблица 1.4. Сравнение КНТО с подложками, изготовленными по технологии НТСС и с традиционным!! стсклотекстолитовыми печатными платами____

Сравните.!ьный показатель КНТО НТСС

Возможность использования для передачи высокочастотных сигналов + - -

Стабильность при высоких температурах, повышенной влажности + +

Механическая прочность + + +/-

Пригодность для монтажа кристаллов непосредственно на подложку + +/- +/-

Возможность создания углублений в слоях + + -

Возможность создания встроенных пассивных компонентов + - -

Далее приведем более детальное сравнение многослойных керамических подложек с другими существующими многослойными структурами, применяемыми для создания быстродействующих устройств телекоммуникационной аппаратуры.

1.2,5 Процессы технологии производства КНТО

Технология производства любого изделия подразумевает обязательное выполнение определенной последовательности операций с осуществлением межоперационного контроля. На рис. 1.10 показана последовательность выполнения технологических операций при сборке многослойных структур КНТО.

1 .Производство и резка "зелёных листов" 4. Укладка в стопу

5. Ламинирование

2.Формирование сквозных отверстий

З.Заливка сквозных отверстий Трафаретная печать

■ ■

■ ^ПГТ

6. Обжиг (850°С)

XX

Рис. 1.10. Типовая последовательность технологических операций, выполняемых при производстве многослойных структур КНТО

Процесс производства КНТО условно можно разделить на две составляющие стадии:

1) Производство керамической ленты («зеленых листов»).

2) Изготовление многослойных структур с их использованием.

Последовательность операции при производстве «зеленых листов» показана на рис.

1.11.

Связующее вещество

Перемешивание

Стекло

Растворитель

Рис. 1.11. Процесс производства «зеленых листов» «Зеленый лист» - керамическая лента, являющаяся основой последующего производства многослойных структур. В этой связи к ее характеристикам предъявляются особо строгие требования. На сегодняшний день в мире существует несколько производителей, занимающихся изготовлением керамической основы для производства КНТО. Обзор продукции ведущих мировых производителей с указанием технических характеристик приведен в Таблице 1.5 [23].

Таблица 1.5.0бзор рынка керамики для производства КНТО

Материал Химический состав,% Толщина после обжига, мкм Характеристики

Электрические Тепловые Механические

Sr -3 tgS * 10 Теплопроводность, Вт/(м*К) Модуль Юнга, ГПа Прочность на изгиб, МПа

DuPont

GreenTape 943 76A19Ca7,5Ti 107; 217 7,5 на 10 ГГц 1,0 на 10 ГГц 4,4 149 230

GreenTape 951 42A147Si7Ca 36; 96; 130; 216 7,8 на 10 ГГц 1,5 на 10 ГГц 3,0 152 320

Heraeus

Heratape CT2000 52A128Si8,5Ca6Ti 20,3; 40,6; 78,7; 104,1; 203,2 9,1 на 2,5 ГГц 2,0 на 2,5 ГГц 3,0 - 310

Heratape HL2000 - 92 7,3 на 2,5 ГГц 2,6 на 2,5 ГГц 3,0 - 200

Ferro

A6-M 48Si47Ca 93;185 5,9 на 10 ГГц 2,0 на 10 ГГц 2,0 92 170

A6-S - 98; 191 6,0 на 10 ГГц 2,5 на 10 ГГц 2,0 82 160

CeramTec

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Смирнов, Александр Михайлович

4.4 Выводы

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Выведены новая формула расчета одного из основных электрических параметров линий передачи, адекватность которой подтверждена экспериментом на реальном примере устройства телекоммуникационной аппаратуры. На программу, позволяющую осуществить расчет значения волнового сопротивления линии передачи с использованием предложенной математической модели получено свидетельство о государственной регистрации [125].

2. Эти формулы могут быть использованы для проведения расчетов при экспертизе многослойных керамических подложек, а, следовательно, могут быть использованы в работе производственных предприятий и исследовательских институтов;

3. Разработан метод проектирования многослойных керамических плат быстродействующих устройств телекоммуникаций с нормированным волновым сопротивлением, который позволяет сократить время и повысить точность расчета электрофизических параметров проводников, а также избежать необходимость дорогостоящего внесения изменений в изделие на поздних этапах проектирования, а, следовательно, сократить себестоимость и время выхода продукции на рынок. Предложена методика проектирования микрополосковых линий передачи верхних слоев подложек, изготовленных на основе КНТО.

4. Разработаны рекомендации по проектированию многослойных керамических подложек, целью которых является помощь разработчику на протяжении всех этапов проектирования быстродействующих устройств телекоммуникации, начиная с анализа технического задания до запуска в производство.

Заключение

В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные научные результаты:

1. Проведен анализ существующих технологических операций производства быстродействующих телекоммуникационных устройств, перспектив развития технологий, общемировых тенденций в производстве устройств телекоммуникаций. Проведенный анализ показал, что на сегодняшний день применение в быстродействующих устройствах телекоммуникаций многослойных керамических подложек, изготовленных по технологии КНТО в качестве альтернативы стеклотекстолитовым печатным платам позволяет минимизировать размеры изделий и способствует сохранению целостности передаваемого сигнала на частотах в десятки гигагерц.

2. Проведен анализ особенностей проектирования телекоммуникационных устройств на основе керамики с низкой температурой обжига. Показано, что учет технологии производства многослойных керамических модулей, применяемых типов оборудования и материалов на этапе разработки изделий является необходимостью.

3. Разработана математическая модель для определения значения волнового сопротивления микрополосковых линий передачи с учетом дополнительных конструк-торско-технологических факторов, а именно, подтравов проводников, влияния кусочно-однородной среды. Данная модель учитывает особенности производства модулей по технологии КНТО и оперирует большим числом конструкторско-технологических факторов, чем предыдущие модели, что позволяет повысить точность расчетов при проектировании быстродействующих устройств телекоммуникаций.

4. Проведен анализ влияния погрешности встроенных и внешних согласующих резисторов микросхем нагрузки на целостность сигнала при передаче в устройствах быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры. Анализ показал, что для создания линий передачи с контролируемым волновым сопротивлением возможным представляется использование для согласования линий передачи как внешних методик согласования, так и применение микросхем со встроенными согласующими резисторами. При этом, вне зависимости от способа согласования, в связи с погрешностями в значениях сопротивлений резисторов и технологическими допусками на производство керамических подложек, возникают помехи отражения, величину ко- 163 торых целесообразно учитывать на этапе разработки изделий. Рассчитав с помощью полученной математической модели волновое сопротивление, можно оценить помехи отражения и их возможное влияние на функционирование устройства.

5. Разработан метод проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций. Данный метод позволяет повысить эффективность процесса проектирования, благодаря решению проблем сохранения целостности сигнала на ранних стадиях проектирования и отсутствию необходимости дорогостоящих доработок изделия в самом конце процесса проектирования.

6. Разработаны рекомендации по конструированию многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникации. Рекомендации учитывают особенности технологических процессов как производства керамических подложек, так и их последующей сборки. Данные рекомендации направлены на помощь разработчикам отследить возможные проблемы целостности сигнала и технологические проблемы на ранних этапах проектирования и предотвратить их.

7. Проведена апробация и внедрение разработанной методики в практику промышленного проектирования и в учебный процесс ВУЗа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Александр Михайлович, 2012 год

Литература

1. Смирнов A.M. Обеспечение целостности сигнала в высокоскоростных цифровых устройствах на основе керамических модулей. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. - М.: Изд-во МИЭМ, 2011. - С. 213-214.

2. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.

3. Акулин А. Согласование линий передачи данных на печатной плате. - Технологии в электронной промышленности. - №2, 2007. - с. 26-28

4. Johnson, Graham М. — High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, 1993.

5. Песков C.H. Основы теории линий передачи на высоких частотах. Часть 1: Режимы работы длинной линии без потерь. «Телеспутник», 2009г., №5, с.74-78.

6. Смирнов A.M. Микрополосковая линия передачи в кусочно-однородной среде с учетом подтравов печатных проводников. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. - М.: Изд-во МИЭМ, 2009.-С. 124-125.

7. Кечиев JI. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

8. По материалам www.wikipedia.org

9. Косолапов А. Материалы фирм Taconic и Neltec для СВЧ-устройств. - Компоненты и технологии - 2005 - №7. - с. 230-232.

10. Coonrod J. High Frequency Circuit Materials Attributes. - Rogers Corporation.

11. Coonrod J., Aguayo A. Thin Printed Circuit Board Laminates in High-frequency Applications - CrcuitTree - 2009 - №8. - c. 22 - 24.

12. Russell R. Hornung, John C. Frankosky, Alain Desire. Advanced microwave material developments for electronically steerable phased array radars. - доклад на конференции RadarCon2008. - 26-30 мая 2008 г. - 6 стр.

13. Altera Corporation. РСВ Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on HighSpeed Channel Routing. - Application Note 528 - 2008 - May - 21 стр.

14. По материалам www.rogerscorp.com

15. Sturdivant R. Millimeter-wave performance of Alumina High-Temperature Codired Ceramics 1С Packages. - конференция IMAPS 2006, Сан-Диего, штат Колорадо.

16. Бражник В.А., Хохлов М.В., Чернышов А.А. Проблемы выбора монтажных подложек для многокристальных модулей. - Электронная промышленность. - 2006 - № 2. - С. 10-17.

17. Чернышов А.А. и др. Состояние и перспективы развития производства керамики для подложек и корпусов ИС. - Зарубежная электронная техника, 1990, вып. 9 (352)-41с.

18. Albertsen A. LTCC Technology for Sensor and RF-Applications. - Bodo's Power Systems. - 2007. - №12 - C. 38-39.

19. Muller J., Perrone R., Rentsch S., Haas Т., Schwanke D. Technology and Material Challenges for Future LTCC Microwave Modules. - конференция IVF «Materials, processing and applications». - 17 ноября 2005 г. - Швеция

20. 57 конференция ЕСТС, Reno, NV, USA. (29.05.07 - 01.06.07)

21. Смирнов A.M. Новые возможности контрактного производства по технологии LTCC. - Степень интеграции. - 2009. - №1. - С. 32-35.

22. Обзорная презентация компании TDK, посвященная технологии LTCC http://www.tdk. com/ltcc .php

23. Симин А., Холодняк Д., Вендик И,- Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. - Компоненты и технологии. - 2005. - №5. - С. 190-196.

24. Scrantom С. Q., Jawson J. С. LTCC technology: where we are and where we are going -II Proc. Of IEEE MTT-S International Symposium for Wireless Applications. 1999.

25. Cahn R. W., Haasen P., Kramer E.J. Materials Science and technology. A comprehensive threatment, New York: VCH Publishers Inc. 1996. Vol 17A, Processing of ceramics.

26. Marcantonio U. Di. - Status on LTCC use for substrates and packages. - Конференция «ESA-ESTEC». - 2005.

27. П.А.Таральчук, Я.А.Колмаков, A.B. Симин, Д.В.Холодняк. Многослойные интегральные схемы миниатюрных СВЧ-устройств для систем телекоммуникации и связи. - Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып.1. - с. 65-70

28. L.J.Golonka, H.Trust. Applications of LTCC ceramics in microwave. - 9 международная конференция MIXDES 2002, Польша, Варшава.

29. A.J.Piloto. Integrated passive components: a brief overviewof LTCC surface mount and integral options. - доклад на международной конференции IMAPS, США, 2009.

30. A.E.Fathy. Low temperature co-fired ceramics (LTCC) technology for RF multilayer circuit applications - technology and modeling. - ECE DEPARTMENT, UNIVERSITY OF TENNESSEE, KNOXVILLE, TN 37996, USA.

31. И.Гавела-Перес. Дискретные фильтры для Bluetooth. - Электроника инфо, Минск №3,2006. - с.23-25.

32. J.Muller, R.Perrone, S.Rentsch. Technology and material challenges for future LTCC microwave modules. - презентация компании MSE- Германия, 2009.

33. Смирнов A.M. Обеспечение целостности сигнала в высокоскоростных цифровых устройствах на основе керамических модулей. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. - М.: Изд-во МИЭМ, 2010. - С. 167-168.

34. http://global.kyocera.com

35. IPC-A-600G «Критерии качества печатных плат» (Acceptability of Printed Boards).

36. Ватанабе Риочи. Замечательная идея от фирмы Samsung. Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в электронной промышленности, 2005, № 5.

37. Волновое сопротивление и многослойность печатных плат. Часть 4. А. Вимерс -Германия: ILFA Gmbg.

38. Медведев A.M. Печатные платы. Конструкции и материалы - М.: Техносфера, 2005.

39. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат - М: Форум/Инфра-М, 2005.

40. Rudy Sedlak. Etching Outerlayer Printed Circuit Boards - RD Chemical Company, 1996

41. IPC-2221 «Общий стандарт по конструированию печатных плат» Generic Standard on Printed Board Design. - 124 c.

42. Технологии в производстве электроники. Часть II. Справочник по производству печатных плат / Под редакцией П. Семенова - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 568 с.

43. Terry R. Suess, Michael A. Skurski. Fodel, Photoprintable Thick Film; Materials and Processing. - DuPont company

44. Смирнов A.M. Особенности конструирования многослойных керамических изделий, изготавливаемых по технологии LTCC. - Технологии ЭМС. - 2009, №3. с.69-80.

45. Руководство по разработке продуктов на основе многослойных керамических плат выполненных по LTCC технологии. АТС - МЭЙ.

46. Потапов Ю. - Особенности технологии проектирования и производства LTCC модулей. - Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. - 2008. - №1. - с. 39-44.

47. IPC-2221 «Общий стандарт по конструированию печатных плат» Generic Standard on Printed Board Design. - 124 c.

48. IPC-2226 «Стандарт по конструированию печатных плат с высокой плотностью трассировки» Sectional Design Standard for High Density Interconnect (HDI) Printed Boards. - 60 c.

49. IPC-2251 «Руководство по конструированию высокоскоростных электронных сборок» Design Guiude for the Packaging of High Speed electronic Circuits. - 100 c.

50. IPC-2141 «Руководство по конструированию высокоскоростных печатных плат с контролируемым волновым сопротивлением» Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards. - 64 c.

51. Смирнов A. M. Анализ влияния подтравов печатных проводников на волновое сопротивление линии передачи в печатных платах. Сборник научных трудов «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств». - М.: МИ-ЭМ, 2008.-С. 85-91.

52. Алешин А. В., Кечиев JI. Н., Смирнов А. М. Волновое сопротивление микрополос-ковых линий передачи в печатном монтаже. - Технологии ЭМС. - 2008. - №2. - С. 24 - 26.

53. IPC-2225

54. W.Koenig. CMOS Termination resistor circuit. - US Patent №5,559,448. - сентябрь 1996, США

55. Смирнов A.M. Математическая модель микрополосковой линии передачи в кусочно-однородной среде с учетом подтравов печатных проводников. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. - М.: Изд-во МИЭМ, 2009. - С. 67-69.

56. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. - Л.: «Энергия», 1969. - 240 с.

57. http://www. 1024.ru/science/flexpde/all.html

58. http://www.pdesolutions.com/pricing6.html

59. http://www.exponenta.ru/soft/others/pdease/pdease.asp

60. PDease 2.4. Altidis P.C. Design News, 49 (1994), 13 (июль 11), 146

61. Istvan Nagy. Accurate impedance control. - Printed circuit design & FAB. - November 2009.-p. 20-24

62. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.2. ПК "ТОР", Санкт-Петербург, 2005.

63. Фёдоров В. В. Теория оптимального эксперимента, М., 1971. - 250 с.

64. Ивановский государственный энергетический университет. Кафедра электромеханики. Конспект лекций по предмету «Методы планирования эксперимента». Составил профессор кафедры ЭМ Ю.Б. Казаков

65. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1971. - 283 с.

66. Jantunen Н., kangasvieri Т., Vahakangas J., Leppavuori S. - Design aspects of microwave components with LTCC technique. - Journal of the European Ceramic Society. -2004. - №23. - c. 2541 - 2548.

67. Sutono, A., Heo, D.,Emery Chen, Y.J.and Laskar, J., High-Q LTCC-based passive library fo rwireless system-on-package (SOP) module development. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 2001, 49, 1715-1724.

68. Terry R. Suess, Michael A. Skurski. Fodel, Photoprintable Thick Film; Materials and Processing. - DuPont company

69. J.Muller, R.Perrone, S.Rentsch. Technology and material challenges for future LTCC microwave modules - Micro System Engineering, Germany

70. Y.L.Wang, P.J.Ollivier, M.A.Skurski. Photoformed Thick Film Materials and Their Application to Fine Feature Circuitry - E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc.

71. Terry R. Suess, Michael A. Skurski. Fodel, Photoprintable Thick Film; Materials and Processing. - DuPont company

72. R.J. Bacher, Y.L. Wang, M.A. Skurski, J.C. Crumpton, K.M.Nair. Next Generation Ceramic Multilayer Systems - Dupont iTechnologies.

73. Г. Егоров, С. Капкин, JI. Стельмахович, В. Трофименков, В. Хрипко. Многослойные керамические микросхемы. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика. - Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - №3/2006 - с. 60 - 65.

74. B.C.Wadell. Transmission line design handbook. - Artech House - USA, 1991.

75. S.Monroe, O.Buhler. - The effect of etch factor on printed wiring characteristic impedance. - по материалам 11-го регионального симпозиума по электромагнитной совместимости. - США, Колорадо. 3 октября 2001 г

76. J.F.Trabert, R.Perrone, R.Munnich, R.Stephan, M.A.Hein, H.Trust. 20 GHZ LTTC applications for satellite communications - challenges for design and technology - материалы конференции - 7-9 июня 2004 года. - Спб, Россия. - с. 45-47

77. Y.C.Lee, K.C.Eun, C.S.Park. A new low-loss microstrip structure on LTCC substrate. -IEICE Trans. Electron ., Vol E86-C. - №5, 2003,- c. 867-869

78. Y.C.Lee, C.S.Park. Loss miniaturization of LTCC microstrip structure with air-cavities embedment in the dielectric. - International journal of electronics and communications.-№6,2003,- c. 429-432

79. A.Albrecht, J.Botiov, M.Fischer. Alternative Ansätze zur Herstellung hochstromtragfahi-ger Leiter in LTCC. - International Microelectronics and Packaging Society.-Deutsche IMAPS Konferenz 13./14. Oktober 2003, München

80. Photoimageable Silver Cofirable Conductor Compatible with 951 Green Tape. - M. Skurski et.al. - Int. Journ. of Microcircuits and Electronic Packaging, Vol. 21, no 4, 1998

81. Etching and exfoliation techniques for the fabrication of 3-D meso-scale structures in LTCC-Tapes. - J. Park, P. Espinoza-Vallejos, L. Sola-Laguna, J. Santiago-Aviles

82. А.Акулин. Согласование линий передачи данных на печатной плате. - Технологии в электронной промышленности №2,2007. - с. 26-28.

83. Использование внешних параллельных и последовательных согласующих резисторов для микросхем серий Stratix и Stratix GX - Технические рекомендации компании Altera, - 2003.

84. Песков С.Н. Основы теории линий передачи на высоких частотах. Часть 1 : Режимы работы длинной линии без потерь. «Телеспутник», 2009г., №5, с.74-78.

85. И.Каршенбойм. Рекомендации по дизайну печатных плат и отладке устройств с физическим уровнем Ethernet. - Компоненты и технологии №7, 2007 - с. 142-146

86. Соловьев A.B. Методика выбора волнового сопротивления линий передачи современной сверхбыстродействующей электроники. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. науч. трудов / Под ред. JI.H. Кечиева. -М.: Изд-во МИЭМ, 2008. - С. 79-84.

87. Кечиев Л.Н., Гердлер О.С., Шевчук A.A. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. науч. Трудов / Под ред. JI.H. Кечиева. - М.: Изд-во МИЭМ, 2002.-С. 17-32.

88. Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. - М.: Издательский дом "Технологии", 2004. - 540 с.

89. Соловьев A.B. Методика выбора волнового сопротивления линий передачи современной сверхбыстродействующей электроники. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. - М.: Изд-во МИЭМ, 2008. - С. 313-314.

90. Князев А.Д., Кечиев JI.H., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. -М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.

91. Соловьев A.B. Новые методы повышения точности расчетов при проектировании электронных модулей с нормированным волновым сопротивлением. Технологии ЭМС. - 2008. - №4. - С.63-70.

92. Соловьев A.B. Метод проектирования печатных плат с нормированным волновым сопротивлением для устройств вычислительной техники. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. - Москва, МИЭМ, 2009.

93. ЭМС для систем и установок/Т. Уильяме, К.Армстронг - м.: Издательский Дом «Технологии», 2004 г. - 508 с

94. А.Н. Исаев, А.П. Леонов, A.B. Савельев - О разработке IBIS-моделей для эмиттер-но-связанной логики: Препринт ИФВЭ 2003-25.- Протвино, 2003. - с. 2

95.1/0 Buffer Information Specification (IBIS) Version 2.1 (December 13, 1995). -http://www.vhdl.Org/pub/ibis/ver2.l/ver2_l.ibs

96. Peters S. - IBIS Modeling Cookbook. For IBIS version 4.0. - Открытый форум IBIS (IBIS Open forum) - 15 сентября, 2005

97. Ross B. - Practical Issues with IBIS Models.- http://www.eigroup.org/IBIS/pcbeas97.htm

98. Пауэлл Д. - Как разрабатывать IBIS-модели. - EDA Expert, 10(73), 2002. - с. 63-65

99. M.Haque. TI IBIS file creation, validation and distribution processes. - Application report, - Texas Instruments, сентябрь 2002

100. Лемешко H.B. Разработка метода проектирования цифровых узлов радиотехнических систем с применением IBIS-моделей интегральных микросхем,- Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора наук. - Москва, МИЭМ, 2008

101. Кечиев Л.Н., Алешин A.B., Тумковский С.Р., Шевчук A.A. Разработка программы расчета помех отражения в линиях связи печатных плат с применением пакета Mathematica и возможностью использования через всемирную сеть Интернет. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. на-учн. трудов / Под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: Изд-во МИЭМ, 2002. - С.46^9.

102. Guidelines for Designing High-Speed FPGA PCBs. Application Note 315. Altera. - February 2004, ver. 1.1. - 72 p.

103. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применением. - М.: Техносфера, 2004.

104. Charles A. Harper. High performance printed circuit boards. - McGraw-Hill Professional, 2000 - c. 47.

105. DuPont Green Tape Material System Design and Layout Guidelines - E.I. du Pont de Nemours & Company (Inc.), Wilmongton - Germany, 2003.

106. Симин А., Холодняк Д. - Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. Часть 2. Средства проектирования и реализации пассивных устройств - Компоненты и технологии. -2005. - №6.-С. 85-93.

107. Симин А., Холодняк Д., Вендик И. - Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. Часть 3. Активные устройства, антенны и многофункциональные СВЧ-модули - Компоненты и технологии. - 2005. - №7. - С. 113-119.

108. IPC A-610D «Критерии качества электронных сборок» (Acceptability of Electronic Assemblies)- 364 с.

109. IPC-7351 «Рекомендации по конструированию печатных узлов» Requirements for design of printed circuit boards. - 156 c.

110. Ефремов A.A., Новиков C.H., Егоров Г.В., Егоров В.А., Нисан А.В., Смирнов A.M. - Рекомендации по конструированию печатных узлов. — пособие по конструированию - Москва, ЗАО Предприятие Остек, 2008 - 276 с.

111. IPC SM-784 «Руководство по внедрению технологии Chip-on-Board» Guidelines for Chip-on-Board Technology Implementation. - 64 c.

112. Смирнов A.M., Паршин В., Шмаков M.B. Школа производства ГПИС. Очистка поверхности пластин и подложек. - Технологии в электронной промышленности. - №5, 2008. - с. 76-80.

113. Смирнов A.M., Паршин В., Шмаков М.В. Школа производства ГПИС. Очистка поверхности пластин и подложек. Продолжение. - Технологии в электронной промышленности. - №6,2008. - с. 72-75.

114. Смирнов A.M. Испытания электронных компонентов на пригодность к отмывке с использованием ультразвука. - Технологии приборостроения, - №2, 2007. -с. 34-37.

115. Смирнов A.M., Лёвкина O.A. - Микроэлектроника: отмывка повышает надежность. - Технологии приборостроения. - №1, 2008. - с. 22-26.

116. Смирнов A.M. Исследование качества отмывки печатных узлов. - Поверхностный монтаж. - №5-6, 2006. с. 24-25.

117. Смирнов A.M. Промывочные жидкости на водной основе. Факторы, влияющие на качество отмывки. - Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. - №8, 2010. - с. 24-27.

118. Смирнов A.M. Промывочные жидкости на водной основе. Как они работают. - Технологии в электронной промышленности, - №1, 2011. - с. 44-47.

119. Смирнов A.M. Совместимость паяльных материалов и промывочных жидкостей. - Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. - №6, 2011.-с. 41-45.

120. Смирнов A.M. Струйная отмывка печатных узлов. Вопросы выбора промывочной жидкости. - Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. - №7, 2011. - с. 38-43.

121. Смирнов A.M. Герметизация пространства под корпусами электронных компонентов. - Поверхностный монтаж. - №12,2008. - с. 26-29.

122. Смирнов A.M. Материалы Underfill. Эпизод II. Особенности нанесения. -Поверхностный монтаж. - №1, 2009. - с. 23-25.

123. Смирнов A.M. Материалы Underfill. Эпизод III. Полимеризация. - Поверхностный монтаж. - №2, 2009. - с. 12-13.

124. Смирнов A.M. Материалы Underfill. Эпизод IV. Надежность. - Поверхностный монтаж. - №5, 2009. - с. 24-25.

125. Смирнов A.M. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009613555 "Расчет волнового сопротивления микрополосковой линии передач», выданное Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.