Метод расчета параметров полезного сигнала, учитывающий геометрическую неоднородность поверхности сверхвысокочастотных интегральных схем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Зырин Игорь Дмитриевич

• Зырин Игорь Дмитриевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Зырин Игорь Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Тенденции развития технологии СВЧ ИС на основе НТК

1.2 Анализ методов учёта неоднородности поверхности

1.2.1 Общая характеристика проблемы учета неоднородности поверхности

1.2.2 Анализ развития методов учета неоднородности поверхности

1.2.3 Анализ существующих методов учёта неоднородности поверхности

для НТК

1.3 Анализ современных численных методов математического моделирования сигналов

1.4 Основные результаты

2 РАЗРАБОТКА ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМНОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ УЧЁТА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СВЧ ИС

2.1 Экспериментальное исследование геометрической неоднородности

поверхности СВЧ ИС на основе НТК

2.2 Схемная ЯЬСО-модель микрополосковой линии передачи

2.3 Математическая модель учёта геометрической неоднородности поверхности СВЧ ИС

2.4 Основные результаты

3 РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА СВЧ ИС

3.1 Алгоритм разрабатываемого численного метода

3.2 Численный метод дискретизации поверхности

3.3 Запись системы узловых уравнений

3.4 Преобразование системы узловых уравнений в матричный вид

3.5 Численный метод расчёта параметров сигнала во временной области

3.6 Численный метод расчёта параметров сигнала в частотной области

3.6.1 Б-параметры однопортовой схемы

3.6.2 Б-параметры многопортовой схемы

3.7 Верификация результатов расчёта

3.7.1 Полноволновое электромагнитное моделирование

3.7.2 Моделирование эквивалентных схем и сравнительный анализ

3.8 Основные результаты

4 КОМПЛЕКС ПРОГРАММ РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА СВЧ ИС

4.1 Методика учёта реальной геометрии поверхности

4.2 Разработка программного комплекса для автоматизации расчётов

4.2.1 Интерфейс программы

4.2.2 Алгоритм работы

4.2.3 Построение маски поверхности проводника

4.2.4 Генерирование эквивалентной схемы в виде SPICE-модели

4.3 Основные результаты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета параметров полезного сигнала, учитывающий геометрическую неоднородность поверхности сверхвысокочастотных интегральных схем»

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей современной электроники является высокое быстродействие, а одним из способов повышения быстродействия является увеличение рабочей частоты. С повышением рабочей частоты автоматически повышаются требования к технологии, проектированию, применяемым материалам при изготовлении таких устройств [1,2].

При топологическом проектировании низкочастотной аппаратуры на интегральных схемах (ИС) конструктору достаточно было обеспечить безошибочную трассировку электрических цепей. Однако с повышением быстродействия появляется все больше особенностей, которые необходимо учитывать при топологическом проектировании СВЧ ИС [3,4]. Отсутствие учёта повышает риск возникновения проблем в области электромагнитной совместимости [2,5], таких как целостность сигналов [6], паразитные связи и перекрёстные помехи.

Диэлектрическое основание и металлический проводник это одни из основных конструктивных элементов при проектировании таких устройств. Одним из важнейших параметров, от которого зависит режим работы устройства и его стабильность, является состояние поверхности диэлектрических оснований и проводников [7].

Для диапазона частот ниже 3 ГГц [8] применяется материал стеклотекстолит. Зачастую повышение рабочей частоты на данном материале не позволяет добиться хороших показателей целостности сигналов [9], в связи с неоднородностью диэлектрического основания (стеклотекстолит представляет собой переплетение стеклоткани), а также в связи с сильной неоднородностью (шероховатостью) поверхности проводника, что приводит к значительным скачкам диэлектрической проницаемости.

На более высоких частотах применяются специализированные высокочастотные материалы, такие как ламинаты, высокотемпературная и низкотемпературная керамика [10]. Они имеют более однородную структуру

диэлектрика и, как следствие, более низкие волновые потери. Каждый тип материала решает свой класс задач.

Наибольший вклад в изучение вопроса геометрической неоднородности поверхности внесли такие исследователи как Хэммерстад (первая модель поверхности и корректирующий коэффициент) [11], Гройсс (модифицировал модель для использования в коммерческих продуктах), Холл (разработал новую полусферическую модель поверхности) [12], Лукик (разработал компьютерно-генерируемые аналитические уравнения) [13], Хуррей (используя современные технологии, уточнил модель Холла, добавив в нее «снежные комы») [14], Курран Бриан (разработал адаптивную нитевидную модель) [15].

Все производители материалов в описании материала указывают неоднородность (в частности, шероховатость) поверхности в «мкм». Однако неоднородность поверхности сильно зависит от технологии производства, а также от типа материала. Было замечено, что существует форма неоднородности поверхности, которую существующие математические модели не описывают с достаточной точностью. В данной диссертации исследование влияния такой неоднородности выполнено на примере отечественной низкотемпературной совместно обжигаемой керамики.

Существующие методы учёта геометрической неоднородности (в частности, шероховатости) поверхности позволяют учитывать ее влияние на частотах не более 30 ГГц, либо требуют огромных вычислительных и временных затрат на проведение расчета. Отсутствие учёта неоднородности поверхности при схемотехническом и топологическом проектировании высокочастотных проектов приводит к нестабильной работе или работе в неправильном режиме. Необходим простой и более быстрый метод учёта геометрической неоднородности поверхности линий передач СВЧ ИС, который позволит разработчикам устройств сократить время проектирования и минимизировать необходимость внесения корректировок в проект.

Решению данных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является разработка метода расчёта параметров полезного сигнала, учитывающего геометрическую неоднородность поверхности сверхвысокочастотных интегральных схем (СВЧ ИС) и позволяющего достигнуть значительного снижения временных и вычислительных затрат при математическом моделировании задач обеспечения целостности сигналов, паразитных связей, перекрёстных наводок и электромагнитной совместимости.

Для достижения поставленной цели проводится:

1. Анализ существующих методов учёта геометрической неоднородности поверхности СВЧ ИС;

2. Экспериментальное исследование геометрической неоднородности поверхности образцов СВЧ ИС, изготовленных на основе перспективной технологии низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики (НТК);

3. Разработка эквивалентных схемной и математической моделей микрополосковой линии передачи СВЧ ИС, позволяющих учитывать геометрическую неоднородность её поверхности;

4. Разработка схемного численного метода расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС во временной и частотной областях, с учётом геометрической неоднородности поверхности линий передач;

5. Верификация разработанной математической модели и схемного численного метода;

6. Разработка комплекса программ расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС во временной и частотной областях, учитывающего реальную геометрию ее поверхности.

Методы исследований.

В диссертационной работе применялись методы цифровой обработки изображений, теории электрических цепей, математического моделирования, численных методов. Для экспериментального получения исходных данных применялся метод сканирующей электронно-лучевой микроскопии. В рамках

разработки программного комплекса применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель микрополосковой линии передачи СВЧ ИС, отличающаяся от существующих тем, что имеет возможность учитывать геометрическую неоднородность её поверхности, и позволяющая повысить точность расчёта параметров полезного сигнала.

Соответствует 1 пункту исследований по паспорту специальности.

2. Разработан схемный численный метод расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС, отличительными особенностями которого являются дискретизация посредством рекурсивного метода цифровой обработки изображений геометрических неоднородностей поверхности линий передач с анизотропной проводимостью и эквивалентная схемная ЯЬСО-модель. Метод позволяет повысить скорость расчёта при сохранении требуемой точности, предъявляемой к схемотехническому и топологическому проектированию.

Соответствует 3 пункту исследований по паспорту специальности.

3. Разработан комплекс программ, реализующий схемный численный метод расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС, отличительной характеристикой которого от аналогов является возможность учёта реальной геометрии неоднородности поверхности ИС, и позволяющий сократить средства на проектирование новых СВЧ ИС при обеспечении требований электромагнитной совместимости.

Соответствует 4 пункту исследований по паспорту специальности.

Практическая ценность. Получены результаты экспериментального исследования геометрической неоднородности поверхности отечественных образцов СВЧ ИС на основе НТК. Разработаны математическая модель, численный метод и комплекс программ для расчёта параметров полезного сигнала во временной и частотной областях (с учётом геометрической неоднородности поверхности СВЧ ИС), которые могут быть использованы при

проектировании радиотехнических устройств и систем в расширенном частотном диапазоне длин волн.

Автор защищает:

1. Математическую модель микрополосковой линии передачи СВЧ ИС, учитывающую геометрическую неоднородность поверхности;

2. Схемный численный метод расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС, с учётом анизотропной проводимости поверхности;

3. Комплекс программ расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС, с учётом реальной геометрии неоднородности поверхности.

Достоверность полученных результатов основана на адекватности используемых математической модели и схемного численного метода, что подтверждается путём сопоставления результатов расчёта параметров полезного сигнала с использованием схемного подхода, с результатами полноволнового электромагнитного моделирования геометрической неоднородности поверхности в ANSYS НРББ и исследовании на сеточную сходимость на последовательности сгущающихся сеток для полноволнового моделирования.

Личный вклад автора состоит в постановке задачи, проведении экспериментальных исследований геометрической неоднородности поверхности, разработке математических моделей, схемного численного метода расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС, проведении вычислительного моделирования параметров полезного сигнала в частотной области, обработке и обобщении результатов теоретических исследований, анализе и обобщении полученных результатов, разработке программного комплекса, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в процесс проектирования СВЧ ИС навигационного приёмника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем на основе НТК разработки АО «ИСС», НИИ космических технологий и НИИ радиотехнических систем

ТУСУР в рамках выполнения следующих опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ:

- ОКР «Разработка технологических процессов изготовления электронных модулей на основе коммутационных плат из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики для бортовой радиоэлектронной аппаратуры» (шифр темы: ОКР «Покров»), 2009-2011;

- ОКР «Разработка и проведение испытаний коммутационных плат на основе низкотемпературной совместно обжигаемой керамики» (шифр темы: ОКР «ТОМЬ-КП НТК»), 2008-2010;;

- НИР «Маршрут сквозного проектирования высокоскоростных и высокочастотных электронных модулей, ИМС, ПЛИС и СБИС, кабельных сетей бортовой РЭА космических аппаратов пятого поколения» реализуемой в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных», 2013-2014;

- ОКР «Разработка перспективной системы автономной навигации с применением отечественной специализированной элементной базы на основе наногетероструктурной технологии для космических аппаратов всех типов орбит» (договор от 12 февраля 2013 г. № 02.G25.31.0042), реализуемой в рамках комплексного проекта Министерства образования и науки Российской Федерации по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства РФ №218, Ш-очередь).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Системы и комплексы автоматического управления летательными аппаратами», посвященной 105-летию со дня рождения Н.А. Пилюгина; Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 2013 и 2014; III международная научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии -перспективные разработки»; III научно-техническая конференция молодых

специалистов ОАО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнёва; XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и современные информационные технологии»; Международной научно-практической конференции «Актуальные исследования гуманитарных, естественных, точных и общественных наук».

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в журналах: «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», «Известия высших учебных заведений. Физика», «Технологии электромагнитной совместимости» и «В мире научных открытий».

Всего опубликовано 13 работ, 3 из которых в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Содержание работы.

В первой главе рассмотрены методы учёта геометрической неоднородности поверхности, выявлены их достоинства и недостатки. Проведён анализ исторического развития и современного состояния развития СВЧ ИС. Выявлена необходимость в разработке метода для вычисления параметров полезного сигнала с учётом геометрической неоднородности поверхности линий передачи СВЧ ИС.

Во второй главе проведено исследование экспериментальных образцов СВЧ ИС методом электронной лучевой микроскопии, как на поверхности образца, так и на его сечении. В результате исследования получено представление о форме геометрической неоднородности. Разработаны эквивалентная схемная и математическая модели микрополосковой линии передачи, позволяющие учитывать геометрическую неоднородность её поверхности.

В третьей главе разработан схемный численный метод вычисления

характеристик линий передачи в частотной и временной областях. По

10

окончании разработки проведён сравнительный анализ результатов математического моделирования, полученных с помощью схемного численного метода, с результатами полноволнового электромагнитного моделирования геометрической неоднородности поверхности СВЧ ИС. Подтверждена адекватность и достоверность разработанного инструментария.

В четвёртой главе разработан комплекс программ расчёта параметров полезного сигнала СВЧ ИС, учитывающий реальную геометрию неоднородности их поверхности, и состоящий из следующего набора модулей: импорта SEM-изображения реальной поверхности линии передач; расчёта значений Л£СС-элементов схемы; наложения и обработки маски геометрической неоднородности; построения и визуализации эквивалентной схемы; расчёта параметров полезного сигнала; экспорта в сторонние расчётные системы схемотехнического моделирования.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Тенденции развития технологии СВЧ ИС на основе НТК

Все исследования в области неоднородности поверхности сосредоточены вокруг стеклотекстолита. И те же самые методы учёта рекомендуется использовать и для СВЧ ИС. Однако изготовление таких СВЧ ИС происходит совершенно по другим принципам и совершенно из других материалов, поэтому и неоднородность поверхности имеет другой характер.

Однако современные тенденции таковы, что большинство высокоскоростных или высокочастотных разработок ИС ведутся именно на НТК [16,17,18], поскольку они позволяют получить значительный выигрыш по массогабаритным показателям в сравнении с платами из стеклотекстолита и высокотемператуной керамики (См. Рисунок 1).

Рисунок 1 - Исполнение одного устройства на стеклотекстолите и керамике

Выигрыш по массогабаритным показателям очень важен для авиакосмической техники, где НТК нашло свое применение (См. Рисунок 2 и Рисунок 3) [19,10]. А также в связи с однородностью диэлектрика, СВЧ ИС на основе НТК имеют значительно меньше диэлектрических потерь.

Рисунок 3 - Высокочастотные устройства (малошумящие усилители, СВЧ переключатели), применяемые в космической технике и выполненные на НТК

СВЧ ИС при изготовлении на НТК по свойствам применяемых материалов, точности разрешения элементов топологии и надёжности обеспечивает перспективные требования к бортовой РЭА КА негерметичного исполнения, микро- и наноспутников на ближайшие десятилетия [20,21].

Основными материалами для производства СВЧ ИС являются диэлектрик в виде ленты «зеленая лента» определенной толщины, и металлические пасты.

Диэлектрик для технологии НТК чаще всего представляет собой смесь (шликер) из стеклокерамического композита и кристаллического стекла и различных дополнительных материалов. Композит состоит из двух типов порошков: керамический (см. Рисунок 4) и стеклянный.

Рисунок 4 - Порошок алюмооксидной керамики

После формирования шликера следует процесс формирования «зелёной ленты». Зачастую производство шликера и «зеленой ленты» это засекреченный и скрываемый процесс определенных производств, поскольку очень сложно добиться идеальных показателей между количеством керамики, связующих и других дополнительных компонентов, чтобы из нее потом можно было создавать изделия с хорошими показателями. Поэтому на данный момент в России имеется производство СВЧ ИС из готовых «зеленых лент» таких производителей как Green Tape или Ferro.

Типовой процесс производства СВЧ ИС представляет собой следующую последовательность действий: из «Зеленой лены» формируются заготовки нужного габарита, формируются отверстия для переходных отверстий, отверстия заполняются специальной металлической пастой для переходных отверстий, затем на каждую заготовку наносится другая металлическая паста для формирования проводников, все заготовки собираются в стопку, ламинируются, обрезаются для формирования ровных краев, отжигаются при температурах порядка 800-900 градусов, и в конце проходят электроконтроль (см. Рисунок 5 - Процесс изготовления СВЧ ИС).

Рисунок 5 - Процесс изготовления СВЧ ИС

В процессе спекания НТК происходят такие основные процессы, как расплавление керамики, её усадка и уплотнение [22]. При высоких температурах во время спекания идет процесс взаимопроникновения слоев керамики через слой проводящей пасты (см. Рисунок 6) [23]. Вследствие этого процесса в проводниках образуются поры.

Рисунок 6 - Взаимопроникновение слоев керамики

Во время спекания на внешних проводниках образуются поры (см. Рисунок 7), обусловленные газами, выходящими из слоев керамики, а также взаимодействием керамики и пасты [24].

Поскольку ранее затухания, связанные с искажением протекания тока по проводнику, и вызванные неоднородностью его поверхности, назывались искажениями, вызываемыми неоднородностью поверхности проводника, то изменения проводника, возникающие вследствие спекания керамики и изменяющие его форму, будем так же считать неоднородностью поверхности.

Рисунок 7 - Микроизображение поверхности проводников на НТК

Распределение и размер пор являются случайной величиной и могут быть зафиксированы только получением микроизображения.

Поскольку форма поверхности влияет на распространение электромагнитных волн в линиях передачи, необходимо иметь способ, позволяющий учитывать неоднородность поверхность при проектировании устройств на НТК.

1.2 Анализ методов учёта неоднородности поверхности

1.2.1 Общая характеристика проблемы учета неоднородности поверхности

При проектировании высокоскоростных или высокочастотных устройств разработчик, для снижения потерь в проводниках, должен стремиться снизить их длины и влияние друг на друга использованием современных методов [25,26]. Также, для оценки падений мощности, проводить анализ целостности сигналов [27,6,1] в специализированном программном обеспечении (ПО) [28]. В процессе анализа разработчики зачастую упускают дополнительные потери мощности сигнала вследствие неоднородной поверхности проводника.

Для понимания необходимости учета неоднородности поверхности необходимо разобраться в принципах работы микрополосковой линии передачи [29]. Рассмотрим распространение типичного электромагнитного импульса по медной микрополосковой линии. С одного из концов линии передачи возбудим электромагнитный импульс сигналом V (0, 1:) (см. Рисунок 8).

У(0,0

»-У/Л ж

С

Сигнальная трасса

м

8

Н = Н.а.

к к о ,,

^ Диэлектрик

Н = Нуау-Шуа

а.

Е * /■ о.

Л" А я. - _\£ а.

-М

А.

Полигон земли

Рисунок 8 - Интенсивности электрического и магнитного полей, и их распространение по микро-полосковому волноводу

На нижней стороне сигнальной трассы будет образовываться поверхностная плотность заряда ое5, равная £2Е2х, и отрицательная плотность заряда на плоскости земли. В распространяющейся среде, по мере продвижения плотности заряда вниз по трассе, будет создаваться напряженность магнитного поля ^ = ае5С2(Ху = £2Е2,хс2^у = ^уЕ2,х/Л2, [14].

В случае отсутствия неоднородности поверхности затухание сигнала в данной линии передачи было обусловлено только потерями в диэлектрике.

Наличие неоднородности приводит к неравномерностям и искажениям электромагнитного поля (см. Рисунок 18). Однако линии передачи без неоднородности технологически недостижимы. К примеру, неоднородность поверхности медного проводника на стеклотекстолите с усиленной степенью адгезии представляет собой снежные комы (см. Рисунок 15).

Также, при переходе на другую технологию производства, применение различных материалов значительно меняет и тип неоднородности поверхности. Для разных случаев существуют свои методы учета неоднородности. На

сегодняшний день все методы учета неоднородности делятся на три основных типа: поправочные или корректирующие коэффициенты, эффективные параметры и полноволновые модели.

Самым распространенным способом учета потерь в линии передачи является использование эффективной переменной тангенса угла диэлектрических потерь [30]. Данный подход позволяет проводить грубый учет вносимых помех. С ростом рабочей частоты разрабатываемого устройства, когда поверхностный (скин-)эффект становится сопоставим по толщине с неоднородностью поверхности, при проектировании используют дополнительный способ учета потерь протекания сигнала по проводнику [31]. Чаще всего используется корректирующий коэффициент Хэммерстада, который представляет поверхность проводника в виде зубчатой (пилообразной) последовательности (см. Рисунок 9).

Однако при достижении сигналом, протекающим в проводнике, порога частот ~30 ГГц (зависит от конкретного метода), корректирующие коэффициенты не позволяют получить физическую картину затуханий сигнала.

При необходимости разработки устройств на частотах порядка 60 ГГц применяются полноволновые способы моделирования распространения электромагнитной волны по линии передачи, с детальной прорисовкой поверхности проводника [32]. Такой метод требует значительных затрат времени на подготовку трехмерной модели линии передачи, вычислительных ресурсов и времени на проведение расчетов.

Рисунок 9 - Пилообразный профиль модели Хэммерстада

1.2.2 Анализ развития методов учёта неоднородности поверхности

Первые радиоэлектронные устройства работали на частотах, при которых ток протекал по всему сечению проводника. Достаточно было рассчитать волновое сопротивление линии передачи [33], после чего результат работы таких линий передач был предсказуем [34]. Потери, возникающие в линии передачи, описывались тангенсом угла диэлектрических потерь основания, и значением проводимости материала.

С развитием радиоэлектроники, технологии и повышением рабочей частоты было замечено, что сигналы после прохождения по металлическим проводникам подвергаются дополнительным искажениям и затуханиям. И расчетные значения потерь в сигнале на этапе проектирования схемы не совпадали с реальными значениями потерь.

Исследования в этой области показали, что повышение рабочей частоты приводит к существенному влиянию эффекта неоднородности поверхности; при увеличении рабочей частоты влияние только усиливается [35]. Однако из-за отсутствия в те времена современных инструментов, таких как электроннолучевой микроскоп, была выбрана гипотетическая и упрощенная модель неоднородности поверхности в виде прямоугольных и треугольных канавок с последующим распространением их бесконечно вдоль проводника (См. Рисунок 10).

^ А ^ У=Р[х)

г 1 [

) (

Рисунок 10 - Прямоугольный и треугольный тип неоднородности

Первые методы учета неоднородности поверхности заключаются в том, чтобы скорректировать расчетное значение импеданса линии передачи по следующей формуле:

^rough Zsmooth (р ^^ ^smooth * К, (1)

где переменная K является поправочным коэффициентом, описывающим неоднородность поверхности. Рассчитывается она различными

математическими моделями.

Одним из первых способов учета неоднородности поверхности проводников НТК является модель поправочного коэффициента Хэммерстада [36].

Модель Хэммерстада аппроксимирует неоднородность поверхности пилообразно вдоль поверхности проводника. Когда глубина поверхностного слоя значительно больше высоты неоднородности поверхности, неоднородность не вносит существенных искажений. Когда глубина поверхностного слоя тоньше чем высота неоднородности поверхности, ток идет по пути, повторяющему рисунок неоднородности (см. Рисунок 9).

Расчет корректирующего коэффициента Хэммерстада выполняется по следующей формуле:

К = 1 + (2 • arctan

(¿•ardan 1.4 Q) (2)

Для применения данного метода необходима эффективная (среднеквадратическая) высота неоднородности Иш8 [11].

Со временем разработчики СВЧ ИС заметили, что модель Хэммерстада имеет значительные погрешности при расчете потерь мощности. Модель неоднородности Хэммерстада имеет максимальное увеличение длины пути протекания тока не более чем в два раза от идеального. Однако на практике неоднородность может воздействовать на потери мощности более чем в 2 раза. При достижении скорости шины передачи данных около 8 Гбит, данная модель

не позволит предсказать уровень вносимых потерь и работоспособность шины

К примеру, при измерении производительности линии передачи на высоких частотах, потери в линии передачи оказались больше, чем это было предсказано с помощью формулы Хэммерстада. Так же было замечено, что с ростом частоты уровень ошибки становится все больше и больше (См. Рисунок

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зырин Игорь Дмитриевич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зырин И.Д., Карабан В.М., Хвалько А.А. Способ сохранения целостности сигналов при топологической трассировке // Доклады III научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнёва. ОАО «ИСС», г. Железногорск. 2014.

2. Семенов В. Электромагнитная совместимость и ограничения при конструировании печатных плат // Современная электроника, № 2, 2005. С. 58-60.

3. Pucel R.A., Masse D.J., and Hartwing C. Losses in microstip // IEEE Trans. MTT, Vol. 16, No. 6, 1968. pp. 342-350.

4. Говард Д., Мартин Г. Высокоскоростная передача цифровых данных. Высший курс черной магии. 1-е-е изд. Москва, Санкт-петербург, Киев: Издательский дом "Вильямс", 2005. 1010 с.

5. Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 207 с.

6. Tektronix. Основы целостности сигнала. Начальное руководство.28 с.

7. Oluwafemi O. Surface Roughness and its Impact on System Power Losses. Columbia: Univ. of South Carolina, 2007.

8. // Southern illinois university edwardsville: [сайт]. [2009]. URL: http:// www.ee.siue.edu/ ~alozows/courses/RfDesign/projects/schedule492.html (дата обращения: 30.Март.2015).

9. Bogatin E. Signal Integrity - Simplified. Prentice - Hall PTR, 2003. 608 pp.

10. Зырин И.Д., Кочура С.Г., Морозов Е.А., Сунцов С.Б., Тестоедов Н.А. Применение керамических плат LTCC в бортовой аппаратуре систем управления космических аппаратов // Труды международной научно -технической конференции «Системы и комплексы автоматического управления летательных аппаратов», посвященной 105-летию со дня рождения академика АН СССР Н.А. Пилюгина. 2013.

11. Hammerstad E., Bekkadal F. Microstrip Handbook. Trondheim: ELAB-report, STF44, 1975.

12. Hall S. Modeling Requirements for Transmission Lines in Multi-Gigabit // Electrical Performance of Electronic Packaging, IEEE 13th Topical Meeting. 2004. pp. 67-70.

13. Lukic M.V., Filipovic D.S. Modeling of 3-D Surface Roughness Effects With Application to u-Coaxial Lines // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, No. 55, 2007. pp. 518-525.

14. Huray P.G., Pytel S.G., Hall S.H., Oluwafemi F., Mellitz R.I., Hua D., and Ye P. Fundamentals of a 3-D "Snowball" Model for Surface Roughness Power Losses" // 11th Annual IEEE SPI Proceedings. May 13-16, 2006. pp. 121-124.

15. Brian C. Loss Modeling in Non-Ideal Transmission Lines for Optimal Signal Integrity. 1st ed. Berlin: Technischen Universität Berlin, 2012. 106 pp.

16. Michael D., OHearn P.E. A 2.4GHz Transceiver Module Using Low Temperature Co-fired Ceramics // National Semiconductor 2900 Semiconductor Drive. pp. 1-6.

17. Зырин И.Д., Карабан В.М. Разработка СВЧ-делителя мощности для радиоприёмного модуля на основе низкотемпературной керамики // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, Крым, Россия. 2014. Т. 2. С. 582-583.

18. Зырин И.Д., Карабан В.М. Разработка СВЧ-фильтра для радиоприёмного модуля на основе низкотемпературной керамики // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, Крым, Россия. 2014. Т. 2. С. 286-587.

19. Зырин И.Д., Морозов Е.А., Хвалько А.А., Смолякова Е.Ф. Испытания керамических плат низкотемпературного обжига для аппаратуры

космических аппаратов // Тезисы V общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодёжь. Техника. Космос». Томск. 2013. С. 179-182.

20. Хвалько А.А., Сунцов С.Б., Карабан В.М., and Алексеев В.П. Испытания электронных модулей на основе LTCC технологии для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов // IV Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий". Москва: ОАО «РКС». 15-17 июня 2011.

21. Хвалько А.А., Морозов Е.А., Сунцов С.Б., Бутов В.Г., and Пономарев С.В. Реализация проекта по созданию средств автоматизации проведения механического анализа и механических испытаний унифицированного ряда электронных модулей бортовой РЭА // Научно-техническая конференция молодых специалистов «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем». Железногорск. 2-4 марта 2011.

22. Chaouchi A., d'Astorg S., Marinel S., and Aliouat M. ZnTiO3 ceramic sintered at low temperature with glass phase addition for LTCC applications // Materials Chemistry and Physics, 2007. pp. 106-111.

23. Piwonski M.A., Roosen A. Low pressure lamination of ceramic green tapes by gluing at room temperature // J. Europ. Ceram. Soc., No. 19, 1990. pp. 263-270.

24. Birol H. fabrication of low temperature co-fired ceramic (Ltcc)-based sensor and micro-fluidic structures. Lausanne: école polytechnique fédérale de lausanne, 2007. 160 pp.

25. Зырин И.Д., Карабан В.М. Методы снижения паразитной связи между проводниками // Технологии электромагнитной совместимости, № 3 (46), 2013. С. 68-78.

26. Зырин И.Д., Карабан В.М., Морозов Е.А. Инновационный подход к

трассировке печатных проводников // Материалы 17-го Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХ1 веке». - Сб. материалов форума. Харьков: ХНУРЭ. 2013. Т. 2. С. 123-124.

27. Зырин И.Д., Сунцов С.Б., Морозов Е.А., Карабан В.М. Анализ целостности сигналов универсального электронного модуля бортовой РЭА космического назначения // Известия высших учебных заведений. Физика., Т. 54, № 10/2,

2011. С. 91-96.

28. Зырин И.Д., Карабан В.М. Алгоритм трансляции топологического рисунка из Altium Designer в Siwave // ANSYS Advantage Ru Электроника_, № 18,

2012.

29. Акулин А.И. Согласование линий передачи данных на печатной плате. // Технологии в электронной промышленности., № 2, 2007. С. 26-28.

30. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. Москва: ООО «Группа ИДТ», 2007. 616 с.

31. Вебб С. Основы проектирования высокоскоростных печатных плат. // EDA Expert, № 10(113), 2006. С. 81-83.

32. Зырин И.Д., Карабан В.М. Влияние шероховатости поверхности керамики марки GREEN TAPE 951 и серебряной пасты 6148 фирмы DU PONT на параметры сигнала микрополосковой линии передачи // Доклады XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и современные информационные технологии». Томск. 2014. Т. 1. С. 246-247.

33. Соловьев А.В. Методика выбора волнового сопротивления линий передачи современной сверхбыстродействующей электроники. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. // Изд-во МИЭМ, 2008. С. 79-84.

34. Демирчян К.С., Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. 5th ed. Питер: ООО "Питер Пресс", 2009.

35. Morgan S. Effect of Surface Roughness on Eddy Current Losses at Microwave // Journal of Applied Physics, No. 20, 1949. pp. 352-362.

36. Hammerstad E., Jensen O. Accurate models for microstrip computer aided design // Microwave symposium Digest, 1980 IEEE MTT-S International. Washington, DC, USA. 1980. pp. 407-409.

37. Groiss S., Bardi I., Biro O., Preis K., and Richter K.R. Parameters of lossy cavity resonators calculated by the finite element method // IEEE Transactions on Magnetics, No. 32, 1996. pp. 894-897.

38. Hall S., Pytel S., Huray P., Hua D., Moonshiram A., Birst G., and Sijercic E. Multigigahertz causal transmission line modeling methodology using a 3-D hemispherical surface roughness approach // Microwave The-ory and Techniques, IEEE Transactions, Vol. 55, No. 12, Dec 2007. pp. 2614-2624.

39. Xiao M.A. Modeling of conductor surface roughness effect. Urbana: University of Illinois at Urbana-Champaign, 2014. 35 pp.

40. Yunhui C, Method for modeling conductor surface roughness, Metod US 8,527,246 B1, Sep 3, 2013.

41. Зырин И.Д., Карабан В.М. Вычислительное моделирование влияния шероховатости поверхности СВЧ-коммутационных плат на основе LTCC // Материалы III международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» / Fundamental science and technology - promising developments III. spc Academic: North Charleston, USA. 2014. Т. 1. С. 113-115.

42. Brian C., Ivan N., Chistian W., Veronika R., Marcus M., and Heinrich W. An adapted filament model for accurate modeling of printed coplanar lines with significant surface roughness and proximity effects // International Journal of Microwave and Wiereeless Technologies, No. 2, 2010. pp. 273-279.

43. Зырин И.Д., Алексеев В.П., Сунцов С.Б., Морозов Е.А., Карабан В.М. Топологическая трассировка и анализ схемы универсального электронного

модуля бортовой РЭА космического назначения // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, № 2 (22), 2011. С. 88-91.

44. Новиков Ю.Н. Электротехника и электроника. Теория цепей и сигналов, методы анализа: Учебное пособие. Питер: ЗАО издательский дом "Питер", 2005. 384 pp.

45. Моррис Д. Моделирование электромагнитных полей - как выбрать лучший метод // Электроника, № 3, 2012. С. 124-129.

46. Гончаров В.А. Методы моделирования электромагнитных полей в вычислительных средах // Научный электронный архив. URL: http:// econf.rae.ru/article/5166 (дата обращения: 16.05.2015).

47. Silvester P.P., Ferrari R.L. Finite Elements for Electrical Engineers // New York: Cambridge University Press, No. 3, 1996.

48. Зеер Г.М., Фоменко О.Ю., and Ледяева О.Н. Применение сканирующей электронной микроскопии в решении актуальных проблем материаловедения // Journal of Siberian Federal University, No. 2, Dec 2009. pp. 287-293.

49. Зырин И.Д., Карабан В.М., Сунцов С.Б. Обзор возможностей математического моделирования шероховатости поверхности низкотемпературной керамики // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013). Крым. 2013. С. 181-182.

50. Зырин И.Д., Карабан В.М. Математическое моделирование шероховатости поверхности линии передачи на стеклотекстолитовом и керамическом основании // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные исследования гуманитарных, естественных, точных и общественных наук». Новосибирск: ООО «ЦСРНИ». 2013. С. 126130.

51. Eudes T., Ravelo B., and Louis A. Transient response characterization of the high-speed interconnection RLCG-model for the signal integrity analysis // Progress In Electromagnetics Research, No. 112, 2011. pp. 183-197.

52. Zhang J., Hsiang T.Y. Extraction of Subterahertz Transmission-line Parameters of Coplanar Waveguides // Progress In Electromagnetics Research Symposium, Vol. 3, No. 7, 2007. pp. 1102-1106.

53. Зырин И.Д., Карабан В.М. Разработка многослойной интегральной схемы полосового фильтра на основе макромоделей и эквивалентных схем RLC-элементов // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, Крым, Россия. 2014. Т. 1. С. 127-128.

54. Пилипенко А.М., Бирюков В.Н. Исследование эффективности современных численных методов при анализе автоколебательных цепей // Журнал радиоэлектроники, No. 8, июль 2013.

55. Hagen J.B. Radio-Frequency Electronics Circuits and Applications. New York: Cambridge University Press, 2009. 454 pp.

56. Зырин И.Д., Карабан В.М., Сунцов С.Б., Климкин О.А., Севастьянов Р.С., Краюхин А.С. Обзор возможностей систем автоматизированного проектирования для схемотехнического и топологического моделирования радиоэлектронной аппаратуры : моногр. Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2013. 86 с.

57. Зырин И.Д., Шабловский А.В., Озеркин Д.В. Разработка библиотеки SPICE-моделей электронной компонентной базы российского производства // Научная сессия ТУСУР-2011: Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск. 4-6 мая 2011. Т. 6. С. 310.

58. Зырин И.Д., Карабан В.М. Разработка эквивалентных схем интегральных RLC-элементов на основе LTCC // 24-я Международная Крымская

конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, Крым, Россия. 2014. Т. 2. С. 655-656.

59. Зырин И.Д., Карабан В.М., Смолякова Е.Ф. Разработка новой несущей конструкции печатных плат, а так же её механический, тепловой анализ для электронных модулей космического применения // В мире научных открытий. 2014. № 4 (52). С. 219-230.

60. Зырин И.Д., Карабан В.М. Разработка новой несущей конструкции печатных плат, а также её механический анализ для электронных модулей в космических аппаратах // Международная научная конференция «Решетневские чтения». Красноярск. 2013. Т. 2. С. 225-226.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А (справочное) SPICE-модель микрополосковой линии передачи

.SUBCKT НТК_МБТ1_СотЬо_10.2_Ы0.165_Н0.114 1 7 11 77

* Where 1 7 11 77

* I I I I

* | | | Right GND Port

* | | Left GND Port

* | Right Port

* Left Port

*

* SPICE subcircuit model: *

* Microstrip Transmission line *

* TypeCircuit - Combo RLCG *

* Given roughness! *

* Circuit by НТК Roughness Circuit Generator *

R1000001000001 1 2000001000001 0.039131121723838 L1000001000001 2000001000001 3000001000001 1.19331573788005E-11 R3000001000001 6000001000001 7000001000001 0.039131121723838 L3000001000001 3000001000001 6000001000001 1.19331573788005E-11 R4000001000001 8000001000001 9000001000001 0.039131121723838 L4000001000001 3000001000001 8000001000001 1.19331573788005E-11 C1000001000001 3000001000001 33000001000001 5.27673757143924E-15 R9000001000001 3000001000001 33000001000001 3514138682.19114 R11000001000001 11 22000001000001 0.0293483412928785 L11000001000001 22000001000001 33000001000001 8.94986803410034E-12 R33000001000001 66000001000001 77000001000001 0.0293483412928785 L33000001000001 33000001000001 66000001000001 8.94986803410034E-12 R44000001000001 88000001000001 99000001000001 0.0293483412928785 L44000001000001 33000001000001 88000001000001 8.94986803410034E-12 R22000001000001 55000001000001 44000001000001 0.0293483412928785 L22000001000001 33000001000001 44000001000001 8.94986803410034E-12

.ENDS НТК MSTL Combo L0.2 W0.165 H0.114

Приложение Б (обязательное)

о о

(39 О О О О

С14+С15 -014-015+016+09+017 О -С17 О О О -016

О О О в18 О О О 013 О

-С13-С34-С18-С35-С37-С38 037+038 О О в34 в35

О О О О С,22 О О О -(317 С371С38 -037+038-017-032-022-033 О

с;зз о

032

О

о о о о

027 О О О С35 О

-036-027-039-040 039+040 ОЗб -035

О О О О О О С26 О О О

взз

039+040 -039-040-033-041-026 О в41

О О О О О О О 012

О С34

О ОЗб О

-012-034-036-030 С,30

1Т1

из и4 115

иб

1)7 Ш Ш ШО Ш1 Ш2

шз

Ш4 Ш5

\jnej

ЕЮ1 О О О О

о о о о о о о о о