Особенности герметизации радиочастотных соединителей для микроэлектроники

О герметичности радиочастотных соединителей

Требование герметичности предъявляют только к приборным соединителям: коаксиально-микрополосковым переходам, СВЧ-вводам и выводам энергии, частично к адаптерам, применяемым в герметизированных изделиях микроэлектроники. Степень герметичности характеризуется величиной скорости натекания гелия через соединитель. Поэтому утверждение о том, что соединитель герметичен, не имеет практической пользы без указания величины скорости натекания.

Существует три уровня герметичности соединителей:

1. Герметичность не регламентирована и поэтому не гарантируется. Это относится к соединителям, герметизированным органическими диэлектриками.
2. Скорость натекания 1,3•10^–6–1,3•10^–7 м³•Па/с — средний уровень герметичности, допустимый для изделий менее ответственного назначения или кратковременного действия. Такой уровень герметичности обеспечивают, например, пластмассовые корпуса микросхем.
   Соединители и СВЧ-вводы первых двух уровней недопустимо применять в надежных изделиях микроэлектроники с большим сроком службы.
3. Скорость натекания 1,3•10^–9–1,3•10^–11 м³•Па/с («вакуумная плотность») — высокий уровень герметичности. Такую скорость натекания определяют масс-спектрометрическим методом при помощи гелиевого течеискателя.

Для зарубежных и отечественных герметичных радиочастотных соединителей и СВЧ-вводов скорость натекания гелия должна быть не более 1•10^–8 cc/s (1,3•10^–9 м³•Па/с) [1].

Методы обеспечения высокого уровня герметичности соединителей

Скорость натекания 1,3•10^–9–1,3•10^–11 м³•Па/с имеют соединители, герметичность которых обеспечивается металлостеклянным спаем. Существует два типа герметичных соединителей [1]:

1. С внутренним металлостеклянным спаем (рис. 1а).
2. Составные соединители: миниатюрный металлостеклянный ввод с центральным проводником диаметром 0,3–0,6 мм в сочетании с СВЧ-разъемом, имеющие цанговое соединение между собой (рис. 1б).

Рис. 1. Коаксиально-микрополосковые переходы:
а) с внутренним спаем;
б) составные

Почему металлостеклянный спай?

Для обеспечения герметичности соединителей и СВЧ-вводов и в нашей стране, и за рубежом применяют спай стеклянного изолятора с наружным и внутренним проводниками коаксиальной линии соединителя. При этом изолятор полностью заполняет пространство между ними. Кроме герметизации и защиты от воздействия внешней среды изолятор выполняет следующие функции:

• фиксацию внутреннего проводника относительно наружного и изоляцию этих проводников;
• развязку между внутренним проводником соединителя и внутренним проводником устройства СВЧ (предотвращение передачи механических усилий в устройство).

Поскольку изолятор представляет собой неоднородность в коаксиальной линии соединителя, необходимо, чтобы он вносил минимальные рассогласование и потери в ней. В первом приближении изолятор можно представить отрезком коаксиальной линии с однородным диэлектрическим заполнением. Компенсацию отражений в такой линии производят путем оптимального выбора конфигурации и толщины изолятора и соотношения диаметров наружного и внутреннего проводников линии. Геометрические размеры изолятора — внутреннего (d) и наружного (D) диаметров проводников — рассчитывают из условия равенства волновых сопротивлений коаксиальной линии в ее областях с изолятором и без него так, чтобы волновое сопротивление в любом сечении линии было 50 Ом, принятым в микроэлектронике.

Зная величину диэлектрической проницаемости материала изолятора ε, отношение диаметров D/d рассчитывают по формуле:

У стекла ε = 5,2, у алюмооксидной керамики ε = 9,8. Поэтому для стекла D/d = 6,7, а для керамики D/d = 13.

Таким образом, размеры коаксиальной линии соединителя с керамическим изолятором приблизительно вдвое больше, чем линии со стеклянным изолятором. Но дело не только в этом. Повышение диэлектрической проницаемости изолятора становится причиной уменьшения предельной рабочей частоты соединителя, а значит, снижения его широкополосности [1]. Не последним аргументом в пользу применения стекла является простота технологии и сравнительно невысокая стоимость получения металлостеклянного спая. Для получения герметичного спая с керамикой необходима ее предварительная металлизация и пайка в восстановительной среде припоями, содержащими драгоценные металлы. Пайку со стеклом выполняют в среде азота, при этом не требуются металлизация стеклянного изолятора и припой. Спай образуется в результате смачивания металла стеклом, нагретым до состояния расплава, и химических процессов.

Виды стеклянных изоляторов

Хотя размеры изолятора формируются в процессе получения металлостеклянного спая, однако все определяют размеры исходной таблетки стекла. Изоляторы герметичных соединителей и СВЧ-вводов (стеклотаблетки) изготавливают из монолитного или порошкового стекла одним из двух способов:

1. Из стандартных стеклянных капилляров

Предварительно капилляры сортируют по наружному и внутреннему диаметрам и в зависимости от этого нарезают алмазным диском на таблетки требуемой высоты. Такая технология не обеспечивает нужной точности и воспроизводимости размеров изоляторов. Производственная технология изготовления стеклянных таблеток должна включать бесцентровую шлифовку стеклянных капилляров по наружному диаметру, сборку набора отшлифованных капилляров, резку набора на заготовки с припуском по высоте, наклеивание заготовок на планшайбу плоскошлифовального станка и шлифовку в размер по торцевым поверхностям. Данная технология обеспечивает точность размеров таблеток ±25 мкм и идентичность размеров таблеток разных партий.

2. Из стеклянного порошка

Стеклянный порошок смешивают со связкой (обычно парафином), затем прессуют в пресс-формах и спекают в печи (выжигают связку). Особенность порошкового стекла — закрытая пористость. В связи с этим оно имеет меньшие значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, повышенную термостойкость и выдерживает большие механические напряжения без образования трещин.

Требования к стеклянному изолятору

На частотах свыше нескольких гигагерц стеклянный изолятор вносит наибольшую долю в высокочастотные потери герметичных соединителей и СВЧ-вводов. Поэтому диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь стекла, а также толщина изолятора должны быть минимально возможными [1].

К точности размеров стеклянного изолятора и качеству металлостеклянного спая изолятора с корпусом и центральным проводником соединителя и СВЧ-ввода (рис. 2) предъявляют высокие требования: допуски на размеры ØD, Ød и l должны быть в пределах 0,025–0,040 мм.

Рис. 2. Конструкция и внешний вид металлостеклянного СВЧ-ввода

Недопустимы:

• выступание изолятора из корпуса;
• мениски на торцевых поверхностях изолятора и наплывы стекла на центральный проводник. Наплыв стекла на центральный проводник создает дополнительную неоднородность вследствие образования зазора между торцом контакта и стеклянным изолятором, а также из-за раскрытия ламелей гнездового контакта при его насадке на центральный проводник;
• неплоскостность поверхности изолятора;
• трещины, сколы и пузыри в стекле.

По внешнему виду стеклянного изолятора опытный специалист может сделать заключение о качестве соединителя.

Стекла, применяемые в герметичных радиочастотных соединителях и СВЧ-вводах

Значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ стекол зарубежного и отечественного производства, наиболее часто применяемых в радиочастотных соединителях и СВЧ-вводах, а также (для сравнения) алюмооксидной керамики приведены в таблице 1.

Температура размягчения стекол отечественных марок соответствует вязкости 10¹¹ пз. Для зарубежных стекол приведена температура, при которой вязкость равна 10^7,6 пз — точка Литтлтона (softening point — стекло деформируется под действием собственного веса). Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) всех стекол приведен для диапазона температур 0…+300 °С.

Диэлектрическая проницаемость стекол повышается с увеличением температуры и уменьшается с ростом частоты электрического поля. Рост температуры также вызывает увеличение тангенса угла диэлектрических потерь — потерь, связанных с электропроводностью, релаксационных и резонансных потерь. На частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь наблюдается минимум в области частот 10⁵–10⁷ Гц.

Химический состав отечественных и зарубежных стекол приведен в таблице 2 [5, 6].

Все стекла, представленные в таблице 2, являются боросиликатными. Стекла марок Corning 7052, EN‑1, С52–1 и С48–2 предназначены для получения согласованных спаев со сплавом ковар, отечественный аналог которого — железо-никель-кобальтовый сплав 29 НК (28,5–29,5% Ni, 17–18% Co, остальное Fe). Стекла марок С48–2 и Corning 7070 предназначены для изготовления изоляторов спеканием из стеклопорошка.

Стекло С37–2 считается аналогом стекла Corning 7070. У этих стекол близкий химический состав и схожие диэлектрические свойства. Технология электроварки стекла С37–2 и изготовления из него тонкостенных трубок для прецизионных линий замедления ламп бегущей волны была разработана в нашей стране в начале 1980‑х годов [4]. Однако наряду с высоким уровнем диэлектрических свойств стекло С37–2 имеет низкую химическую стойкость и подвержено расстекловыванию. При нагреве до температуры пайки со сплавом 29 НК на поверхности этого стекла, изготовленного из капилляра, образовывалась непрозрачная корка. В настоящее время стекло С37–2, по-видимому, не производится в нашей стране.

Возможно, из-за низкой химической стойкости изоляторы из стекла Corning 7070 изготавливают из порошкового стекла.

Монолитное или спеченное порошковое стекло?

Применение в радиочастотных соединителях и СВЧ-вводах изоляторов, изготовленных из стеклянных капилляров (монолитного стекла), имеет ряд преимуществ:

1. Изолятор можно выполнить с высокой точностью размеров.
2. При серийном выпуске все изоляторы одной партии имеют стабильные и воспроизводимые размеры.
3.  Особенно важны эти преимущества для соединителей и вводов с низким и стабильным уровнем КСВН, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн, так как с увеличением частоты необходимо не только уменьшать размеры коаксиальной линии, но и повышать их точность.
4. Монолитное стекло прозрачно, что позволяет иммерсионно-поляризационными методами измерять внутреннюю геометрию и напряжения в спаянном изоляторе. Благодаря этому удается обнаруживать внутренние дефекты в стекле изолятора и прогнозировать долговременную герметичность соединителя.

Однако у изоляторов из монолитного стекла есть и недостатки:

1. Для изготовления изоляторов требуемых размеров необходимо наличие капилляров с соответствующими значениями внутреннего диаметра и толщины стенки. Технология изготовления стеклотаблеток из капилляров достаточно трудоемка. Более 20% стекла идет в отходы и до 10% таблеток могут оказаться забракованными из-за наличия трещин, сколов и сквозных микрокапилляров в стекле.
2. По этой технологии нельзя изготавливать изоляторы с двумя и более отверстиями.

Изоляторы из порошкового стекла имеют следующие достоинства:

1. Технология изготовления из порошкового стекла позволяет получать изоляторы с любыми необходимыми размерами и любой конфигурации, в том числе и со многими отверстиями. Порошковое стекло незаменимо для применения в низкочастотных соединителях, прежде всего в многовыводных соединителях.
2. Изоляторы имеют повышенную прочность и термостойкость и менее подвержены образованию микротрещин при температурных воздействиях.
3. Наличие замкнутой пористости несколько снижает величину диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь порошкового стекла. Это обстоятельство следует учитывать при расчете коаксиальной линии проектируемого соединителя. Наши измерения на частоте 8 ГГц показали, что диэлектрическая проницаемость стекла марки С52–1, изготовленного из стеклянного капилляра, равна 5,2, а стекла, спеченного из порошка, — 5,0. Снижение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь позволяет увеличить широкополосность соединителя и снизить величину потерь.

Недостатками изоляторов из порошкового стекла являются:

1. Низкая точность размеров изоляторов. Допуск на наружный диаметр отечественных изоляторов может быть 0,15 мм. Для сравнения: допуск на наружный диаметр изоляторов, изготовленных из капилляров, равен 0,025–0,040 мм. К тому же размеры изоляторов разных партий недостаточно воспроизводимы, так как зависят от размера зерна порошка, количества связки и температурного режима спекания. Это не позволяет обеспечить приемлемую воспроизводимость электрических параметров соединителей.
2. Непрозрачность такого стекла не позволяет осуществить контроль внутренней геометрии, дефектов и напряжений в стекле оптическими методами, применяемыми для монолитного стекла.

Согласованный или несогласованный металлостеклянный спай?

В согласованном металлостеклянном спае металл и стекло имеют близкие значения ТКЛР в интервале температур от комнатной до температуры размягчения стекла [5]. Согласованность ТКЛР металла и стекла позволяет избежать образования в спае внутренних напряжений или ограничить эти напряжения величиной, неопасной для целостности спая.

Несогласованными (сжатыми, компрессионными) считаются спаи, в которых ТКЛР металла больше ТКЛР стекла. В этом случае в стекле возникают значительные внутренние напряжения сжатия, величина которых должна быть меньше предела прочности стекла.

Деление спаев на согласованные и несогласованные является до некоторой степени условным. Идеально согласованной по ТКЛР пары металл–стекло не существует. Поэтому получить ненапряженный спай практически невозможно. Напряжения всегда возникают и в несогласованном, и в согласованном спае. Важно только, чтобы эти напряжения не превышали предела прочности и приводили к сжатию стекла, а не к его растяжению, так как прочность стекла на сжатие на порядок больше, чем на растяжение [7].

В настоящее время отечественной промышленностью выпускается только два вида стекла с приемлемой диэлектрической проницаемостью: марок С52–1 и С48–2 с коэффициентом термического расширения соответственно 52•10^–7 и 48•10^–7 1/°C. В связи с этим корпус соединителя или СВЧ-ввода изготавливают из сплава 29 НК (согласованный спай) или из стали 15Х25 Т (сжатый спай), а центральный проводник — только из сплава 29 НК [1].

Заключение

Для снижения величин КСВН и потерь и повышения широкополосности герметичных радиочастотных соединителей и СВЧ-вводов необходимо применение изоляторов с точными размерами из стекла с низкими значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. За рубежом для этой цели широко применяют стекло марки Corning 7070. В нашей стране аналог этого стекла в настоящее время не выпускается. Поэтому для создания радиочастотных соединителей и СВЧ-вводов с предельной частотой более 26,5 ГГц приходится приобретать изоляторы этого стекла за рубежом или же использовать конструктивные решения, которые все равно не позволяют получить такие же параметры соединителей, как у зарубежных аналогов [8].