Широкополосные СВЧ-переключатели для поверхностного монтажа

Введение

Наиболее востребованным вариантом исполнения изделий для частот вплоть до 20 ГГц являются корпусированные изделия, причем для указанных частот предпочтительным считается корпус типа QFN или его конструктивные аналоги. Востребованность корпусированных изделий связана в первую очередь с доступностью технологии печатных плат и поверхностного монтажа компонентов.

Несмотря на широкое использование зарубежных СВЧ-изделий в корпусах типа QFN, отечественных аналогов таких корпусов для частот до 20 ГГц практически нет. В данной публикации представлены результаты разработки АО «НИИПП» корпусированных микросхем на примере широкополосных СВЧ-переключателей — аналогов микросхем HMC547ALC3 и HMC641LC4 [1].

Технология изготовления

АО «НИИПП» обладает базовыми технологиями изготовления СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) на основе pHEMT-технологии с длиной затворов 0,15; 0,25 и 0,5 мкм. При изготовлении МИС используются гетероструктуры отечественного производства. Для диапазона частот 0,01–20 ГГц вполне достаточно длины затвора 0,5 мкм, технология с указанной топологической нормой характеризуется меньшей сложностью и более высоким процентом выхода годных изделий. Гетероструктурные переключательные транзисторы, изготовленные по этой технологии, характеризуются следующими основными параметрами: сопротивление открытого канала R_с-и = 1,9 Ом∙мм; емкость закрытого канала C_с-и = 0,2 пФ/мм; ток насыщения I_{с-и.нас.} = 300 мА/мм; напряжение отсечки U_отс = 1 В. Необходимо отметить, что конфигурация гетероструктуры рассчитывалась и оптимизировалась для достижения требуемых параметров транзистора в том числе для получения напряжения отсечки 1 В, что позволило сформировать эффективный ТТЛ-драйвер управления на кристалле СВЧ-переключателя без дополнительных технологических операций.

Кроме технологий изготовления МИС, на предприятии внедрена технология LTCC-керамики [2], с использованием которой были изготовлены СВЧ-корпуса для переключателей типа QFN. Для нескольких типов кристаллов был разработан унифицированный корпус 4×4 мм с 20 выводами. Необходимо отметить, что для достижения лучших СВЧ-характеристик корпуса внутренняя топология контактных площадок оптимизирована с учетом параметров разварочной проволоки, соединяющей контактные площадки кристалла с контактами корпуса. При изготовлении корпусов используются керамические материалы и проводящие пасты отечественного производства.

Представленная технология позволяет проводить групповое корпусирование кристаллов, при котором в LTCC-палету в автоматическом режиме монтируются кристаллы с последующей разваркой, затем монтируется общая крышка, проводится маркировка и разделение палеты на отдельные корпуса. Размер палеты может достигать 20×20 корпусов. При необходимости возможно корпусирование в одиночные корпуса.

На предприятии разработан целый ряд СВЧ-корпусов типа QFN с размерами от 2×2 до 10×10 мм и проводятся их испытания. В настоящее время доступны образцы корпусов, на которые уже получены положительные отзывы потребителей. Серийный выпуск изделий запланирован на 2019 год. Кроме имеющихся корпусов, возможна разработка изделий по технологии LTCC-керамики по требованиям заказчика.

Полученные результаты

На рис. 1 представлена фотография LTCC-палеты размером 4×3 (вид сверху — слева, вид снизу — справа) с корпусами 4×4 мм.

Рис. 1. Внешний вид LTCC-палеты

Рис. 2. СВЧ-характеристики корпуса

На рис. 2 показаны СВЧ-характе­ристики, измеренные для корпуса со смонтированной микрополосковой линией (рис. 3). Здесь видно, что вносимые потери корпуса, включая микрополосковую линию и разварочную проволоку, составляют 0,3 дБ на частоте 20 ГГц и 0,9 дБ на частоте 40 ГГц.

Рис. 3. Внешний вид корпуса без крышки со смонтированной микрополосковой линией

На рис. 4 представлена фотография СВЧ-переключателя 1×4 М44278.

Рис. 4. Внешний вид СВЧ-переключателя 1×4 М44278

На рис. 5 и рис. 6 показаны измеренные характеристики СВЧ-переключателей 1×2 М44277 и 1×4 М44278 соответственно. СВЧ-переключатели характеризуются следующими основными параметрами: диапазон рабочих температур: –60…+85 °C; напряжение питания: –5 В; ток потребления: не более 2 мА для переключателя 1×2 и не более 8 мА для переключателя 1×4; напряжение управления низкого уровня 0–0,5 В; напряжение управления высокого уровня 4–5 В; ток управления не более 0,5 мА; вносимые потери в рабочем диапазоне частот —  не более 2,5 дБ для переключателя 1×2 и не более 4,0 дБ для переключателя 1×4; развязка в рабочем диапазоне частот не менее 35 дБ; время переключения не более 50 нс; входная мощность P1дБ в диапазоне частот 0,5–20 ГГц не менее 20 дБм. В таблице представлены основные характеристики разработанных переключателей и характеристики зарубежных аналогов.

Рис. 5. Характеристики СВЧ-переключателей 1×2 М44277

Рис. 6. Характеристики СВЧ переключателей 1×2 М44278

Для измерения СВЧ-характеристик корпусированных переключателей на предприятии было разработано контактирующее устройство, показанное на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид контактирующего устройства

Для удобства использования в контактирующем устройстве реализован магнитный прижим, что значительно повысило скорость измерения корпусированных изделий. На рис. 8 показаны СВЧ-характеристики контактирующего устройства.

Рис. 8. СВЧ-характеристики контактирующего устройства

Заключение

На основе базовых технологий АО «НИИПП» были изготовлены широкополосные СВЧ-переключатели для поверхностного монтажа. Для достижения представленных результатов проведен комплекс работ, включающий создание топологий МИС и корпусов, изготовление фотошаблонов, МИС и корпусов, разработку программ и методик испытаний, а также испытательной и измерительной оснастки. В настоящее время проводятся испытания переключателей. Образцы изделий будут доступны к началу 2019 года. Серийный выпуск изделий планируется начать в конце 2019 года.