Перспективные материалы подложек для применения в модулях СВЧ

Пассивные компоненты являются неотъемлемой частью любого модуля СВЧ (фильтры, вентили, СВЧ-резисторы, поглотители, аттенюаторы, делители мощности, СВЧ-конденсаторы, СВЧ-индуктивности), к которым предъявляется ряд требований:

• высокий уровень электрических параметров;
• минимальные габариты;
• прочность;
• устойчивость к механическим, температурным, радиационным и др. факторам;
• высокий процент выхода годных изделий;
• низкая стоимость и др.

Все вышеперечисленные требования напрямую зависят от характеристик материала базовой подложки модулей СВЧ (керамика, сапфир, кварцевое стекло и др.), подбор которого является сложной задачей для разработчика ввиду лишь частичного соответствия.

В таблице приведены механические, теплофизические и электрические свойства керамической подложки ВК‑100, которая наиболее распространена в настоящее время, и подложки монокристаллического сапфира, применение которого до недавнего времени ограничивалось нехваткой производственных мощностей и высокой стоимостью.

Использование сапфира в качестве базовой подложки возможно в фильтрах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые находят коммерческое применение в диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц (беспроводные средства радиосвязи). Основным элементом конструкции данных фильтров являются встречно-штыревые электроды, а к отличительным особенностям относят малый вес, габаритные размеры, температурную стабильность, отсутствие необходимости сложной настройки в аппаратуре, а также высокую воспроизводимость и совместимость с текущим полупровод­никовым производством.

Ввиду распространения ПАВ вдоль поверхности и проникновения в глубину материала на расстояние 2–3 длины волны, это оказывает существенные нагрузки на подложку. Благодаря физико-механическим свойствам, а также возможности обеспечить 14‑й класс полировки, оправдан выбор сапфира в качестве базового материала подложки, так как даже небольшое увеличение или уменьшение зазора гребенчатой структуры фильтра приведет к ухудшению его параметров. По сравнению с поликором сапфир более устойчив к механическим воздействиям, имеет меньшее значение коэффициента температурного расширения. Также отличительной особенностью сапфира является отсутствие пор на поверхности (рисунок), что позволяет повысить воспроизводимость, процент выхода годных изделий и исключить настройку изделия.

Рисунок. Фотографии поверхности подложек поликора ВК-100 и сапфира

Другим важным параметром сапфира по сравнению с поликором является большая диэлектрическая проницаемость — 11,5 и 9,7 соответственно, от которой выигрывают

СВЧ-фильтры с точки зрения возможности уменьшения размеров и повышения рабочих характеристик, а меньший тангенс угла диэлектрических потерь tgδ (10^–5) позволяет снизить потери в полосе пропускания.

Переход на сапфировые подложки ранее был осложнен рядом препятствий:

• невозможность обеспечения требуемой минимальной толщины подложки;
• недостаточные мощности по производству сапфировых подложек;
• цена на сапфировую подложку многократно превышала цену на поликор.

Компании «Монокристалл», крупнейшему мировому производителю синтетического сапфира, удалось преодолеть вышеуказанные препятствия за счет непрерывного развития технологий выращивания и обработки, а также сокращения издержек. «Монокристалл» успешно решил ряд задач, которые позволят сапфиру заменить поликор в ряде изделий СВЧ-электроники, а именно:

• Разработана и стандартизирована технология массового производства тонких подложек толщиной до 0,15 мм. Имеются технологии лазерной резки, позволяющие производить резку на кристаллы и выполнять сверление сквозных отверстий диаметром 0,1–0,2 мм.
• За последние пять лет вчетверо увеличен объем производства сапфира, что позволяет предприятию производить до 1 млн подложек в год.
• Удалось в три раза снизить себестоимость сапфира, т. е. его сегодняшняя цена почти сравнялась с ценой поликоровой подложки.

Хотя сапфир выращивают уже более 100 лет, полноценно использовать его превосходные физико-химические свойства человечество начало относительно недавно. На сегодня сапфир — незаменимый компонент в швейцарских часах, светодиодах, мобильных устройствах и ряде оптических применений. Перед этим материалом открываются поистине широкие перспективы, и начало использования в СВЧ электронике — новая глава в его интересной истории.