10 J. Pulec, I. Szendiuch: Planární filtr v tlustovrstvové technologii Roč. 69 (2013) Číslo 3 PLANÁRNÍ FILTR V TLUSTOVRSTVOVÉ TECHNOLOGII Ing. Jiří Pulec, Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Ústav mikroelektroniky; Fakulta elektrotechnicky a komunikačních technologií VUT v Brně, xpulec01@stud.feec.vutbr.cz, szend@feec.vutbr.cz Abstrakt Článek pojednává o realizaci planárního filtru tlustovrstvovou technologií, která nabízí široké možnosti především pro aplikaci pasivních prvků a systémů, a to jak se soustředěnými, tak i s rozloženými parametry. Jsou zde zmíněny také základní požadavky kladené na použité materiály, jež jsou důležitým faktorem ovlivňujícím funkčnost, spolehlivost a také cenu. Planární filtr je jedním z typických příkladů využití vrstvových technologií. Nabízí dobré možnosti prověření vhodnosti tlustovrstvové technologie nejen s ohledem na funkčnost, ale také na reprodukovatelnost a flexibilnost pro tuto oblast aplikací. V článku je popsána realizace planárního tlustovrstvového filtru a jsou zde uvedeny výsledky dosažené měřením, včetně jejich vyhodnocení. Klíčová slova: tlustovrstvová technologie, kmitočový filtr, soustředěné a rozložené parametry Abstract This paper deals with the realization of planar frequency filter realized in thick film technology, providing good opportunity for implementing passive elements with lumped and also distributed parameters. Utilized materials that are the important factor for achieving the requested operation, reliability, and cost, are described. Planar frequency filter is a typical example of the film technology application, offering various opportunities for the verification of the propriety of the thick film technology regarding the flexibility and reproducibility for this application area. The implementation of the planar frequency filter as well as the measuring results and their evaluation are described Keywords: thick film technology, frequency filter, lumped and distributed parameters 1 Úvod Technologie tlustých vrstev na keramickém substrátu je rozšířenou metodou pro realizaci různých typů integrovaných obvodů a nekonvenčních aplikací v moderní mikroelektronice. Jedná se o technologii, která má své výhody (vysoká spolehlivost, stabilita parametrů, flexibilnost atd.) i omezení (tvarování a opracování anorganického substrátu je náročné a obtížné). Avšak pro mikrovlnné obvody je tato technologie zvláště vhodná, neboť umožňuje realizovat nevakuovými technologickými postupy obvody s pasivními prvky jak se soustředěnými, tak i s rozloženými parametry, včetně mikrovlnných páskových vedení. Aktuálnost využití se zvyšuje především proto, že vývoj této technologii dnes již umožňuje dosahovat struktury s rozlišením pod 100 µm. Pokud má být navržený obvod zhotoven s použitím této technologie, je nutné mít dostatek informací o tom, jakým způsobem lze realizovat jednotlivé prvky a dosáhnout tak požadovaných parametrů obvodu. Tento článek popisuje nejprve stručně technologii samotnou a následně návrh tlustovrstvového planárního kmitočtového filtru, jeho realizaci a měření. Pozornost je věnována zvláště tomu, jak při vlastní realizaci postupovat, aby byly dodrženy parametry dané návrhem. 2 Technologie tlustých vrstev Technologie tlustých vrstev je v mikroelektronice jednou ze základních metod vytváření pasivních prvků a funkčních bloků nevakuovým postupem [1-3]. Základním principem je nanášení tixotropních past sítotiskem na keramický substrát a jejich následný výpal na teplotách kolem 850 o C. Vrstvové technologie jsou charakteristické tím, že v jedné fázi výroby vznikají jak jednotlivé obvodové prvky, tak i spoje mezi nimi, což umožňuje integrovat poměrně jednoduchým postupem pasivní sítě na jediný substrát. Při konstrukci těchto zařízení není proto výchozí součástková základna, tak jako u povrchové montáže, ale soubor materiálů sítotiskových past (vodivých, odporových, dielektrických, případně feromagnetických), což při realizaci jednotlivých prvků i jejich kombinací dává široké aplikační možnosti [4-6]. Při návrhu je nutno brát ohled na to, že pro realizaci daného typu struktur nejsou důležité pouze funkční vlastnosti, ale i jejich vlastnosti technologické. Ty jsou mnohdy rozhodující pro dosažení požadovaných parametrů a do značné míry ovlivňují spolehlivost daného systému, a tím i použitelnost uvažované technologie pro konkrétní aplikace. Charakteristická je pro tuto technologii dobrá stabilita vodivých, odporových i dielektrických vrstev, a to elektrická i teplotní, dále dobrá adheze k substrátu, pájitelnost, mechanická odolnost, snadná technologická opracovatelnost a řada dalších faktorů. 2.1 Stručné materiálové charakteristiky Keramické substráty, na něž je integrována tlustovrstvová struktura, jsou u hybridních integrovaných obvodů nosným prostředím. U obvodů mikrovlnných nicméně funkce substrátu spočívá i ve vytvoření prostředí funkčního. Obvod je zde vytvořen na horní (lícové) straně dielektrického substrátu, zatímco spodní strana (rubová) je zpravidla opatřena vodivou vrstvou, která slouží jako zemnící plocha. Protože je nosný substrát již přímo funkční součástí mikrovlnné struktury, je nutné, aby měla co nejlépe a nejpřesněji definované parametry (dielektrická permitivita, ztrátový činitel atd.). Požadavky na substráty jsou tedy mnohem náročnější ve srovnání s běžnými vrstvovými integrovanými obvody, pracujícími na nižších kmitočtech (nazývanými při doplnění o polovodičové čipy hybridní integrované obvody). Substrát by měl mít pro mikrovlnné aplikace kromě malé drsnosti vysokou hodnotu relativní permitivity (ε r 10) a nízký ztrátový činitel [5]. U žádného ze současných materiálů nejsou splněny všechny kladené požadavky, a proto je výběr konkrétního materiálu obyčejně kompromisem, kde rozhoduje typ příslušné aplikace.
Roč. 69 (2013) Číslo 3 J. Pulec, I. Szendiuch: Planární filtr v tlustovrstvové technologii 11 Pro vodivé vrstvy, jejichž základem jsou ušlechtilé kovy (Ag, Pd, Au, Pt) tvořící se skelnou složkou amorfní strukturu, vyplývají požadavky z jejich účelu. Prvořadým požadavkem je nízká hodnota plošného odporu kolem 5 mω/ (charakteristická hodnota plošného odporu tlustovrstvových vodivých past je v rozsahu od 2 mω/ do 20 mω/ podle typu vodivého materiálu) a také dobrá mechanická i teplotní stabilita a odolnost. Dalšími požadavky jsou dobrá adheze k substrátu, pájitelnost standardními pájkami, a z pohledu zpracování snadné a relativně nenáročné nanášení v normální atmosféře. Tlustovrstvové odporové pasty jsou vytvořeny na bázi směsí ušlechtilých kovů, oxidů a skelných složek, jejichž podíl reguluje hodnotu odporu. K dispozici je dekadická řada sítotiskových odporových past od 10 Ω/ až po 10 MΩ/. Zde jsou základními požadavky dobrá stabilita odporové hodnoty a také její nízká teplotní závislost (charakteristická hodnota je kolem 100 ppm.k -1 ). Dielektrická vrstva je u mikrovlnných struktur přímo aktivní částí obvodu. Proto je zde požadována mimo jiné reprodukovatelná relativní permitivita, definovaný izolační odpor (závisí na tloušťce vrstvy) a s tím související odolnost proti průrazu. Dosahované hodnoty měrné kapacity jsou od několika pf/mm 2 do několika tisíc pf/mm 2, kde horní hranice je limitována Lichteneckerovým vztahem (dielektrický materiál je smísen s tavivovou skelnou složkou, která snižuje nelineárně výslednou relativní permitivitu) [7]. 2.2 Realizace pasivních prvků Tlustovrstvová technologie na keramickém substrátu umožňuje na rozdíl od povrchové montáže na deskách plošných spojů možnost vytvořit v jediném technologickém kroku nejen pasivní součástky, ale i spoje mezi nimi. To platí jak pro rezistory, tak i kapacitory a induktory. Pro mikrovlnné aplikace je tato skutečnost obzvláště významná, neboť nabízí široké možnosti především pro poslední dva typy součástek. Induktory lze v tlustovrstvové technologii realizovat jako plošné (vrstvové) struktury, které jsou vytvořeny buď jako planární, spirálovitě (kruhově) vinuté, nebo jako pravoúhlé závitnice, vždy s druhým vývodem umístěným uvnitř obrazce. Samostatným problémem je vyvedení terminálu ze středu cívky. Toto vyvedení lze provést buď technologií drátkového propojení (wirebonding), přemostěním pomocí součástky s nulovým odporem, nebo vytvořením izolační vrstvy a následným natisknutím další vodivé vrstvy (propoje) před tuto izolační vrstvu. Kapacitory v tlustovrstvové technologii jsou nejčastěji realizovány jako vrstvové. Základní technologický postup spočívá ve vytvoření spodní vodivé vrstvy, na kterou je následně natisknuta izolační vrstva, která slouží jako dielektrikum. Je nutné nanášet dielektrikum alespoň ve dvou vrstvách (tloušťka je obyčejně pro daný typ pasty definovaná výrobcem, nejčastěji kolem 40 µm), aby se zabránilo vznikům zkratů mezi vodivými vrstvami. Kapacita výsledné struktury je dána plochou elektrod, tloušťkou dielektrika a jeho permitivitou [4]. Alternativní metodou je realizace interdigitálních kapacitorů, realizovaných jako hřebínkové struktury. Elektrody mají podobu dvou hřebínků umístěných v jedné rovině. Mezi těmito hřebínky je izolační mezera (tvořená vzduchem), která slouží jako dielektrikum. Toto řešení vyžaduje natištění pouze jediné vrstvy vodivé pasty, ale dosahované výsledné kapacity jsou poměrně malé (řádově několik pf). Vlastní výpočet kapacity interdigitálního kapacitoru i konečné dostavování jmenovité hodnoty kapacity jsou složitější. 3 TLV filtr typu pásmová propust Pro ověření, jak se parametry vyrobené struktury liší od parametrů struktury navržené, byl proveden s využitím softwarového nástroje Ansoft Designer návrh tlustovrstvového planárního filtru třetího řádu. Tento nástroj umožňuje volbu typu aproximace. V tomto případě byl použit kompromis mezi Čebyševovou a Butterworthovou aproximací. Takto navržený filtr byl realizován na keramickém korundovém substrátu kompletně tlustovrstvovou technologií a následně proměřen. 3.1 Návrh filtru Planární kmitočtový filtr je navržen pro propustné pásmo od 100 MHz do 215 MHz. Při návrhu se počítá s ideálně soustředěnými parametry. Navržený obvod sestává z induktorů a kapacitorů. Pro výpočet parametrů byl použit návrhový systém Ansoft Designer. Uvedené hodnoty parametrů byly zvoleny s ohledem na požadavky odpovídající technologii tlustých vrstev. Ta má rovněž jistá omezení (rozlišení), takže musí být zachovány rovněž požadavky na reprodukovatelnost celého systému. Elektrické schéma obvodu navrženého kmitočtového filtru pracujícího jako pásmová propusť je uvedeno na obr. 1. Obr. 1. Schéma kmitočtového filtru. Z pohledu celkového uspořádání se pásmová propust skládá ze čtyř vrstev, jež jsou aditivním postupem nanášeny v následujícím uspořádání: Vodivá vrstva pro vytvoření vodičů, spodních vrstev kapacitorů a induktorů. Izolační vrstva pro dielektrikum kapacitorů. Izolační vrstva pro překrytí induktorů a vyvedení terminálů. Vodivá vrstva pro vyvedení terminálů a vytvoření horní elektrody kapacitorů. Navržené induktory mají formu planárních pravoúhlých závitnic, jejichž střední vývod je realizován druhou vodivou vrstvou, izolovanou od spodní vodivé vrstvy izolační mezivrstvou. Kapacitory jsou navrženy jako klasická třívrstvová struktura. Byla zvolena šířka vodičů 400 μm, což dostatečně splňuje požadavek na dosažení malého odporu.
12 J. Pulec, I. Szendiuch: Planární filtr v tlustovrstvové technologii Roč. 69 (2013) Číslo 3 Materiálem substrátu je korundová keramika (Al 2 O 3 ), jejíž tloušťka je 0,65 mm a rozměry 50 x 50 mm. Průměrná drsnost substrátu je přibližně 2 µm. 3.2 Realizace filtru Schéma navrženého obvodu z obr. 1 bylo převedeno do planárního uspořádání, které je výchozí pro vytvoření obrazců motivů pro nanesení jednotlivých vrstev. Ty tvoří podklad pro realizaci masek a následně sítotiskových šablon s pomocí standardních litografických postupů [1], [5]. Při realizaci jsou tak v tomto případě postupně vytvářeny tři vrstvy, vodivá, dielektrická a opět vodivá. Pro vodivou vrstvu byla použita sítotisková pasta na bázi stříbra a paladia ESL 9695 - G [11], jejíž základní parametry jsou uvedeny v tab. 1. Navržená struktura je umístěna na čtvercovém substrátu o straně 25 mm. Vzhledem ke standardnímu rozměru substrátů 50 mm x 50 mm jsou umístěny na jediném substrátu (waferu) čtyři pásmové propusti. Filtr je realizován standardním procesem tlustých vrstev. Každá vrstva je natisknuta jednou, kromě vrstvy pro překrytí induktorů a vyvedení terminálů, která je tištěna dvakrát. Výpal každé vrstvy následuje přibližně (5 10) minut po natisknutí, aby došlo k vyrovnání povrchu. Po výpalu na teplotě žárového pásma 850 o C byla získána integrovaná struktura, u níž byla pro kontrolu změřena tloušťka natisknutých vrstev. U vodivé vrstvy je tloušťka 10 µm, u dielektrické vrstvy 12 µm a tloušťka dielektrické vrstvy sloužící k překrytí induktoru pro vyvedení středního vývodu je 35 µm. Tab. 1. Použité tlustovrstvové materiály (pasty). Vodivá pasta ESL 9695 - G Rezistivita 3 6 mω/ Tloušťka po výpalu 10 µm Dielektrická pasta ESL 4917 Tloušťka po výpalu 12 µm Relativní permitivita 8-11 Ztrátový činitel 0,4 % Kapacitory byly realizovány s ohledem na požadovanou tloušťku dielektrické vrstvy a permitivitu sítotiskovou pastou ESL 4917 [11], jejíž hodnota permitivity je přibližně 10. Jak již bylo zmíněno, z předloh se generují jednotlivé filmové masky pro vytvoření vlastní šablony na sítech. Na síta je nanesena světlocitlivá emulze a následnou expozicí přes filmové masky jsou vytvrzeny části, které mají na sítu zůstat, zatímco plochy určené pro nanesení pasty se vypláchnou vodou. Byla použita ocelová síta s hustotou ok 320 mesh (počet ok na palec) pro vodivé vrstvy a 160 mesh pro vrstvu dielektrickou. Obr. 3. Pohled na realizovaný filtr. Tímto způsobem byly realizovány tři substráty, z nichž každý obsahuje čtyři obrazce filtru. Na obr. 3 je zobrazen realizovaný obvod. 3.3 Měření filtru Vyrobené vzorky byly zapouzdřeny do kovových boxů opatřených SMA konektory. Pohled na realizovaný box je zobrazen na obr. 4. Tento box slouží jako ochrana před elektromagnetickým polem, které by mohlo ovlivnit měření a rovněž chrání obvod před mechanickým poškozením. Obr. 2. Topologie uspořádání filtru na substrátu. Na obr. 2 je znázorněno topologické uspořádání navrženého kmitočtového filtru, kde je dobře patrné rozložení jednotlivých pasivních prvků. Jak je dále zřejmé z obrázku, vývody jsou uspořádány v dolní části substrátu. Obr. 4. Kovové pouzdro pro měření. Měření bylo provedeno s použitím vektorového analyzátoru při kmitočtech od 10 MHz do 300 MHz. V tomto kmitočtovém pásmu byly vyneseny charakteristiky. Cílem bylo především získat amplitudovou charakteristiku filtru, jejíž propustné pásmo by se mělo nacházet od 100 MHz do 215 MHz.
Roč. 69 (2013) Číslo 3 J. Pulec, I. Szendiuch: Planární filtr v tlustovrstvové technologii 13 3.4 Dosažené výsledky Cílem bylo ověřit skutečné kmitočtové charakteristiky, aby bylo možné provést srovnání parametrů realizovaného planárního filtru s parametry, které byly uvažovány při návrhu. Naměřená amplitudová kmitočtová charakteristika je znázorněna na obr. 5. Obr. 5. Amplitudová kmitočtová charakteristika definující přenos filtru. Propustné pásmo realizovaného planárního kmitočtového filtru se původně na základě výpočtu mělo nacházet mezi 100 MHz a 215 MHz. Propustné pásmo filtru začíná na teoreticky vypočtené hodnotě 100 MHz, nicméně ve své horní části sahá přibližně do kmitočtu 170 MHz namísto vypočítaných 215 MHz. Propustné pásmo je tedy užší, jeho skutečná šířka je 70 MHz. Tento posun je způsoben parazitní induktivní vazbou, což je blíže uvedeno v kapitole 4. Největší přenos je na kmitočtu 135 MHz, útlum na kmitočtu 200 MHz je 20 db. Strmost charakteristiky na dolním okraji propustného pásma je přibližně 20 db/okt. Obr. 6. Obr. 7. Průběh S11 parametrů. Průběh S22 parametrů. Byly proměřeny parametry S11 a S22, které vyjadřují součinitele napěťového odrazu pro vstupní a výstupní bránu. Tyto parametry by měly být u pasivního symetrického systému identické, což je částečně splněno. Výsledky naměřených parametrů S11 a S22 jsou uvedeny na obr. 6. a na obr. 7. Z obrázků je patrné, že změřené parametry vykazují hrubou shodu. Pro ověření vhodnosti tlustovrstvové technologie bylo důležité, jak se parametry navržených základních prvků a struktur liší od parametrů struktur realizovaných. Navrženy byly kapacitory s kapacitou 14,05 pf, ale realizovat se podařilo kapacity od 15,3 pf do 15,7 pf, což je v toleranci přibližně 10 %. Toto je z celkového pohledu dobrý výsledek, měření ale ukázalo, že problém může nastat ve vlastní realizaci kapacitoru, kde se může projevit snížený izolační odpor, nebo dokonce zkrat. To se projevilo z celkového počtu 36 stejných kapacitorů (tři na každém obrazci) u pěti z nich. Příčinou jsou nehomogenity v dielektrické vrstvě, která byla za účelem dosažení požadované kapacity natisknuta pouze jednou. Tím se potvrdila nutnost nanášet dielektrikum alespoň ve dvou vrstvách. 4 Shrnutí a závěr Realizovaná tlustovrstvová struktura má vlastnosti požadované od filtru typu pásmová propust. Dosažená strmost kmitočtové charakteristiky je dobrá, případnou korekci šířky pásma by bylo možné provést úpravou topologie obvodu. Útlum v propustném pásmu je nízký, zisk na kmitočtu 200 MHz je kolem 20 db. Výsledky jsou ovlivněny vznikem para-zitní nuly přenosu, která je důsledkem parazitní induktivní vazby mezi induktory a která je příčinou snížení horního mezního kmitočtu. Tyto výsledky byly dosaženy u konfigurace, která byla realizována standardní tlustovrstvovou technologií, bez využití další optimalizace, především bez minimalizací magnetických vazeb mezi součástkami. To by představovalo optimalizovaný návrh s uvažováním i vf transformátorových vazeb. V tomto článku byla zaměřena pozornost především na technologické řešení, které však, jak se ukázalo, přímo souvisí s obvodovým návrhem. Proto je také propustné pásmo poněkud užší, než jak bylo předpokládáno v návrhu. Na základě dosaženého výsledku je možno potvrdit, že tlustovrstvová technologie je vhodnou metodou pro realizaci nejen kmitočtových filtrů, ale obecně také pro realizaci mikrovlnných obvodů. Je nutné věnovat zejména pozornost návrhu pasivních prvků, a to jak realizaci tlustovrstvových kapacitorů, aby se zabránilo vzniku zkratů, tak také planárních induktorů, kde přesnost jednoduchého analytického výpočtu je ovlivňována celou řadou technologických faktorů. Z toho je zřejmé, že je nutné spojit obvodové a technologické řešení do jednoho celku a provádět je současně. V případě prvků s rozloženými parametry poskytuje tlustovrstvová technologie dobré možnosti, kde zvláště pak realizace nesymetrického páskového vedení umožňuje v kombinaci s ostatními konfiguracemi prvků realizovat relativně levné obvody s vysokou spolehlivostí [10]. Zde je ale třeba se zaměřit na dosažení reprodukovatelné hodnoty rozlišení méně než 100 µm. To spolu s dobrou flexibilitou pro modifikaci obvodů dle požadavků zákazníka, jež není investičně náročná, dává dobré předpoklady pro řešení mikrovlnných zákaznických obvodů tlustovrstvovou technologií.
14 J. Pulec, I. Szendiuch: Planární filtr v tlustovrstvové technologii Roč. 69 (2013) Číslo 3 Poděkování Zdroje pro výzkum byly získány z grantového projektu Vysokého učení technického v Brně, FEKT-S-11-5/962 s názvem Výzkum excelentních technologií pro 3D pouzdření a propojování. Literatura [1] Brown, R. Materials and Processes for Microwave Hybrids. Reston, VA: ISHM, 1991, 294 p., ISBN 0-930815-31-9. [2] Ulrich, R. K., Schaper, L. W. Integrated Passive Component Technology. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2003, 377 p., ISBN 0-471-24431-7. [3] Podprocky, T., Vandercasteele, B., De Baets, J., Van Calster, A., Bansky, J. Integration of Thick Film Resistors in a Multilayer Structure. 26th International Spring Seminar on Electronics Technology, May 8 11, 2003. [4] Szendiuch, I. Technologie elektronických obvodů a systémů. VUTIUM, 2002, ISBN 80-214-2072-3. [5] Ishida, A., Hatagi, K. Hybrid IC Packaging Technology for Microwave Communication Systems. Proc. of the 1982 Int. Microelectronics Conference, IMC 1982, May 24-26, 1982, Keio Plaza Hotel, Tokyo, Japan, 445 p. [6] Nishiki, S., Yuki, S. Thick Film Microstrip Loss in Microwave Region. Proc. of the 1982 Int. Microelectronics Conference, IMC 1982, May 24-26, 1982, Keio Plaza Hotel, Tokyo, Japan, 445p. [7] Harper, CH. A. Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics. McGraw-Hill, New York, 1970. [8] Conn, D. R., Naguib, H. M., Anderson, C. M. Mid-Film for Microwave Integrated Circuit. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, vol. CHMT-5, No. 1, March 1982. [9] Ilgenfritz, R. E., Mogey, L. E., Walter, D. W. A High Density Thick Film Multilayer Process for LSI Circuits. IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging, vol. PHP-10, No. 3, September 1974. [10] Munawar, A., Riad, M. S., Riad, A.A.R, Stephenson, F. W. An ALL Thick-Film Stripline Conduction. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, vol. CHMT-5, No. 3, September 1982. [11] Electro Science Laboratories, Product Catalogue, 2012.