July 25, 2018
بستر متالیزه شده مس مستقیم و کاربرد آن در مدارهای مایکروویو
یک تکنیک Substrate متالیزه شده با مس (DPC) مستقیم به کار رفته و در این مقاله مشخص شده است. پیشنهاد شده DPC متالیزه Substrate ارائه می دهد مزایای اصلی از مدیریت حرارتی عالی و ویژگی های فرکانس بالا، با توجه به ...
فرآیند مستقیم مس (DPC) روی سوبستر سرامیکی متالیزه در اصل برای جایگزینی فرآیند متصل مستقیم مس (DBC) به دلیل عملکرد بهتر الکتریکی، حرارتی و مکانیکی آن ایجاد شده است. 1 در مقایسه با DBC، DPC به دلیل استفاده از یک لایه پیوند پی وی سی، یک پیوند قوی بین آلومینیوم Al2O3 / AlN و فلز مس را ایجاد می کند. 2 DPC همچنین توانایی خوبی در کنترل ضخامت برای لایه مس از بسیار نازک تا بسیار ضخیم دارد. برای طرح ریزی خوب، حداقل عرض هادی / فاصله 3 میلی ثانیه را می توان به آسانی به دست آورد، و از طریق سوراخ ها با مس برای ویژگی های الکتریکی و حرارتی خوب پر شده است. با استفاده از DPC پیشنهاد شده، عملکرد برتر را می توان در مقایسه با سایر تکنولوژی ها از لحاظ ویژگی ها و کاربردهای آن بدست آورد، که شامل تراکم مدار بالا، ویژگی های فوق العاده با فرکانس بالا، کنترل حرارتی عالی و عملکرد انتقال گرما، کشش برجسته و سیم ویژگی های مونتاژ باند بنابراین این زیردریایی DPC می تواند به طور گسترده ای برای اجزای فرکانس بالا مورد استفاده قرار گیرد که نیاز به قدرت بالا و گرمای زیاد دارند.
در این مقاله، ساخت DPC به طور خلاصه با نمودار جریان فرآیند، برای معرفی چند ویژگی کلیدی این فرآیند، شرح داده می شود. سپس یک مشخصه ساده الکتریکی برای زیربنای DPC برای استخراج ثابت و عدد دی الکتریک با فرکانس بالا استفاده می شود. در نهایت، یک فیلتر باند گذار خطی با برد 10 گیگاهرتزی به منظور اعتبار سنجی پارامترهای دی الکتریک استخراج شده و عملکرد فرکانس عالی فرمت یک سوپاپ متالیزه DPC طراحی شده است.
مستقیم مس فرآیند
کل فرایند DPC عمدتا شامل مراحل نمایش داده شده در شکل 1 می شود که شامل تعریف حفره ها در بستر سرامیکی، اسپری کردن یک فیلم مسی بر روی بستر سرامیکی، تشکیل یک فیلم خشک بر روی پلیمر مس، تشکیل یک نمودار مدار با قرار گرفتن در معرض و توسعه، پوشش منجر به مس، از بین بردن فیلم خشک و اسیف زدن مس فلز بذر. 3 فرآیندهای دقیق توسط SP Ru، 4 با توضیحات و طرح های تئوریک بیشتر شرح داده شده است.
شکل 1 نمودار جریان DPC.
با نمودار جریان نشان داده شده است، فرایند DPC با تعریف سوراخ های روی سرامیک سرامیکی با لیزر آغاز می شود. این سوراخ ها می تواند به عنوان سوراخ های سوراخ برای ارتباط بین هر دو طرف بستر سرامیکی مورد استفاده قرار گیرد، اگر لازم است برای برخی از طرح های خاص طراحی شده است. سپس یک فیلم مسی، که به عنوان یک لایه بذر فلزی بکار می رود، بر روی دو طرف متقاطع بستر سرامیکی، به طوری که با یک لایه مس پوشیده می شود، پراکنده می شود. از اثر هنری که نمودار مدار را توصیف می کند، فتوشاپ با تکنولوژی فتوشاپ معمولی ساخته شده است. فتوشاپ به طور مساوی قرار گرفته و به فیلم خشکی روی بستر سرامیکی، که به یک محفظه افقی منتقل می شود، بستگی دارد.
پس از ایجاد خلاء در محفظه افقی، اشعه ماوراء بنفش، فیلم خشک را از طریق فتوشاپ، که توسط اشعه ماوراء بنفش پلیمریزاسیون می شود، اشعه می کند. فیلم خشک، که توسط اشعه ماوراء بنفش تابش نمی شود، واکنش نشان نمی دهد و ترکیب شیمیایی آن را حفظ می کند. فرایند توسعه بخشی از پلیمریزاسیون فیلم خشک را با تمیز کردن شیمیایی یا تمیز کردن فیزیکی می گیرد. به این ترتیب، برخی از قطعات فیلم مسی از فیلم خشک در معرض قرار می گیرند؛ آن بخش هایی از فیلم مس، نمودار تولیدی مورد نیاز را به عنوان کارهای هنری مدار تشکیل می دهند، به منظور تولید مساحت مورد نیاز یک مدار در بستر سرامیکی. بنابراین، طرح مدار می تواند بر روی فیلم خشک چاپ شده است.
سپس مس برای پر کردن قسمت های قابل رویت از فیلم خشک بر روی بستر سرامیکی، با ضخامت و عرض رسانای مناسب، توسط یک تکنیک پوشش برای تشکیل مدار مس ضمیمه می شود. با استفاده از فرآیندهای فوق، مدار مدار متالیزه دارای ویژگی های باریک، صاف و صاف است و اتلاف گرما خوب است. سپس نیکل و طلا روی سطح بالایی مس سپر می شوند. فیلم نیکل از اتمهای مس منجر به پخش شدن در فیلم طلا جلوگیری می کند. این فیلم طلا از اکسیداسیون سطح هادی جلوگیری می کند و چسبندگی سیم سیمهای طلا را بهبود می بخشد. مقاومت نوری روی سطح بالایی مس تشکیل شده است. فیلم خشک باقی مانده روی بستر سرامیک سپس برداشته می شود. پس از سلب کردن فیلم خشک، مدار مس با استفاده از فیلم های نیکل و طلایی محافظت می شود. فرآیند فیلم جدا شده از روی مس، فیلم مسی را که توسط مقاومت نوری محافظت نمی شود، رفع می کند.
با توجه به فرآیندهای توصیف شده و مواد مورد استفاده، چند ویژگی کلیدی فرآیند DPC را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
· عملکرد حرارتی فوق العاده
خطوط هادی کم مقاومت الکتریکی
· پایدار تا دما> 340 درجه سانتی گراد
· موقعیت مکانی دقیق، سازگار با مونتاژ خودکار و فرمت بزرگ
· وضوح خط دقیق اجازه می دهد تا تراکم بالا از دستگاه ها و مدار
· قابلیت اطمینان قابل اعتماد
· ساخت و ساز سرامیک مکانیکی ناهموار
· کم هزینه، راه حل سرامیک با کارایی بالا
برنامه های کاربردی Substrate فلزی DPC را می توان بر روی LED با وضوح بالا (HBLED)، بسترهای سلول های غلظت دهنده ی خورشیدی، بسته بندی نیمه هادی قدرت و کنترل موتور موتور انتخاب کرد. علاوه بر این، زیربنای DPC با عملکرد الکتریکی بسیار عالی می تواند برای اجزای RF / مایکروویو مورد توجه قرار گیرد که نیاز به خسارت بسیار کم دارند.
استخراج ویژگی های برق
برای استفاده از زیربنای DPC برای برنامه های RF / مایکروویو، خواص دی الکتریک باید استخراج شود. خصوصیات دی الکتریک یک مسئله بسیار مهم برای طرح های بسته بندی الکترونیکی است زیرا رفتار الکتریکی به طور قابل توجهی تحت تاثیر ثابت های دی الکتریک و دی الکتریک در فرکانس های بالا قرار می گیرد.
شکل 2 رزوناتورهای موازی با میکرواستریپ DPC با اتصالات خروجی متمایز: (a) PCMR1 و (b) PCMR4.
روشهای متعدد گزارش شده در ادبیات منتشر شده وجود دارد. 5-8 بسیاری از این روش ها یک یا چند محدودیت دارند، از جمله ابزار گران قیمت و پیچیده، وسایل سخت گیر برای ساخت، خواص دی الکتریک اندازه گیری شده تنها برای یک فرکانس خاص، تکرارپذیری ضعیف و عدم توانایی برای به دست آوردن هر دو ثابت دی الکتریک و از دست دادن دی الکتریک . با این حال، در این مقاله، یک روش ساده برای بدست آوردن عوامل دی الکتریک دقیق برای طراحی و شبیه سازی بیشتر بستر استفاده می شود.
Holzman از یک مدل کامپیوتری از رزوناتور برای استخراج داده های دی الکتریک استفاده کرد. 9 هنگامی که مدار به طور دقیق با یک شبیه ساز طراحی کامپیوتری (CAD) مدل سازی می شود، خواص دی الکتریک سوبسترا می تواند با مقایسه پیش بینی های شبیه ساز با ویژگی های اندازه گیری شده تعیین شود. این روش تجربی / تحلیلی توسط تعدادی از محققان در زمینه مایکروویو نشان داده شده است.
شکل 3 نتایج محاسبه شده و شبیه سازی شده برای رزوناتورهای موازی با میکرواستریپ: (a) PCMR1 و (b) PCMR4.
بنابراین، برای استخراج داده های دی الکتریک با فرکانس بالا برای زیربخش DPC، دو رزوناتور مجهز به میکروپرداز اصلاح شده با زوایای متمایز در یک پهنای باند وسیع ساخته شد. شکل 2 عکس های رزوناتورهای میکروستریپ موازی (PCMR) را نشان می دهد. PCMR1 نشان دهنده انتقال صفر با عمق بیشتر در فرکانس های پایین است؛ PCMR4 نسل های انتقال را با عمق عمیق تر در فرکانس های بالاتر تولید می کند. دو رزوناتور یک ساختار دوبعدی با فاصله خط از 570 میلی ثانیه و یک فاصله بین 12 میلی ثانیه، اما اتصالات خروجی مخالف دارند. از اندازه گیری دو PCMR، این صفرها برای تعریف مقادیر دی الکتریک صحیح با دقت خوب زیر پاسخ فرکانس پهنای باند کافی است. با این حال، اولین انتقال صفر برای PCMR1 و PCMR4 به ترتیب 5.2 و 4.2 GHz است و تقریبا در هر فرکانس رزونانس در طول باند تکرار می شود. برای ایجاد یک شبیه سازی اولیه از رزوناتورها، یک ثابت دی الکتریک 9.5 و یک ضریب دی الکتریک 0.004 برای شبکۀ DPC در شبیه سازی ADS Momentum فرض شد.
تنظیم تست شامل تجزیه و تحلیل شبکه Agilent E8364A، یک تست Universal Test Anritsu با دو پورت ورودی کواکسیال K-connector و یک Subcontent متالیزه DPC با رزوناتورهای میکرو استریپ بود. علاوه بر این، یک کالیبراسیون TRL با استفاده از کیت کالیبراسیون ساخته شده DPC برای کالیبره کردن در همان صفحه مرجع PCMR اتخاذ می شود. مقایسهی بین تلفات متحرک و اندازهگیری شده برای PCMR1 و PCMR4 در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 4 نتایج محاسبه شده و شبیه سازی شده برای رزوناتور موازی با میکرواستریپ.
از اندازه گیری ها، واضح است که مقادیر دی الکتریک فرض شده در خطا، با خطا در فرکانس های بالاتر افزایش می یابد. برای استخراج ثابت ثابت دی الکتریک و از دست دادن دی الکتریک، این مقادیر در ADS Momentum تنظیم شده است تا با پاسخ فرکانس مطابقت کند تا صفر پیش بینی شده با صفر اندازه گیری شده مطابقت داشته باشد. شکل 4 نتایج مناسب برای دو PCMR تا 14 گیگاهرتز را نشان می دهد، پس از تنظیم پارامترهای دی الکتریک. در این حالت، افزایش این دو پارامتر زیربنای DPC از 9.5 به 9.75 برای ثابت دی الکتریک و 0.0004 تا 0.002 برای کاهش دی الکتریک است. این مقادیر دقیق تر از داده های احتمالی در فرکانس های بالاتر هستند و می توانند به طور گسترده ای برای طراحی و شبیه سازی سوبسترا استفاده شوند.
شکل 5 عکس های فیلتر خطی موازی 10 گیگاهرتزی با استفاده از تکنولوژی DPC.
طراحی مدار میکروفون
برای اعتبار دقت داده های دی الکتریک استخراج شده، یک فیلتر مایکروویو ساخته شده روی یک سوپاپ DPC نشان داده شد. این BPF، با استفاده از یک ساختار خطی موازی، دارای یک فرکانس مرکزی 10 گیگاهرتز، یک پهنای باند 15 درصد، یک پاسخ موجی برابر با 0.1 دسی بل و یک توپولوژی درجه سوم است و در شکل 5 نشان داده شده است. BPF طراحی و بهینه شده با ADS Momentum با استفاده از ثابت دی الکتریک استخراج و از دست دادن دی الکتریک. کیت کالیبراسیون TRL همچنین بر روی دیواره DPC ساخته شده است تا دامنه فرکانس را از 4 تا 14 گیگاهرتز پوشش دهد.
با استفاده از این استانداردهای تست، گذرگاه های مودم به میکروستریت آزمایشگاه Anritsu و خطوط میکرواستریپ تا پورت ورودی و خروجی فیلتر می تواند حذف شود. افت نقاط اندازه گیری شده و افت بازده در شکل 6 نشان داده شده است. بر اساس این نتایج تجربی، پیش بینی خوبی از پاسخ فیلتر توسط استفاده از مقادیر دی الکتریک استخراج شده در شبیه ساز EM به دست می آید. درجۀ اندازه گیری شده BPF تنها 0.5 دسی بل در 10 گیگاهرتز است. این به وضوح نشان داد که فرایند DPC، ساخته شده با یک سرامیک بستر و هادی مس، عملکرد عالی کم باتری را در فرکانس های بالا فراهم می کند و توانایی عالی برای استفاده در دستگاه های RF و مایکروویو را ارائه می دهد.
شکل 6 ویژگی های اندازه گیری شده و شبیه سازی فیلتر خطی موازی DPC 10 گیگاهرتزی.
نتیجه
این مقاله ارائه کننده سوپاپ متالیزه DPC شامل جریان جریان، خواص الکتریکی و طراحی مدار مایکروویو است. با توجه به استفاده از بستر سرامیکی و هادی فلز متالیزه، سوپاپ DPC به خوبی از ویژگی های الکتریکی با فرکانس بالا برخوردار است. در همین حال، یک روش استخراج ساده برای به دست آوردن ثابت دی الکتریک و از دست دادن دی الکتریک برای زیربخش DPC پیشنهاد شد، و یک خط BPF موازی با ضریب 10 گیگاهرتز با افت ولتاژ 0.5 دسی بل برای بررسی بیشتر ساخته شد. این مقاله به وضوح نشان می دهد که سوپاپ متالیزه DPC برای طراحی بسته بندی RF و مایکروویو بسیار مناسب است و عملکرد عالی آن کم است.
منابع
1. M. Entezarian و RAL Drew، "اتصال مستقیم مس به نیترید آلومینیوم"، مواد و علوم مهندسی ، A-212، جولای 1996، صص 206-212.
2. جی. Schulz-Harder، "مزایا و توسعه جدید مستحکم مسطح مستقیم بوود،" Reliability Reliability ، Microelectronics ، Vol. 43، شماره 3، 2003، ص 359-365.
3. "تکنولوژی ضخیم فیلم مسی مستقیم با پوشش مستقیم"، Tong Hsing، www.ready-sourcing.com/sourcing-news/electronic/dpc.html .
4. SP Ru، "روش حذف وایس ها در بستر سرامیک"، ایالات متحده اختراع، US 6.800،211 B2، اکتبر 2004.
5. MK Das، SM Voda و DM Pazar، "دو روش برای اندازه گیری پایدار ثابت دی الکتریک،" معاملات IEEE در نظریه و تکنیک های مایکروویو ، جلد. 35، شماره 7، ژوئیه 1987، ص. 636-642.
6. SH Chang، H. Kuan، HW Wu، RY Yang و MH Weng، "تعیین ثابت دی الکتریک مایکروویو با دو روش خط میکرو استریت همراه با شبیه سازی EM،" مایکروویو و فناوری نوری ، Vol. 48، شماره 11، نوامبر 2006، ص 2199-2121.
7. H. Yue، KL Virga و JL Prince، "بررسی اندازه گیری ثابت و تلفات دی الکتریک با استفاده از یک فیدر راه راه،" معاملات IEEE در قطعات، تکنولوژی بسته بندی و تولید ، قسمت ب، جلد. 21، شماره 4، نوامبر 1998، ص 441-446.
8. PA Bernard و JM Gautray، "اندازه گیری ثابت دی الکتریک با استفاده از یک رزوناتور حلقه میکرو استریت،" معاملات IEEE در نظریه و تکنیک های مایکروویو ، جلد. 39، شماره 3، مارس 1991، ص 592-595.
9. EL Holzman، "اندازه گیری وسیع از ثابت دی الکتریک یک Substrate FR4 با استفاده از رزوناتور Microstrip موازی موازی"، IEEE معاملات در نظریه و تکنیک های مایکروویو ، جلد. 54، شماره 7، ژوئیه 2006، ص. 3127-3130.
