Технологии TF-SAW и CSP для улучшения частотных характеристик компонентов для фильтрации ВЧ радиосигнала

Технология TF-SAW имеет схожий принцип работы с технологией объёмных акустических волн (BAW), но лишена недостатков краевых и нелинейных эффектов: боковое переотражение, дифракция, объёмные волны утечки [2].

Слой диэлектрика используется для компенсации отклонения амплитудно-частотной характеристики (далее – АЧХ) фильтрующего устройства в температурном диапазоне. Наиболее часто используемые пьезоэлектрики имеют отрицательное значение ТКЧ (-36 ppm/°C для танталата лития и -94 для ниобата лития). Использование слоя диэлектрика с положительным ТКЧ позволяет скомпенсировать температурные деформации пьезоэлектрика. Таким образом, можно получить структуру с общим ТКЧ 10-15 ppm/°C [2].

Также, роль диэлектрика заключается в поглощении паразитных составляющих акустической волны: волны Релея, трансверсальные моды. Использование слоя диэлектрика позволяет получать радиосигнал с низким искажением [2].

Слой кремния используется для нескольких функций:1) Улучшение механической прочности. Кремниевая подложка служит хорошей основой для многослойных структур. Кремний способен выдерживать высокие ударные, вибрационные нагрузки [3].2) Дополнительный теплоотвод и компенсация РЧ сигналов повышенной мощности [3].3) Слой Si уменьшает влияние поверхностной паразитной проводимости. Благодаря этому, снижаются вносимые потери в АЧХ устройства и повышается добротность [3].

В качестве недостатков данной технологии стоит отметить1) Стоимость. Так как требуется получить слоистую структуру, то используются несколько технологических операций по достижению хорошей адгезии между слоями и получению определённой толщины слоёв.Слои Si и диэлектрика могут соединяться с помощью операций:Wafer Bonding – сращивание двух отдельных пластин;Осаждение слоя диэлектрика на слой кремния методом физического или химического осаждения в парогазовой среде или в среде плазмы (PVD, CVD, PECVD)[1];Термическое наращивание слоя диэлектрика (в случае SiO2) на подложку si.2) Получение тонкой плёнки пьезоэлектрика. Слой пьезоэлектрика (LiTaO3 или LiNiO3) получается путём PVD или CVD технологии. Из-за летучести лития трудно достичь требуемого соотношения атомов кислорода, лития, танталата или ниобата в соединении. Из-за этого может ухудшиться повторяемость электрических и механических свойств тонких плёнок пьезоэлектрика [1].

Описанная структура, как правило, помещается в компактный масштабируемый корпус (Chip-scale Package, далее – CSP), соизмеримый с размерами структуры. В этом корпусе возможно разместить структуру металлическим слоем вниз, напрямую к контактным площадкам корпуса (технология flip-chip).

Технология CSP

Классическая технология фильтрующих элементов на эффекте ПАВ подразумевает соединение тонкими проволоками (wire bonding) активных контактных площадок на металлической структуре с контактными площадками корпуса, в котором размещается активный фильтрующий элемент. Физическая природа паразитных параметров проводникаПоявление паразитной индуктивности и ёмкости у проводника wire bonding обусловлено фундаментальными законами электродинамики:

• Паразитная индуктивность () возникает из-за того, что любой протекающий по проводнику электрический ток неизбежно создаёт вокруг него магнитное поле. Если ток переменный, то меняющееся магнитное поле, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, генерирует ЭДС самоиндукции, которая противодействует изменению этого тока [4, 5]. Обычный прямой проводник на высоких частотах начинает вести себя как слабо выраженная катушка индуктивности. Чем длиннее проводник, тем больше энергии запасается в его магнитном поле и тем выше его индуктивное сопротивление (), которое растёт прямо пропорционально частоте ()[2, 3].

• Паразитная ёмкость (С) образуется всегда, когда два проводника с разным электрическим потенциалом разделены диэлектриком (изолятором, воздухом или подложкой корпуса). В любой ВЧ-схеме металлический проводник (например, проволочный вывод) находится в пространстве над заземлённым основанием корпуса или соседними дорожками. Между ними возникает электрическое поле и накапливается заряд, что эквивалентно появлению микроскопического паразитного конденсатора. Для токов высокой частоты этот конденсатор начинает работать как «утечка» (его ёмкостное сопротивление падает с ростом частоты), ответвляя полезный сигнал на землю или в соседние цепи [5, 6].В результате на частотах гигагерцового диапазона любая соединительная проволока превращается в распределённую колебательную LC-цепь [6, 7]. Она искажает фазу сигнала, нарушает расчётный импеданс (согласование) и ухудшает добротность радиочастотного тракта.

Технология CSP представляет собой современный подход к корпусированию полупроводниковых и радиочастотных компонентов, при котором габариты корпуса максимально приближаются к размерам самого кристалла. Одним из вариантов реализации CSP является технология flip-chip, при которой кристалл устанавливается активной стороной вниз и соединяется с контактами корпуса посредством маленьких металлических шариков, размещённых на металлизированном слое. В отличие от традиционного wire bonding, где электрическое соединение осуществляется тонкими проволочными проводниками, flip-chip формирует короткий вертикальный путь между кристаллом и контактной площадкой [8, 9].С точки зрения высокочастотной техники принципиальное значение имеет не только геометрический размер корпуса, но и длина пространственная организация электрических соединений, позволяющая минимизировать описанные выше паразитные эффекты. С ростом рабочей частоты даже небольшие индуктивность и ёмкость длинных выводов начинают оказывать заметное влияние на электрические характеристики. Для радиочастотных фильтрующих элементов это может приводить к изменению согласования, увеличению вносимых потерь и смещению амплитудно-частотной характеристики [7, 10].Кроме того, использование flip-chip позволяет уменьшить не только паразитные параметры, но и габариты самого компонента. При wire bonding вокруг кристалла требуется дополнительная площадь для размещения контактных площадок и проволочных соединений. В flip-chip контактные выводы распределяются непосредственно по поверхности кристалла, поэтому отпадает необходимость в отдельной периферийной зоне для проволочного монтажа. За счёт этого площадь корпуса может быть уменьшена и приближена к площади кристалла. Иными словами, миниатюризация достигается не просто уменьшением материала корпуса, а изменением пространственной организации электрических соединений. Данные технологии проиллюстрированы на рис. 2 и 3.

Таким образом, CSP в радиочастотных устройствах следует рассматривать не только как способ механической защиты кристалла, но и как часть электромагнитной конструкции компонента. Геометрия корпуса, расположение металлических шариков и длина межсоединений непосредственно влияют на паразитные параметры, а через них — на согласование и частотные характеристики фильтрующего элемента. Поэтому уменьшение размеров корпуса при переходе к flip-chip может одновременно сопровождаться улучшением электрических характеристик устройства.

Пример ИЧИЭ FP-1589B82

Практическим примером применения компактного корпусирования является ИЧИЭ FP-1589B82, предназначенный для радиочастотных трактов совмещённых навигационных систем [11, 12]. Центральная частота устройства составляет 1589 МГц, а ИЧИЭ охватывает диапазоны навигационных сигналов ГЛОНАСС L1, GPS L1 и BeiDou B1. Максимальная входная мощность до +30 дБм.Благодаря сочетанию технологий TF-SAW и CSP ИЧИЭ имеет следующие ключевые параметры:• вносимые потери в полосе пропускания: порядка 0,6 дБ (обеспечено технологией CSP);• максимальная входная мощность радиочастотного сигнала: 25 дБм (достигнута за счёт TF‑SAW);• неравномерность АЧХ в полосе пропускания: не более 0,7 дБ;• неравномерность группового времени задержки (ГВЗ) в полосе пропускания: до 6 нс, что уменьшает вероятность битовых ошибок из‑за сбоев синхронизации;• гарантированное затухание в полосах заграждения – более 40 дБ;• рабочий диапазон температур – от -40 до +85 °C.

На рис. 4 изображена АЧХ ИЧИЭ FP-1589B82 в полосе пропускания и широкой полосе: