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          高性能S、C波段聲表面波微波延遲線

          作者: 時(shí)間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347609.htm

          1引言

          隨著晶片材料和半導(dǎo)體工藝技術(shù)水平的快速發(fā)展,本文作者通過扇型結(jié)構(gòu)換能器的拓?fù)湓O(shè)計(jì),晶片材料和制作工藝流程的優(yōu)化設(shè)計(jì),研制出,它比聲體波(的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝流程更加簡單,體積更小,延時(shí)精準(zhǔn)度高、一致性好、可靠性高,更適合量產(chǎn)??蓮V泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗、高度計(jì)、通信、引信、信號處理器、目標(biāo)模擬、微波信號存儲和鑒頻等系統(tǒng)中。在空間設(shè)備中應(yīng)用具有強(qiáng)抗輻照能力。

          2基本工作原理

          微波延遲線的基本結(jié)構(gòu),如圖1所示,它由壓電晶片、輸入/輸出叉指換能器(IDT)、金屬屏蔽條和反射吸聲層組成。其工作原理是當(dāng)電信號加載到輸入換能器后,利用逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號并以聲的速度(比電磁信號慢105)沿晶片表面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x,經(jīng)輸出換能器接收,利用壓電效應(yīng)把聲信號還原成電信號,形成電信號的延遲。顯然改變兩個(gè)換能器間的相對距離,就可得到不同延遲時(shí)間的電信號,金屬屏蔽柵條用于輸入/輸出換能器間的電磁屏蔽,吸聲層用于吸收聲波反射。

          圖1SAW微波延遲線的基本結(jié)構(gòu)示意圖

          3SAW微波延遲線的研制

          3.1扇形拓?fù)銲DT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

          SAW延遲線要實(shí)現(xiàn)微波頻段的工作頻率、寬的工作帶寬、高的三次渡越抑制、低的插入損耗和小的帶內(nèi)波動(dòng),關(guān)鍵是IDT設(shè)計(jì)。根據(jù)工程項(xiàng)目的應(yīng)用要求,同時(shí)考慮到溫度(-55℃~+85℃)變化可能引起的漂移,以及工藝過程可能帶來的誤差,我們建立了一種扇形拓?fù)銲DT的理論模型,經(jīng)仿真優(yōu)化確定了IDT拓?fù)湓O(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu),從研制出的幾種SAW微波延遲線試驗(yàn)結(jié)果和最終產(chǎn)品測試結(jié)果證明,這種新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目要求的工作頻率,寬的工作帶寬(200~500MHz),延時(shí)時(shí)間(0.05~3us),三次渡越抑制(40dB~55dB)和直通抑制(30dB~45dB)等指標(biāo)要求。

          3.2晶片材料選擇(2~4英寸圓晶片)

          由于表面聲波是沿晶片表面?zhèn)鞑?,所以在晶片材料的選擇上對其表面狀態(tài)的要求很高。對工作在微波頻段的SAW器件來講,在工藝制作過程中晶片材料的透光性可導(dǎo)致晶片背面形成漫散射,從而降低光刻襯度,導(dǎo)致失真的線寬,至使工作頻率、帶寬等性能產(chǎn)生偏差,同時(shí)IDT的指間隔非常?。?/4λ),很容易受到靜電釋放影響,導(dǎo)致IDT的燒毀。為此我們選用了具有弱熱釋電效應(yīng)的2~4英寸標(biāo)準(zhǔn)晶片見圖2,有效解決了靜電釋放導(dǎo)致IDT燒毀和晶片開裂現(xiàn)象,同時(shí)光的漫散射也得到了有效抑制,成品率大幅提高。

          圖24英寸圓晶片

          3.3電磁屏蔽設(shè)計(jì)

          電磁屏蔽是SAW微波延遲線設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)。從圖1的結(jié)構(gòu)看出,輸入與輸出換能器是在同一個(gè)水平面上。器件是通過電-聲、聲-電變換的聲波傳播來實(shí)現(xiàn)電信號傳輸?shù)?,但電信號也可不?jīng)過電-聲、聲-電變換而直接從輸入IDT偶合到輸出IDT,尤其工作在微波頻段和要求延遲時(shí)間很短時(shí),這種影響就更嚴(yán)重。為有效抑制IDT間的電磁輻射,我們通過優(yōu)化輸入輸出IDT的結(jié)構(gòu),采用傾斜式金屬屏蔽柵條和隔板凹槽雙腔體隔離的封裝設(shè)計(jì)見圖3、圖4,有效抑制了輸入/輸出端電磁輻射,提高了SAW微波延遲線產(chǎn)品對直通信號抑制能力。

          圖32.7GHz聲表面波微波延遲線封裝結(jié)構(gòu)

          圖44.3GHz聲表面波微波延遲線2種封裝結(jié)構(gòu)

          3.4制作工藝流程

          SAW微波延遲線的生產(chǎn)過程是采用標(biāo)準(zhǔn)、成熟、通用的半導(dǎo)體平面工藝及流程如圖5所示,它只需1個(gè)工藝流程就可實(shí)現(xiàn)多芯片批生產(chǎn),工藝過程穩(wěn)定、可靠、重復(fù)性好、適于批量生產(chǎn)。

          圖5SAW微波延遲線加工工藝流程圖

          4結(jié)果與討論

          我們按工程項(xiàng)目要求研制出4種中心頻率分別為1.5GHz,2.7GHz,2.85GHz,4.3GHz的SAW微波延遲線,主要性能分別如下。

          4.11.5GHzSAW微波延遲線

          主要實(shí)測技術(shù)指標(biāo)見表1,頻域響應(yīng)見圖6,時(shí)域響應(yīng)見圖7。

          表11.5GHzSAW微波延遲線實(shí)測指標(biāo)

          項(xiàng)目

          實(shí)測技術(shù)指標(biāo)

          工作頻率范圍/GHz

          1.25~1.75

          帶寬/MHz

          500

          延遲時(shí)間/us

          0.498

          插入損耗/dB

          ≤26(無匹配)

          ≤35(含溫補(bǔ)衰減)

          三次渡越抑制/dB

          ≥54

          直通抑制/dB

          ≥45

          圖61.5GHzSAW微波延遲線頻域響應(yīng)

          圖71.5GHzSAW微波延遲線時(shí)域響應(yīng)

          4.227GHzSAW微波延遲線

          主要實(shí)測技術(shù)指標(biāo)見表2,頻域響應(yīng)見圖8,時(shí)域響應(yīng)見圖9。

          表22.7GHzSAW微波延遲線實(shí)測指標(biāo)

          項(xiàng)目

          實(shí)測技術(shù)指標(biāo)

          工作頻率范圍/GHz

          2.6~2.8

          帶寬/MHz

          200

          延遲時(shí)間/us

          0.05

          插入損耗/dB

          ≤22(無匹配)

          三次渡越抑制/dB

          ≥31

          直通抑制/dB

          ≥40

          圖82.7GHzSAW微波延遲線頻域響應(yīng)

          圖92.7GHzSAW微波延遲線時(shí)域響應(yīng)

          4.3285GHzSAW微波延遲線

          主要實(shí)測技術(shù)指標(biāo)見表3,頻域響應(yīng)見圖10,時(shí)域響應(yīng)見圖11。

          表32.85GHzSAW微波延遲線實(shí)測指標(biāo)

          項(xiàng)目

          實(shí)測技術(shù)指標(biāo)

          工作頻率范圍/GHz

          2.7~3.0

          帶寬/MHz

          300

          延遲時(shí)間/us

          3

          插入損耗/dB

          ≤60(無匹配)

          三次渡越抑制/dB

          ≥50

          直通抑制/dB

          ≥40

          圖102.85GHzSAW微波延遲線頻域響應(yīng)

          圖112.85GHzSAW微波延遲線頻域響應(yīng)

          4.34.3GHzSAW微波延遲線

          主要實(shí)測技術(shù)指標(biāo)見表4,頻域響應(yīng)見圖12,時(shí)域響應(yīng)見圖13。

          表44.3GHzSAW微波延遲線實(shí)測指標(biāo)

          項(xiàng)目

          實(shí)測技術(shù)指標(biāo)

          工作頻率范圍/GHz

          4.2~4.4

          帶寬/MHz

          200

          延遲時(shí)間/us

          0.355

          插入損耗/dB

          ≤45(無匹配)

          ≤60(含溫補(bǔ)衰減)

          三次渡越抑制/dB

          ≥45

          直通抑制/dB

          ≥30

          圖124.3GHzSAW微波延遲線時(shí)域響應(yīng)

          圖134.3GHzSAW微波延遲線時(shí)域響應(yīng)

          目前國內(nèi)還沒有工作中心頻率在1.5~4.3GHz間SAW微波延遲線的研制報(bào)道,中科院聲學(xué)研究所率先研制成功,其中2.7GHz、2.85GHz和4.3GHz的SAW微波延遲線,在國內(nèi)外均未查到相關(guān)報(bào)道,屬國際首創(chuàng)。

          與國內(nèi)外相近技術(shù)指標(biāo)的聲體波()延遲線相比,關(guān)鍵的三次渡越抑制性能,SAW微波延遲線高于微波延遲線17~27dB,為國際領(lǐng)先水平。見表5。

          表5SAW延遲線與BAW延遲線指標(biāo)對比

          指標(biāo)

          Teledyne

          BAW

          國內(nèi)BAW

          聲學(xué)所SAW

          工作頻率

          范圍/GHz

          4.2~4.4

          4.2~4.4

          4.2~4.4

          帶寬/MHz

          200

          200

          200

          延遲時(shí)間us

          0.330

          0.345

          0.358

          0.355

          三次渡越

          抑制/dB

          20

          18

          28

          45

          4結(jié)束語

          本文介紹的SAW微波延遲線還具有以下優(yōu)勢。

          1)SAW微波延遲線是用標(biāo)準(zhǔn)的2~4英寸圓晶片制作,每個(gè)晶片上可排列幾十至幾百個(gè)芯片圖形,經(jīng)過1個(gè)工藝流程即可完成幾十至幾百芯片的制作。而不像BAW延遲線需要在圓棒晶體的兩個(gè)端面經(jīng)過4~6工藝流程、逐個(gè)調(diào)試修正完成制作,可見SAW微波延遲線產(chǎn)品的一致性、可靠性、延時(shí)精準(zhǔn)性和批量生產(chǎn)能力等方面有著明顯優(yōu)勢。

          2)芯片裝配結(jié)構(gòu),SAW延遲線為片狀,易于表面貼裝,結(jié)構(gòu)可靠性高。BAW延遲線是圓柱狀安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

          3)表聲波比體聲波的傳播速度慢1.5倍左右,因此SAW延遲線的體積和重量比BAW延遲線更小,易于小型化。

          4)經(jīng)批量試生產(chǎn)驗(yàn)證,SAW微波延遲線批次產(chǎn)品的延遲時(shí)間的不一致性<±0.05ns,插入損耗的不一致性<±0.5dB,BAW微波延遲線是很難做到的。

          本系列產(chǎn)品按工程項(xiàng)目要求,均一次通過了可靠性試驗(yàn),證明了本系列產(chǎn)品具有高可靠性和很好的環(huán)境適應(yīng)性,在雷達(dá)、高度表、電子對抗等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。



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