July 25, 2018
الركائز مطلي مباشرة النحاس المعدن وتطبيقه على الدوائر الميكروويف
يتم تقديم تقنية الركيزة المموجة بالنحاس المطلي المباشر (DPC) في هذه المقالة. يوفر الركيزة الممعدنة المقترحة للـ DPC المميزات الرئيسية للإدارة الحرارية الممتازة وخصائص الترددات العالية ، بسبب ر ...
تم إنشاء عملية النحاس المطلي المباشر (DPC) على الركيزة الخزفية الممعدنة في الأصل لتحل محل عملية النحاس المستعبدين المباشر (DBC) بسبب أدائها الكهربائي والحراري والميكانيكي الأفضل. 1 مقارنةً بـ DBC ، يوفر DPC قوة ارتباط قوية جدًا بين الركيزة Al2O3 / AlN والمعدن النحاسي ، وذلك بسبب استخدام طبقة الترابط الرقيقة. 2 DPC أيضا لديه قدرة جيدة على التحكم في سمك طبقة النحاس ، من رقيقة جدا إلى سميكة جدا. لتصميم الملعب الدقيق ، يمكن الحصول على الحد الأدنى من خط موصل / تباعد 3 مل من السهل الحصول عليها ، وعبر ثقوب مليئة بالنحاس لخصائص كهربائية وحرارية جيدة. باستخدام الركيزة DPC المقترحة ، يمكن الحصول على أداء فائق مقارنة بالتكنولوجيات الأخرى من حيث ميزاته وتطبيقاته ، والتي تشمل كثافة الدائرة العالية ، وخصائص عالية التردد ، والإدارة الحرارية الممتازة وأداء النقل الحراري ، والقابلية المتميزة للحام ، والأسلاك. تجميع خصائص التجمع. وبالتالي يمكن استخدام ركائز DPC هذه على نطاق واسع لمكونات عالية التردد تتطلب طاقة عالية وحرارة عالية.
في هذه المقالة ، يتم وصف تصنيع DPC باختصار مع مخطط تدفق العملية ، لتقديم العديد من السمات الرئيسية لهذه العملية. يتم بعد ذلك استخدام توصيف كهربائي بسيط للطبقة التحتية DPC لاستخراج عامل عازلة ثابت التردد وعامل التبديد. وأخيرًا ، تم تصميم مرشح تمرير نطاق 10 غيغاهرتز ومتوازي - متوازيًا للتحقق من صحة المعلمات العازلة المستخرجة والأداء المتميز عالي التردد للطبقة الممعدنة DPC.
عملية النحاس مطلي مباشرة
تتكون عملية DPC بأكملها بشكل أساسي من الخطوات المعروضة في الشكل 1 ، والتي تشمل تحديد الثقوب في الركيزة الخزفية ، وإرفاق طبقة النحاس على الركيزة الخزفية ، وتشكيل طبقة جافة على الفيلم النحاسي ، وتشكيل رسم تخطيطي للدائرة مع التعرض والتطوير ، والطلاء النحاس يؤدي ، وإزالة الفيلم الجاف وحفر النحاس المعدن البذور. 3 تم وصف العمليات التفصيلية بواسطة SP Ru، 4 مع المزيد من التفسيرات والرسومات النظرية.
الشكل 1 الرسم البياني عملية DPC.
مع الرسم البياني الموضح ، تبدأ عملية DPC بتحديد الثقوب على الركيزة الخزفية العارية بالليزر. يمكن استخدام هذه الثقوب عبر الثقوب للتواصل بين جانبي الركيزة الخزفية إذا كانت ضرورية لبعض التصميم المصمم. ثم يتم رش طبقة من النحاس ، تستخدم كطبقة معدنية ، على الجوانب المقابلة من الركيزة الخزفية بحيث يتم تغطيتها بطبقة من النحاس. من العمل الفني الذي يصف الرسم التخطيطي للدائرة ، يتم عمل ضوئية باستخدام تقنية الضوئية التقليدية. يتم وضع الكاميرا الضوئية بشكل ثابت وتلتصق بالفيلم الجاف على الركيزة الخزفية ، والتي يتم إرسالها إلى غرفة الكشف.
بعد إنشاء فراغ في غرفة الكشف ، تعمل الأشعة فوق البنفسجية على إشعاع الفيلم الجاف من خلال الضوئية ، والتي يتم بلمرة بواسطة الأشعة فوق البنفسجية. لا يتفاعل الفيلم الجاف ، الذي لا يتم تعريضه للأشعة فوق البنفسجية ، ويحافظ على تركيبه الكيميائي. عملية التنمية يحفر الجزء البلمرة من الفيلم الجاف عن طريق التنظيف الكيميائي أو التنظيف البدني. بهذه الطريقة ، تتعرض بعض أجزاء الفيلم النحاسي من الفيلم الجاف ؛ ستشكل هذه الأجزاء من الفيلم النحاسي مخطط الدائرة المطلوب حسب العمل الفني للدائرة ، من أجل إنتاج المناطق النحاسية المطلوبة من الدائرة على الركيزة الخزفية. وبالتالي ، يمكن طباعة تخطيط الدائرة على الفيلم الجاف.
يتم بعد ذلك ترسيب النحاس لملء الأجزاء المكشوفة من الغشاء الجاف على الركيزة الخزفية ، مع سماكة الموصل وعرضه ، بواسطة تكنولوجيا الطلاء لتشكيل الدائرة النحاسية. من خلال العمليات المذكورة أعلاه ، فإن منطقة الدائرة الممعدنة تتميز بسمات رفيعة ، مسطحة و سلسة ، و تبديد الحرارة جيد. ثم يترسب النيكل والذهب على السطح العلوي من النحاس. يمنع فيلم النيكل ذرات النحاس مما يؤدي إلى انتشار الفيلم الذهبي. يتجنب فيلم الذهب أكسدة سطح الموصل ويحسن التصاق أسلاك الربط الذهبية. يتم تشكيل مقاومة بصرية على السطح العلوي للنحاس. ثم يتم إزالة الفيلم الجاف المتبقي على الركيزة الخزفية. بعد تجريد الفيلم الجاف ، يتم حماية الدائرة النحاسية بأفلام النيكل والذهب. عملية فصل النحاس النحاسي تحفر الفيلم النحاسي غير المحمي بالمقاومة الضوئية.
بسبب العمليات الموضحة والمواد المستخدمة ، يمكن تلخيص العديد من السمات الرئيسية لعملية DPC على النحو التالي:
· الأداء الحراري الممتاز
انخفاض خطوط موصل المقاومة الكهربائية
مستقرة لدرجة حرارة> 340 درجة مئوية
· موقع مميز بدقة ، متوافق مع مجموعة آلية كبيرة الحجم
· دقة خط رفيع تسمح بكثافة عالية من الأجهزة والدوائر
ثبت الموثوقية
· بناء سيراميك وعرة ميكانيكيا
منخفضة التكلفة ، عالية الأداء السيراميك الحل
يمكن اختيار تطبيقات الركيزة الممعدنة DPC على LED عالي السطوع (HBLED) ، والركائز لخلايا المكثف الشمسي ، وتغليف الطاقة شبه الموصلة والتحكم في السيارات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن النظر في ركائز DPC بأداء كهربائي ممتاز لمكونات الترددات اللاسلكية / الميكروويف ، والتي تتطلب خسارة منخفضة للغاية.
استخراج خصائص الكهربائية
من أجل الاستفادة من ركائز DPC لتطبيقات RF / الميكروويف ، يجب استخراج خصائص العزل الكهربائي. يعتبر توصيف العازلة مسألة مهمة جدًا لتصميمات العبوات الإلكترونية لأن السلوك الكهربائي يتأثر بشكل كبير بالعازل الكهربائي وفقد العزل في الترددات العالية.
الشكل 2 الرنانات الموصلة المتوازية DPC microStrip مع وصلات الإخراج متميزة: (أ) PCMR1 و (ب) PCMR4.
هناك العديد من الطرق المبلغ عنها في الأدبيات المنشورة. 5-8 العديد من هذه الطرق لها واحد أو عدة قيود ، مثل أجهزة مكلفة ومعقدة ، تركيبات يصعب تصنيعها ، وخصائص عازلة مقاسة صالحة فقط لتردد معين ، ضعف التكرار ، وعدم القدرة على الحصول على كل من ثابت العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي. . ومع ذلك ، في هذه المقالة ، يتم استخدام نهج بسيط للحصول على عوامل عازلة دقيقة لمزيد من التصميم والمحاكيات الركيزة.
استخدم هولزمان نموذجًا للكمبيوتر للمرنان لاستخراج البيانات العازلة. 9 وبمجرد تصميم الدائرة على نحو دقيق باستخدام محاكي تصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ، يمكن تحديد خصائص العازل في الركيزة من خلال مقارنة التنبؤات من المحاكي مع الخصائص المقاسة. وقد أثبت هذا النهج التجريبي / التحليلي من قبل عدد من الباحثين في مجال الموجات الدقيقة.
الشكل 3 النتائج المقاسة والمحاكية للمرنانات المتقاربة المتوازية الدقيقة: (أ) PCMR1 و (ب) PCMR4.
لذلك ، لاستخراج البيانات العازلة عالية التردد للطبقة DPC ، تم تصنيع اثنين من الرنانات الموصلة المتوازية الدقيقة المتوازية مع أصفار مميزة على نطاق ترددي عريض. يبين الشكل 2 صور رنانات microstrip المتوازية إلى جانب (PCMR). يؤثر PCMR1 الظاهر على أصفار الإرسال مع مزيد من العمق عند الترددات المنخفضة ؛ ينشئ PCMR4 أصفار الإرسال بعمق أعمق عند الترددات الأعلى. يمتلك الرنانون نفس بنية الخط المزدوج مع مسافة خط تبلغ 570 ميل ، وتباعد 12 ميل ، ولكن مع وصلات خرج معاكسة. من قياسات PCMRs ، هذه الأصفار كافية لاستكمال القيم العازلة الصحيحة بدقة جيدة تحت استجابة تردد النطاق العريض. ومع ذلك ، فإن أول نقطة انتقال لـ PCMR1 و PCMR4 هي 5.2 و 4.2 غيغاهرتز ، على التوالي ، وتكرر تقريباً عند كل تردد رنين فوق النطاق. لإجراء محاكاة أولية للمرنانات ، تم افتراض ثابت العزل الكهربائي من 9.5 وخسارة عازلة قدرها 0.004 لركيزة DPC في محاكاة ADS Momentum.
تألف إعداد الاختبار من محلل شبكة Agilent E8364A ، وهو Anritsu Universal Test Fixture مع منفذي إدخال محوريين من نوع K-connector ، وطبقة DPC معدنية مدعومة برقاقة أرضية مع رنانات microstrip. بالإضافة إلى ذلك ، يتم اعتماد معايرة TRL باستخدام مجموعات معايرة DPC المصنعة لمعايرة في نفس المستوى المرجعي من PCMRs. إن المقارنات بين خسائر الإدخال المحاكية والمقيسة لـ PCMR1 و PCMR4 مبينة في الشكل 3 .
الشكل (4) نتائج قياس ومحاكاة للمرنان جنبا إلى جنب متوازي.
من القياسات ، من الواضح أن القيم العازلة المفترضة هي في الخطأ ، مع زيادة الخطأ في الترددات العالية. ﻻﺳﺗﺧﻼص اﻟﻔﺎﻗد اﻟﺻﺣﯾﺢ اﻟﻌﮐﺳﻲ واﻟﻔﻘدان اﻟﮐﮭرﺑﺎﺋﻲ اﻟﻌﺎزل ، ﯾﺗم ﺗﻌدﯾل ھذه اﻟﻘﯾم ﻓﻲ ADS Momentum ﻟﺗﺗواﻓق ﻣﻊ اﺳﺗﺟﺎﺑﺔ اﻟﺗردد ﺣﺗﯽ ﯾﺻل اﻟﺻﻔر اﻟﻣﺗوﻗﻊ إﻟﯽ اﻟﺻﻔر اﻟﻣﻘﺎﺳﺔ. يوضح الشكل 4 النتائج المجهزة لوحدتي PCMR حتى 14 جيجا هرتز ، بعد ضبط المعلمات العازلة. في هذه الحالة ، فإن الارتفاع في هذه المعلمتين للركيزة DPC هو من 9.5 إلى 9.75 من أجل ثابت العزل الكهربائي و 0.0004 إلى 0.002 لخسارة العزل الكهربائي ، على التوالي. هذه القيم هي أكثر دقة من البيانات المفترضة في الترددات العالية ويمكن استخدامها على نطاق واسع لتصميم الركيزة والمحاكاة.
الشكل 5 صورة فوتوغرافية لفلتر الخط المتقارب المقترن 10 GHz باستخدام تكنولوجيا DPC.
MICROWAVE CIRCUIT DESIGN
للتحقق من دقة البيانات العازلة المستخرجة ، تم توضيح مرشح الموجات الصغرى المدمج على ركيزة DPC. هذا BPF ، باستخدام بنية خطية متوازية ، له تردد مركز 10 جيجا هرتز ، عرض النطاق الترددي 15٪ ، استجابة متساوية 0.1 ديسيبل وطبولوجيا من الدرجة الثالثة ، ويظهر في الشكل 5 . تم تصميم BPF وتحسينه من خلال ADS Momentum باستخدام ثابت العزل الكهربائي و فقدان العزل الكهربائي. كما تم تصنيع مجموعات معايرة TRL على ركائز DPC لتغطية نطاق الترددات من 4 إلى 14 GHz.
باستخدام معايير الاختبار هذه ، يمكن فك ترميز انتقالات محاكي "Anritsu" للاختلاط المحوري إلى microstrip وخطوط microstrip إلى منافذ الإدخال والإخراج الخاصة بالفلتر. يتم إظهار خسارة الإدراج المقاسة وفقدان العودة في الشكل 6 . بناءً على هذه النتائج التجريبية ، يتم التوصل إلى تنبؤ جيد لاستجابة الفلتر باستخدام قيم العوازل المستخرجة في محاكي EM. تبلغ خسارة الإدراج المقاسة في معامل BPF 0،5 ديسيبل فقط عند GHz 10. لقد أثبتت بوضوح أن عملية DPC ، المصنّعة بركيزة سيراميكية وموصل نحاسي ، توفر أداءً منخفضًا منخفضًا في الترددات العالية وتوفر قدرة ممتازة لاستخدامها في تغليف الترددات اللاسلكية وأجهزة الميكروويف.
الشكل 6 الخصائص المقاسة والمحاكاة لفلتر الخط الموازي المتوازي DPC البالغ 10 GHz.
استنتاج
تقدم هذه المقالة ركيزة معدنية DPC بما في ذلك تدفق العملية واستخراج الخواص الكهربائية وتصميم دائرة الموجات الدقيقة. بسبب استخدام الركيزة الخزفية والموصل النحاسي الممعدن ، فإن الركيزة DPC تحقق خصائص كهربائية عالية التردد. وفي الوقت نفسه ، تم اقتراح طريقة استخلاص بسيطة للحصول على ثابت العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي للركيزة DPC ، وتم بناء خط BPF متوازي الترددات 10 مع BPF مع خسارة الإدراج بمقدار dB 0،5 لمزيد من التحقق. توضح هذه المقالة بوضوح أن الركيزة الممعدنة DPC مناسبة تمامًا لتصميم حزمة الترددات اللاسلكية والموجات الصغرية ، مع الأداء الممتاز للخسارة المنخفضة.
المراجع
1. M. Entezarian and RAL Drew، "Direct Bonding of Copper to Aluminum Nitride،" Materials Science and Engineering ، A-212، July 1996، pp. 206-212.
2. J. Schulz هاردر ، "مزايا والتنمية الجديدة من ركائز النحاس مباشرة بودين ،" الموثوقية الدقيقة ، المجلد. 43، No. 3، 2003، pp. 359-365.
3. "DPC-Direct مطلي بتقنية نحاسية رقيقة ،" Tong Hsing ، www.ready-sourcing.com/sourcing-news/electronic/dpc.html .
4. SP Ru ، "طريقة إزالة الفراغات في الركيزة السيراميكية" ، براءة الاختراع الأمريكية ، الولايات المتحدة 6،800،211 B2 ، أكتوبر 2004.
5. MK داس ، SM Voda و DM Pozar ، "طريقتين لقياس ثابت العزل الركيزة ،" IEEE المعاملات على نظرية الميكروويف والتقنيات ، المجلد. 35، No. 7، July 1987، pp. 636-642.
6. SH تشانغ ، H. كوان ، HW وو ، RY يانغ و MH ونغ ، "تحديد الميكروويف عازل ثابت من قبل اثنين من طريقة خط Microstrip جنبا إلى جنب مع محاكاة EM ،" الميكروويف ورسائل التكنولوجيا البصرية ، المجلد. 48، No. 11، November 2006، pp. 2199-2121.
7. H. Yue، KL Virga and JL Prince، "Impact Continent Constant and Loss Tangent Measurement Using a Stripline Fixture،" IEEE Transactions on Components، Packaging and Manufacturing Technology ، Part B، Vol. 21، No. 4، November 1998، pp. 441-446.
8. PA Bernard and JM Gautray، "Measurement of Dielectric Constant using a Microstrip Ring Resonator،" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ، Vol. 39، No. 3، March 1991، pp. 592-595.
9. EL Holzman ، "قياس عريض للمادة العازلة الثابتة لركيزة FR4 باستخدام مرنان متوازي Microstrip Parallel-coupled ،" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ، Vol. 54، No. 7، July 2006، pp. 3127-3130.
