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1、第9章单片微波集成电路简介第9章单片微波集成电路简介9.1单片微波集成电路的材料与元件9.2MMIC电路的设计特点9.3微波集成电路加工工艺简介9.4微波及毫米波集成电路应用实例第9章单片微波集成电路简介 9.1单片微波集成电路的材料与元件单片微波集成电路的材料与元件 9.1.1单片微波集成电路的基片材料单片微波集成电路的基片材料 MMIC的基片同时兼有两种功能：一是作为半导体有源器件的原材料，二是作为微波电路的支撑体。砷化镓(GaAs)是最常用的材料，在低频率情况下，也可以用硅(Si)材料。MMIC的制作是在半绝缘的GaAs基片表面局部区域掺杂构成有源器件(FET或二极管)，把其余表面作为微
2、带匹配电路和无源元件载体。GaAs和Si的主要特性列于表9-1中，同时也给出了MIC常用的氧化铝陶瓷(Al2O3)作为对比。 第9章单片微波集成电路简介表表9-1MMIC基片半导体材料的特性基片半导体材料的特性 第9章单片微波集成电路简介由表9-1可见，GaAs有源层的电子迁移率比Si高6倍，作为基片时的电阻率则高几个数量级，用GaAs制作的MMIC性能远优于用Si制作的。但GaAs的电阻率比Al2O3要低许多，微波在GaAs基片中的介质损耗不能忽略，尽管MMIC尺寸小，介质损耗不太严重，但在电路设计中必须予以考虑 GaAs基片厚度常选为0.10.3 mm，面积在0.5 mm0.5 m5 mm
3、5 mm之间。薄基片散热好，接地通孔性能好，但高阻抗微带线的线条太细不易制作，微带电路设计有一定局限性。做微波功率放大器或振荡器时宜采用较薄基片，以利于散热和增加功率容量。 第9章单片微波集成电路简介9.1.2单片微波集成电路的无源元件单片微波集成电路的无源元件 在MMIC中使用的传输线和无源元件与MIC中应用的基本相同，但也有自己的特点。MMIC中常用的无源元件有两类：一类是集总元件(尺寸通常小于0.1波长)，另一类是分布元件。X波段到20 GHz适用于集总元件，高于20 GHz宜采用分布元件。1. 电容电容 MMIC中经常采用的电容有微带缝隙电容、交指电容、叠层电容和肖特基结电容。 第9章
4、单片微波集成电路简介 微带缝隙电容的电容量很小，很难超过0.05 pF。 交指电容的电容量稍大，但耦合指长度不能太大，电容量只能做到1 pF以下，Q值能达到100左右。 为获得1100 pF量级的电容量需采用叠层电容，又称MIM电容，其结构如图9-1所示。绝缘层介质用Si3N4、SiO2或聚酰亚胺。MIM电容的主要问题是难于保证电容值制造的准确性和重复性。 肖特基结或PN结也可制作电容器，如图9-2所示。这种电容可以在制作有源器件时一起完成，适于0.510 pF左右的容量。 第9章单片微波集成电路简介图 9-1叠层(MIM)电容第9章单片微波集成电路简介图 9-2肖特基结电容第9章单片微波集成
5、电路简介2. 电感电感 与MIC类似，MMIC中应用的电感包括图9-3所示的几种: 直线电感和单环电感的尺寸小、结构简单，电感量大约几纳亨以下。 多圈螺旋方形或圆形电感具有较大电感量和较高Q值，电感量约可达数十纳亨，Q值大约为10，最高可接近4050。 第9章单片微波集成电路简介图 9-3MMIC电感第9章单片微波集成电路简介为减小电感线圈所占基片的面积，线条尽量要细，电阻损耗不容忽视，匝间电容以及薄基片对地板的临近效应都将使有效电感量降低。多圈电感的内圈端点引出线要用Si3N4或SiO2做绝缘层或用空气桥跨接，制作工艺比较复杂。 不论哪种结构的电感，导线总长度都应该远小于波长，才能具有集总参
6、数电感的特性。 第9章单片微波集成电路简介3. 电阻电阻 用于MMIC的电阻主要有薄膜电阻和体电阻两大类。要求电阻材料具有较好的稳定性，低的温度系数，还要考虑允许电流密度、功率和可靠性等问题。 实际应用中的电阻包括以下几类： 镍铬系电阻：具有良好的粘附性，阻值稳定性高，成本低。制作技术多用蒸发工艺，但较难控制合金成分的比例。 钽系电阻：目前可用充氮反应溅射制备氮化钽电阻，用钽硅共溅射可获得耐高温的电阻。钽系电阻薄膜也可用于混合MIC中。 第9章单片微波集成电路简介 金属陶瓷系电阻：制作高阻最有效的方法是在金属中掺入绝缘体以形成电阻率高、稳定性好的电阻，如Cr-Si电阻、NiCr-Si电阻和Cr
7、Ni- SiO2电阻等。调整材料的配方比例使电阻率在很大范围内改变，以适应不同电阻值的要求。 体电阻：利用GaAs N型层的本征电阻，它是MMIC中特有的类型。在GaAs基片上局部掺杂，做上欧姆接触就构成了电阻，其电阻率比较适中。体电阻的主要缺点是电阻温度系数为正，而且在电流强度过大时，电子速度饱和，呈现非线性特性，此种特性不利于一般线性模拟电路，但可用于某些数字逻辑电路。 第9章单片微波集成电路简介9.1.3单片微波集成电路的有源器件单片微波集成电路的有源器件 MMIC中的有源器件和MIC中常用晶体管的类型基本一样。三极管几乎都采用FET，也使用双栅FET。二极管有肖特基势垒管、变容管、体效
8、应管、PIN管等。在MMIC中由于各种晶体管都没有管壳封装，缩短了元件之间的互连线，减少了焊点，因此可用的极限频率提高，工作频带加宽，尺寸减小，可靠性改善。FET是高频模拟电路和高速数字电路的主要元件，肖特基势垒二极管是二极管中的主要元件。不论是哪种晶体管，在MMIC中都是平面结构，即各电极引线需从同一平面引出。为减小晶体管寄生参量，GaAs导电区要尽量小，只要能保证器件工作即可。 第9章单片微波集成电路简介肖特基势垒二极管和FET的平面结构示意图如图9-4所示。图中，电极引线是金(Au)，有源层是N型GaAs，电导率=0.05 cm，载流子浓度为nn=107 cm3，欧姆接触用金锗(AuGe
9、)。为了保证欧姆接触良好，有源层上还有一层低电阻率的N+GaAs层，电导率=0.0015 cm，载流子浓度为nn=1018 cm3。 在晶体管区的表面还有一层Si3N4或SiO2作为保护层。对FET而言是在有源层上制作Ti/Pt/Au混合体形成肖特基势垒，再真空蒸发栅极金属，栅金属的质量和位置对FET的性能至关重要。第9章单片微波集成电路简介要考虑金属对GaAs有良好的附着力，导电性好，热稳定性强，金属可用Cr-Ni-Au、Cr-Au、Cr-Rn或A1-Ge，也可用A1。栅成型后表面再覆盖一层保护层，源极和漏极的金属亦是真空蒸发形成的。目前In-Ge-Au和Au-Ge-Ni用得较多，使FET有
10、良好的欧姆接触并能承受短时升温。第9章单片微波集成电路简介图 9-4平面晶体管结构第9章单片微波集成电路简介 9.2MMIC电路的设计特点电路的设计特点 尽管MMIC电路的设计方法和MIC有一定相似之处，但是其结构特点决定了要有一些不同的考虑。典型的MMIC设计程序如图9-5所示。设计的依据是由用户提出的技术指标，设计者必须要考虑实际的设备和条件； 根据系统要求决定电路的拓扑结构，采用什么类型的器件，例如单栅或双栅FET、低噪声或高功率FET、集成度的规模和价格等。由于MMIC的各种元件都集成在一块基片上，分布参数的影响不能忽略；有时还必须考虑传输线间电磁场的耦合效应；此外，集成电路制作后无法
11、调整，需精确地、全面地设计电路模块和元件模块，计入加工中引入的误差。第9章单片微波集成电路简介因此，MMIC设计必须采用计算机辅助设计方法，选用合适的CAD软件对电路参数进行优化，以获得元件最佳值，并由计算机进行设计后的容差分析、稳定性的检验等。目前使用最多的是Agilent公司的ADS软件。设计的成功与否，决定了产品的成品率，也影响电路的成本和价格。第9章单片微波集成电路简介图 9-5MMIC设计程序流程图第9章单片微波集成电路简介MMIC设计中应主要考虑如下几点: (1) MMIC的元件不能筛选、修复或更换。例如微带线，宽的微带线具有阻抗低、损耗小的特点，一般阻抗在30100 范围内。传输
12、线宽度的任何变化，都将引起阻抗的不连续性。制造过程中，分布式元件比集总元件较易控制，虽然分布式元件占的空间大，因为制作的工艺简单，制造偏差的影响较小，所以多选用分布式元件。 第9章单片微波集成电路简介(2) 设计中所用的器件数据必须选取在宽带范围内的参数值，以便扩大电路的适应性。同时，MMIC集成度越高，元件越多，加工过程中越不可避免出现偏差。这会导致器件参数变化是制造公差的函数，设计时对元件需要允许有较大的公差。选用低灵敏度电路，着眼点不是电阻、电感、电容或其他参数的绝对值，而是它们之间的比例，可在CAD设计时再作调整。 第9章单片微波集成电路简介(3) 尽量减小电路尺寸。在C波段以下的较低
13、频段，不宜采用分布参数传输线，尽量用集总参数元件。有时FET寄生参数影响不大，可以不加匹配元件，宁可多用一两只FET，以获得足够增益，而尺寸可能更小。(4) 由于元件、部件尺寸小，因而容易在电路结构上实现负反馈电路，以扩展频带和改善性能。 设计更复杂的行波式或平衡式放大器时，虽然使用了更多的FET，但是这些FET一次制成，又处于同一基片上，成本增加并不多，而性能上却有很大改善，这是MMIC的特点。 第9章单片微波集成电路简介(5) 分布参数电路虽比集总参数元件电路制作工艺简单，但尺寸较大，需将微带线折弯或盘绕，这将产生线间耦合。设计时除了考虑将线间距离控制在23倍的基片厚度之外，还需用更精确的
14、电磁场数值分析方法进行分析和计算，以提高设计精度。(6) 电路高温工作的可靠性。小信号MMIC的散热问题较容易解决，但对功率放大电路，需要考虑封装的热阻抗和工作环境条件。GaAs MMIC的短暂工作温度在300以下，一般最高温度应低于150。第9章单片微波集成电路简介(7) 关于抗辐射的问题。现代电子系统有抗辐射的要求，故在集成电路生产中提出了辐照硬度(Radiation Hardness)的指标，即在生产过程中为确保质量，需挑选出那些较能承受辐射的产品。上述几个方面，有些是一般的原则，有些随MMIC应用的不同，相对的重要性也随之而变。总之，设计的MMIC必须满足电气性能技术指标要求，工作可靠
15、，具有高成品率和低成本。 第9章单片微波集成电路简介 9.3微波集成电路加工工艺简介微波集成电路加工工艺简介 9.3.1微波集成电路工艺流程简介微波集成电路工艺流程简介 微波集成电路(MIC)的加工主要有以下几个步骤：(1) 制备红膜。任何一个MIC的加工，首先需要有设计完成的电路布线图或结构图，根据这个图来刻制红膜。红膜是聚酯薄膜，上面覆盖一层透明的软塑料(红色或橙色)，红膜厚约50100 m，软塑料厚约2550 m，利用坐标刻图机在光台上刻绘所需的图形，使所需的图形部位红色塑料膜脱离基体，即根据刻出的线条，有选择地揭剥红膜。一般将原图尺寸放大约510倍，主要是提高制图精确度。第9章单片微波
16、集成电路简介刻制的红膜尺寸要求精密准确。常规制版工艺全由人工绘制、刻膜和揭剥红膜； 现在采用新工艺，即用计算机控制，编制软件程序，或用X-Y绘图仪绘制。(2) 制造掩膜。掩膜的作用是将设计的图形从红膜上精确地转移至基片上。常用的是光掩膜，它是在玻璃基片上表面镀一层铬或氧化铝等材料，然后，再在上面涂一层光乳胶(银卤化物)，这种材料光灵敏度高，图像分辨率好。利用已刻制的红膜图形初缩照相制版后，置于玻璃基片上曝光，然后经过光刻制成掩膜。也可以不由红膜制造掩膜，而由图形发生器直接制作掩膜。 第9章单片微波集成电路简介(3) 光刻基片电路。将MIC的基片毛坯抛光后，在基片上镀金属膜。一般有三种方法：真空蒸发、电子束蒸发或溅射，视不同的金属材料而定。主要要求金属与基片之间有良好的附着力，性能稳定且损耗低。例如在氧化铝基片上镀金属膜，材料为CrCuAu或NiCrNiAu，可先在基片上镀一层催化层，然后再先后分层镀上不同的金属。随后，在已镀金属膜的基片上涂一层感光胶，感光胶有正性胶和负性胶两种，将掩膜置于其上方，通过曝光、成型、腐蚀去掉不希望有的金属涂层，如图9-6所示。前两个图中表示涂感光胶的地方刻
