Метод проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций

• Автор: Смирнов, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 173 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований в области разработки метода проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций
1.1 Общая характеристика проблемы
1.2 Анализ современных материалов, используемых в качестве оснований для создания быстродействующей цифровой аппаратуры
1.2.1 Материалы на основе политетрафторэтилена
1.2.2 Печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров
1.2.3 Технология НТСС
1.2.4 Технология производства КНТО
1.2.5 Процессы технологии производства КНТО
1.3 Анализ особенностей создания топологии верхних слоев многослойных керамических модулей
1.4 Анализ особенностей проектирования телекоммуникационных устройств, изготавливаемых с применением КНТО
1.4.1 Изменение геометрических размеров при обжиге
1.4.2 Минимальные топологические размеры
1.4.3 Расположение металлизированных отверстий
1.4.4 Интегрированные пассивные компоненты
1.4.5 Влияние диэлектрической проницаемости керамической основы на прохождение сигнала в линиях передачи
1.5 Обзор методов проектирования цифровой быстродействующей аппаратуры
1.6 Анализ элементной базы, используемой в быстродействующих устройствах телекоммуникаций
1.7 Обзор линий передачи
1.8 Постановка задачи
2 Разработка модели микрополосковой линии передачи, учитывающей особенности технологии изготовления многослойных керамических модулей
2.1 Анализ методов расчета электрической емкости микрополосковой линии передачи
2.2 Анализ программного обеспечения, реализующего расчет методом конечных элементов
2.2.1 FlexPDE
2.2.2 PDEase2D
2.2.3 QuickField
2.2.4 Maxwell Spicelink
2.2.5 ELCUT
2.3 Обоснование выбора метода планирования эксперимента
2.4 Обоснование выбора метода Бокса-Уилсона
2.5 Создание тана эксперимента
2.6 Обоснование выбора факторов
2.6.1 Диэлектрическая проницаемость керамической основы
2.6.2 Толщина керамической основы
2.6.3 Толщина проводника сигнального слоя
2.6.4 Ширина проводника сигнального слоя с учетом подтравов
2.6.5 Диэлектрическая проницаемость и толщина компаунда на поверхности линии передачи
2.6.6 Толщина полимерного компаунда на поверхности линии передачи

2.7 Создание модели микрополосковой линии передачи
2.1 Л Определение адекватности линейной модели для расчетов волнового сопротивления
2.7.2 Разбиение области определения факторов на подобласти
2.7.3 Включение в модель эффектов взаимодействия факторов
2.7.4 Влияние подтравов проводников назначение волнового сопротивления линии передачи
2.7.5 Определение регрессионной модели расчета волнового сопротивления с учетом всех рассматриваемых факторов
2.7.6 Определение вида нелинейной модели для расчета значения волнового сопротивления
2.7.7 Уточнение нелинейной модели добавлением учета влияния подтравов проводников
2.7.8 Уточнение нелинейной модели учетом влияния кусочно-однородной среды
2.7.9 Проверка точности полученной модели
2.8 Практическая реализация полученной модели
2.9 Выводы
3 Анализ целостности сигнала в линиях передачи
3.1 Расчет помех отражения и анализ их влияния на сохранение целостности сигнала
3.2 Интеграция IBIS-моделей микросхем в расчет помех отражения методом характеристик
3.3 Применение предложенного алгоритма для расчета помех отражения линии передачи
3.4 Выводы
4 Разработка метода проектирования микрополосковых линий передачи на многослойных керамических подложках
4.1 Разработка метода
4.1.1 Определение типа линии передачи
4.1.2 Определение технологии производства изделия и применяемых материалов
4.1.3 Определение параметров линии передачи
4.1.4 Расчет волнового сопротивления линии передачи
4.1.5 Оценка соответствия расчетных данных требуемым
4.1.6 Анализ элементной базы
4.1.7 Подбор соответствующих конструкторских решений, удовлетворяющих заданным требованиям
4.1.8 Оценка помех отражения и их влияния на целостность сигнала
4.1.9 Создание виртуального прототипа изделия
4.2 Апробация метода проектирования
4.3 Рекомендации по проектированию многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций
4.3.1 Общие положения, вытекающие из особенностей многослойных керамических подложек
4.3.2 Расположение компонентов и топология
4.3.3 Создание полостей
4.3.4 Создание встроенных пассивных компонентов
4.3.5 Требования к конструкции, обусловленные технологическими процессами производства
4.4 Выводы
Заключение
Литература

Введение
Развитие современных устройств телекоммуникации неуклонно движется по пути разработки и производства изделий с минимальными топологическими размерами.
Тенденции миниатюризации, повышения требований к надежности изделий, увеличения скоростей передачи данных приводят к необходимости использования современных конструкторско-технологических решений в производстве устройств телекоммуникаций. В соответствии с законами развития электроники, выдвинутыми Гордоном Муром, каждые 1,5 - 2 года число транзисторов на кристалле микросхем удваивается. Это приводит к увеличению скоростей передачи и обработки информации, новым возможностям телекоммуникационных устройств. Соответственно, изменяется конфигурация электрорадиоэлементов (ЭРЭ): увеличивается число выводов микросхем, уменьшается шаг между ними, уменьшаются размеры микросхем. Реалии сегодняшнего дня - микросхемы с шагом выводов 0,3 мм и менее, микросхемы в корпусах CSP (Chip Scale Package), BGA (Ball Grid Array), Flip Chip с выводами, расположенными под корпусами микросхем. Появляется необходимость в создании все большего числа межсоединений на одной печатной плате, сохраняя и даже уменьшая при этом ее размеры. Традиционные стеклотекстолитовые печатные платы, широко использующиеся в качестве основы телекоммуникационных изделий, производимых с применением технологии поверхностного монтажа, имеют весьма ограниченную область применения. Свойства базового материала позволяют использовать их только в изделиях, работающих на частотах до нескольких единиц ГГц. При более высоких частотах передачи данных резко возрастают потери в диэлектрике, и, как следствие, нарушается целостность передаваемого сигнала. Частоты, на которых осуществляется передача данных в современных телекоммуникационных устройствах, могут составлять несколько десятков гигагерц. Фронты передаваемых сигналов уменьшаются, предъявляются жесткие требования к повышению скоростей передачи данных и к согласованию линий передачи. Реалии сегодняшнего дня таковы, что требования рынка диктуют необходимость создания миниатюрных цифровых быстродействующих устройств телекоммуникации, обладающих высочайшей надежностью и имеющих уникальные эксплуатационные характеристики. Заданным требованиям в полной мере отвечают телекоммуникационные устройства, выполненные с применением керамики с низкой температурой обжига (КНТО). При разработке устройств телекоммуникаций, выполненных с применением КНТО, разработчикам необходимо, помимо прочего, учитывать особенности применяемых конструктивных материалов (керамики, металлизационных резистивных и токопроводящих паст), параметры производственного процесса (разрешающая способность

водника необходимо усреднять его ширину на длине, соизмеримой с критической длиной линии, на которой не сказываются незначительные неоднородности [42].
Анализ современной технической литературы показал отсутствие общепринятых, утвержденных данных о величине подтрава печатных проводников. Как следствие, отсутствуют формулы для расчета волнового сопротивления линии передач с учетом подтравов проводников.
Одним из перспективных методов, который может прийти на смену технологии трафаретной печати является метод, сочетающий в себе толстопленочную технологию с процессом фотолитографии [43]. Данный метод подразумевает нанесение фоточувствительной проводящей пасты на поверхность керамического листа с последующим выполнением процессов фотолитографии. Подобная технология имеет высокую разрешающую способность, однако, как и все процессы литографии, имеет и свои особенности. В частности, как неотъемлемый атрибут любого процесса травления, в результате применения данной технологии образуются подтравы печатных проводников, которые необходимо учитывать на этапе конструирования изделий.
1.4 Анализ особенностей проектирования телекоммуникационных устройств, изготавливаемых с применением КНТО
Анализ технологического процесса производства многослойных керамических структур позволяет выделить основные особенности технологии, которые необходимо учитывать на этапе конструирования изделий [44].
1.4.1 Изменение геометрических размеров при обжиге
Во-первых, разработчикам многослойных керамических плат, используемых в быстродействующих устройствах телекоммуникаций, следует учитывать, что геометрические размеры диэлектрических слоев и пассивных компонентов, интегрированных в платы, после обжига уменьшаются вследствие усадки базового материала. Это неотъемлемая часть технологического процесса производства. Все производители изделий по технологии КНТО стремятся минимизировать усадку материала подложки. Так, общая усадка материала после обжига, в зависимости от конструкции подложки, составляет около 15% в направлении осей «х» и «у» и около 20% в направлении оси «г». На сегодняшний день ведущими мировыми производителями разрабатываются материалы, дающие минимальную усадку в направлениях осей «х» и «у», однако, минимизация усадки в направлении оси «г» остается практически неразрешимой технологической задачей. В Таблице 1.19 приведены сравнительные характеристики после обжига наиболее распространенных керамических материалов. В частности, приводится значение усадки материала основания после обжига.