高性能S、C波段聲表面波微波延遲線

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(guò)扇型結(jié)構(gòu)聲表面波換能器的拓?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S、C波段聲表面波（SAW）微波延遲線，它比聲體波（BAW）微波延遲線的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝流程更加簡(jiǎn)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(duì)抗、高度計(jì)、通信、引信、信號(hào)處理器、目標(biāo)模擬、微波信號(hào)存儲(chǔ)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。

2SAW微波延遲線基本工作原理

SAW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(hào)加載到輸入換能器后,利用逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)并以聲的速度（比電磁信號(hào)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(hào)還原成電信號(hào)，形成電信號(hào)的延遲。顯然改變兩個(gè)換能器間的相對(duì)距離，就可得到不同延遲時(shí)間的電信號(hào)，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(guò)程可能帶來(lái)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(cè)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S、C波段工作頻率，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(duì)其表面狀態(tài)的要求很高。對(duì)工作在微波頻段的SAW器件來(lái)講，在工藝制作過(guò)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的指間隔非常小（1/4λ），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(jiàn)圖2，有效解決了靜電釋放導(dǎo)致IDT燒毀和晶片開(kāi)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。聲表面波器件是通過(guò)電-聲、聲-電變換的聲波傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸?shù)?，但電信?hào)也可不經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiàn)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(duì)直通信號(hào)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(guò)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(guò)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(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，頻域響應(yīng)見(jiàn)圖6，時(shí)域響應(yīng)見(jiàn)圖7。

表11.5GHzSAW微波延遲線實(shí)測(cè)指標(biāo)

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(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，頻域響應(yīng)見(jiàn)圖8，時(shí)域響應(yīng)見(jiàn)圖9。

表22.7GHzSAW微波延遲線實(shí)測(cè)指標(biāo)

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(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3，頻域響應(yīng)見(jiàn)圖10，時(shí)域響應(yīng)見(jiàn)圖11。

表32.85GHzSAW微波延遲線實(shí)測(cè)指標(biāo)

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(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4，頻域響應(yīng)見(jiàn)圖12，時(shí)域響應(yīng)見(jiàn)圖13。

表44.3GHzSAW微波延遲線實(shí)測(cè)指標(biāo)

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(guó)內(nèi)還沒(méi)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(guó)內(nèi)外均未查到相關(guān)報(bào)道，屬國(guó)際首創(chuàng)。

與國(guó)內(nèi)外相近技術(shù)指標(biāo)的聲體波（BAW）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BAW微波延遲線17～27dB，為國(guó)際領(lǐng)先水平。見(jiàn)表5。

表5SAW延遲線與BAW延遲線指標(biāo)對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的SAW微波延遲線還具有以下優(yōu)勢(shì)。

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(guò)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(guò)4～6工藝流程、逐個(gè)調(diào)試修正完成制作，可見(jiàn)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(shì)。

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(guò)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(duì)抗等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。