Технологическая оптимизация микроэлектронных устройств СВЧ

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ  
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 210601  
«Радиоэлектронные системы и комплексы» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
2014 
 

УДК 681.2 
ББК 34.9 
         Т38 
Издание доступно в электронном виде на портале e-book.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/192/book105.html 

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 

Кафедра «Технологии приборостроения» 

Авторы: А.Г. Гудков, С.А. Мешков,  
М.А. Синельщикова, Е.А. Скороходов 

Рецензенты: зам. начальника отдела ОАО «Концерн Вега»  
канд. техн. наук А.В. Королев;  
канд. техн. наук, доцент В.В. Маркелов 
     
Технологическая 
оптимизация 
микроэлектронных 
устройств СВЧ : учеб. пособие / А. Г. Гудков, С. А. Мешков, 
М. А. Синельщикова, Е. А. Скороходов. — М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 44, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3928-7 

Содержит основы теории технологической оптимизации микроэлектронных устройств СВЧ, систематизированные процедуры 
статистического моделирования, проведения оптимизации, схемы 
процессов технологической оптимизации, примеры их выполнения с указанием последовательности использования расчетных зависимостей, а также методические рекомендации и необходимую 
справочную информацию. 
Для студентов, изучающих конструкторско-технологические 
проблемы микроэлектронных средств. 
 
                                                                                                        
                                                                                                          УДК 681.2 
    ББК 34.9 
 
 
 
 
 
 
                            
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3928-7                                  МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

Т38 

ВВЕДЕНИЕ 

Необходимость подготовки настоящего учебного пособия обусловлена актуальностью проблемы технологического обеспечения 
ускоренного развития радиоэлектронных средств (РЭС), охватывающих все сферы деятельности государства — от обороны и ключевых отраслей промышленности до производства бытовой техники. 
Объемы выпуска и продаж РЭС на мировом рынке характеризуются 
устойчивым темпом роста до 16 % в год. Проникновение радиоэлектроники во все сферы жизни общества расширяет спектр задач, решаемых современными РЭС. Как следствие, ужесточаются требования к эксплуатационным показателям, их точности и надежности. 
Общей тенденцией развития РЭС является увеличение рабочей частоты с переходом в диапазоны СВЧ и КВЧ. Устройства 
СВЧ отличаются чувствительностью электрических свойств к  
отклонениям параметров конструкции и входных воздействий, вызванным технологическим разбросом и изменением условий эксплуатации. Широкому использованию устройств СВЧ препятствует и их стоимость, растущая с уменьшением длины волны. Снижение стоимости находится в противоречии с тенденцией улучшения 
характеристик приемопередающих модулей (ППМ) радиолокационных станций (РЛС). 
Заданные параметры устройств СВЧ традиционно обеспечиваются увеличением точности технологического процесса изготовления и введением настроечно-регулировочных работ. Следствием 
такого подхода является высокая трудоемкость производства. Для 
снижения стоимости смягчаются требования к точности оборудования, но при этом уменьшается надежность и возникает брак по 
электрическим свойствам из-за несоответствия эксплуатационных 
параметров наложенным разработчиком ограничениям. 
Комплексный подход к созданию РЭС, охватывающий стадии 
проектирования, производства и эксплуатации, является одним из 
перспективных путей решения задачи увязки показателей качества, стоимости и вероятности выхода годных РЭС благодаря тех

нологическому сопровождению на всех этапах жизненного цикла 
изделия. Указанный подход называется технологической оптимизацией. 
Настоящее учебное пособие охватывает методы технологической оптимизации микроэлектронных устройств (МЭУ) СВЧ, позволяющие обеспечить высокие требования к электрическим параметрам и минимизировать настроечно-регулировочные работы в 
процессе изготовления. 

1. ОСОБЕННОСТИ  
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ  
ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ 

За последние 15 лет в мировой радиоэлектронике расширилась 
область применения техники СВЧ. Наряду с уже ставшим традиционным применением, связанным с РЛС военного назначения, 
увеличился рынок гражданской электроники СВЧ, представленный системами обработки и передачи информации, радиочастотной идентификации, контроля и обработки различных материалов, 
медицинскими системами и др. 
В аппаратуре военного назначения начался переход к технике 
пятого поколения, чьи особенности обусловлены резким сокращением отражающей поверхности высокоскоростных целей и необходимостью дальнейшего уменьшения массы и габаритов при повышении 
надежности. В радиоэлектронных системах пятого поколения применяется активная фазированная антенная решетка (ФАР) со сложением излучаемой мощности в пространстве, что стало возможным 
лишь в последние десятилетия благодаря успехам в создании твердотельных элементов и монолитных микросхем СВЧ. 
Широкому использованию активной ФАР препятствует ее высокая стоимость, растущая с уменьшением длины волны (рис. 1.1) [1].  
С учетом необходимости поддержания высокого уровня разработок в 
области РЭС основным фактором при проектировании активной 
ФАР является снижение стоимости. На нее влияют ритмичность и 
объем выпуска однотипных модулей, а также применение унифицированных технологий производства элементов и в первую очередь 
микросхем СВЧ. Цену ППМ определяют главным образом степень 
унификации и связанный с ней объем выпуска. 
При проектировании устройств СВЧ следует опираться на технико-экономическое обоснование, так как затраты на производство и 
эксплуатацию могут быть существенными для бюджета даже крупных промышленно-финансовых корпораций и государств. Так, удешевление систем спутниковой связи на 5…10 % даст экономию в 
несколько десятков миллионов долларов США [2, 3]. В силу этого 

основным фактором при проектировании таких систем является также снижение стоимости. Однако при этом не должны ухудшаться 
другие показатели качества, т. е. нужно обеспечить технико-экономическую эффективность устройств СВЧ. 

Рис. 1.1. Ориентировочная стоимость 1 м2 апертуры ФАР  
при средней излучаемой мощности 2 кВт: 
1 — пассивная ФАР; 2 — активная ФАР 
 
Устройства управления фазой и амплитудой сигнала СВЧ являются важными элементами РЛС, они применяются в приемопередающих трактах, аппаратуре встроенного контроля, модулях 
ФАР, системах компенсации фазовых и амплитудных флуктуаций 
передатчика. При их создании необходимо обеспечить соответствие 
высоким требованиям к уровню фазовых и амплитудных шумов и 
флуктуаций, электромагнитную совместимость (электрогерметичность до –90 дБ) и большой (до 100 дБ) динамический диапазон изменения амплитуды сигнала СВЧ. Поскольку значительная часть 
управляющих устройств предназначена для работы на малом и среднем уровнях мощности, указанным требованиям могут удовлетворять 
устройства на диодах в виде интегральных модулей. 
В аппаратуре бортовых когерентных РЛС фазовращатели и аттенюаторы с непрерывным изменением фазы и амплитуды сигнала СВЧ применяются ограниченно из-за высокого уровня флуктуаций сигнала СВЧ, обусловленных флуктуациями управляющего сигнала, а также ввиду температурной нестабильности и зависимости параметров от уровня мощности СВЧ. 

Для дискретных фазовращателей одним из важнейших факторов является воспроизводимость параметров. При использовании 
этих устройств в ФАР требования к точности дифференциального 
фазового сдвига очень высоки, что обусловлено ростом боковых лепестков диаграммы направленности антенны с увеличением фазовых 
ошибок. Например, для ФАР с низким уровнем боковых лепестков 
диаграммы направленности антенны необходимы 6–8-разрядные  
фазовращатели, что соответствует среднеквадратической ошибке 
дифференциального фазового сдвига 1,5. 
В то же время повышение точности фазового сдвига фазовращателя резко увеличивает затраты на настройку. Для 3-, 4-разрядных 
фазовращателей стоимость изготовления практически равна стоимости настройки и контроля, добавление одного разряда повышает стоимость настройки примерно в 2 раза. Снизить стоимость модуля 
можно путем минимизации стоимости настроечно-регулировочных 
работ за счет изменения схемотехнических решений и проведения 
технологической оптимизации, способствующей получению максимального выхода годных фазовращателей. 
Сложность достижения высокой точности электрических параметров обусловлена неадекватностью математических моделей объектам производства и отсутствием методик расчета, в которых учитывается влияние конструктивно-технологических погрешностей. 
Настройка не всегда дает оптимальные характеристики, к тому же 
она весьма трудоемка (может доходить до 40 % трудоемкости изготовления). 

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  
ОПТИМИЗАЦИИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ 

2.1. Постановка задачи технологической оптимизации  
МЭУ СВЧ 

В основополагающей работе [4] по теории технологической 
оптимизации МЭУ СВЧ в качестве исходной концепции принято, 
что целью проектирования является создание устройства, которое 
обладает заданными эксплуатационными (в том числе электрическими) параметрами и может быть изготовлено с минимальными 
затратами при заданных условиях.  

Сумма затрат на выполнение технологического процесса 
представляет собой технологическую себестоимость 
т.
S  
Технологическая себестоимость годного изделия при невосстанавливаемом браке  

т
т
,
С
S

  

где   — число годных изделий в партии.  
В рамках исходной концепции себестоимость Ст является 
комплексным показателем качества проектирования, поскольку 
характеризует не только эксплуатационные параметры (как соответствующие предъявленным требованиям), но и технологический 
процесс изготовления изделия. Комплексность выражается также в 
зависимости от схемотехнического, конструкторского и технологического решений, принятых при проектировании. 
Вид и параметры распределения плотности вероятности показателя качества определяются зависимостями конструкционных параметров от структуры и условий выполнения технологического 
процесса, а также схемотехнической и топологической реализациями 
МЭУ СВЧ. Чтобы увеличить вероятность выхода годных изделий, 
можно изменить параметры распределения плотности вероятности 
показателя качества путем выбора номинальных значений конструкционных параметров и их разброса, т. е. путем преобразования 
топологии МЭУ СВЧ и технологического процесса. 
Точность конструкционных параметров определяет технологическую себестоимость. На рис. 2.1 
приведена зависимость технологической себестоимости годного изделия от 
точности изготовления топологии полоскового 
элемента 
при 
заданном  
допуске. При уменьшении точности 
изготовления топологии (т. е. при увеличении технологического разброса  
параметров) технологическая себестоимость снижается (кривая 1), но появляется брак. Стоимость 
бр
S
 брака, наоборот, растет при уменьшении точности производства (кривая 2). В результате 
технологическая 
себестоимость 
годного изделия (кривая 3) при некоторой точности изготовления топологии 
имеет минимальное значение 
2
 . Кри
Рис. 2.1. Зависимость технологической 
себестоимости годного изделия от точности изготовления (разбро         са  параметров) 

вая 3 в известной степени гипотетична, поскольку не учтены предельно достижимые значения точности. Возможно существование 
лишь ее части, но общая тенденция сохранится. 
Взаимосвязанный выбор схемотехнической (топологической) 
реализации полосковых элементов и узлов МЭУ СВЧ, номинальных значений их конструкционных параметров и точности технологического процесса при заданных ограничениях по критерию 
минимальной технологической себестоимости годного изделия 
называется технологической оптимизацией параметров конструкций и процессов производства МЭУ СВЧ. 
Технологическая оптимизация следует непосредственно после 
параметрического синтеза и оптимизации устройств. Она проводится по схемотехническому и топологическому решениям устройств, 
при создании которых оптимально удовлетворены требования достижения заданных эксплуатационных параметров и найдены допустимые отклонения электрических и конструкционных параметров 
от их номинальных значений. 
Технологическая оптимизация предполагает, что при минимальной технологической себестоимости каждого из полосковых 
элементов МЭУ СВЧ обеспечивается минимальная технологическая себестоимость годного МЭУ СВЧ в целом. Очевидно, что при 
этом появляются дополнительные ограничения. В частности, точность технологического процесса должна быть одинаковой для 
всех полосковых элементов и узлов платы, что обусловлено применением интегральной технологии, а вероятность выхода годных 
плат должна рассматриваться как условная. 
Постановка задачи технологической оптимизации такова: 
1) управляемые параметры: внешние электрические ,
Y  внутренние электрические y, конструкционные 
,x  а также их допустимые отклонения 
,
Y

 
,y

 
x
  (данные системы автоматизированного проектирования); 
2) целевая функция: 
т
т. с
т. о
( , , ,
,
,
,
,
,
),
x
C
f Y y x
Y
y
x
S
S





где 
x
  — среднеквадратические отклонения конструкционных параметров; 
т.с,
S
 
т.о
S
 — составляющие технологической себестоимости, 
обусловленные соответственно структурой технологического процесса и применяемым оборудованием; 
3) критерий оптимальности: условный минимум 
т;
С
 
4) накладываемые ограничения: 
p
Y
Y

 и 
д,
Y
Y

 где 
р
Y  — 
область работоспособности; 
д
Y  — допустимая область. 

При устойчивом и стабильном технологическом процессе  
(
x
  const) минимум технологической себестоимости годного изделия достигается изменением номинальных значений конструкционных параметров, обеспечивающим максимальную вероятность выхода годных изделий. 
Рассмотрим технологическую оптимизацию конструкции 
МЭУ СВЧ на примере полоскового элемента с одним электрическим параметром, по которому определяется годность. Часто им 
является волновое сопротивление. Обозначим электрический параметр через 
,y  а границы поля допуска на него через a  и 
.b  
Пусть поле допуска равноценно во всех точках, а элементы, чьи 
параметры попали в поле допуска, считаются годными. 
Каждый устойчивый и стабильный технологический процесс 
изготовления МЭУ СВЧ характеризуется своей совокупностью 
погрешностей конструкционных параметров и определенными 
функциями их распределения. При неизменной структуре процесса изменение точности выполнения операций влияет на точность 
конструкционных параметров МЭУ СВЧ. Их разброс обусловливает разброс электрического параметра.  
Пусть 
( )
W y  — функция распределения плотности вероятности электрического параметра с учетом функциональных особенностей элемента СВЧ и зависимостей, связывающих его электрические и конструкционные параметры. Тогда вероятность выхода 
годных элементов СВЧ 

 
 
г
( )

b

a
P
W y dy
 
 
 (2.1) 

в зависимости от случайных конструкционных параметров 
ix  
примет вид 


г
1
2
1
2
(
,
,
,
)
,
n
n

B
P
f x
x
x
dx dx
dx
  



 

где B  — допустимая область изменения конструкционных параметров, при которых электрический параметр будет находиться в 
поле допуска. 
Постулируем, что конструкционные параметры 
ix  распределены по закону Гаусса с математическим ожиданием 
ix  и среднеквадратическим отклонением 
.
ix

 Задача оптимизации заключается в определении таких номинальных конструкционных пара