Проектирование объемных интегральных структур СВЧ и КВЧ
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Системы автоматического проектирования
Издательство:
СОЛОН-Пресс
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 452
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-91359-418-1
Артикул: 849309.01.99
Учебное пособие развивает на новой основе принципы, заложенные в фундаментальной книге Гвоздева В. И. и Нефёдова Е. И. «Объёмные интегральные схемы СВЧ». Рассматриваются гибридные и монолитные объёмные интегральные структуры СВЧ и методы их анализа и синтеза. Расчеты выполняются на современном программном обеспечении, среди которых акцент сделан на применение коммерческих программ электродинамического моделирования Microwave Offfice, HFSS ANSYS, CST SUITE и др. Книгу можно считать новой для российского читателя. Она предназначена для получения начальных сведений о технологии изготовления и моделирования современных гибридных и объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ и будет полезной для студентов, аспирантов и научных работников, работающих в области СВЧ.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 00.03.32: Инженерная и компьютерная графика
- 09.03.04: Программная инженерия
- ВО - Магистратура
- 09.04.04: Программная инженерия
- ВО - Специалитет
- 11.05.01: Радиоэлектронные системы и комплексы
- 11.05.02: Специальные радиотехнические системы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Курушин А.А., Нефёдов Е.И., Смольский С.М. Проектирование объёмных интегральных структур СВЧ и КВЧ СОЛОН-Пресс Москва 202
УДК 621.38
ББК 32.850.4
К93
Рецензенты: д.т.н., проф. Петров А.С., д.т.н. Галдецкий А.В.
Курушин А.А., Нефёдов Е.И., Смольский С.М.
Проектирование объёмных интегральных структур СВЧ и
КВЧ. — М.: СОЛОН-Пресс, 202. — 452 с.
ISBN 978-5-91359-418-1
Учебное пособие развивает на новой основе принципы,
заложенные в фундаментальной книге Гвоздева В.И. и Нефёдова Е.И.
«Объёмные интегральные схемы СВЧ». Рассматриваются гибридные
и монолитные объёмные интегральные структуры СВЧ и методы их
анализа
и
синтеза.
Расчеты
выполняются
на
современном
программном обеспечении, среди которых акцент сделан на
применение
коммерческих
программ
электродинамического
моделирования Microwave Offfice, HFSS ANSYS, CST SUITE и др.
Книгу можно считать новой для российского читателя. Она
предназначена для получения начальных сведений о технологии
изготовления и моделирования современных гибридных и объемных
интегральных схем СВЧ и КВЧ и будет полезной для студентов,
аспирантов и научных работников, работающих в области СВЧ.
УДК 621.38
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «СОЛОН-Пресс»
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru
Alexander Kurushin, Evgeny Nefedov, Sergey Smolsky.
Design of Microwave Integrated Structures/Moscow, 2020, «Solon-Press»
ISBN 978-5-91359-418-1
© СОЛОН-Пресс, 202
© Курушин А.А., Нефёдов Е.И.,
Смольский С.М., 202
Содержание Содержание ................................................................................................................. 3 Введение ...................................................................................................................... 8 Условные обозначения ........................................................................................... 13 Глава 1. Интегральные структуры СВЧ в радиосистемах ............................ 15 1.1 Развитие технологии MMIC ......................................................................... 16 1.2 Характеристики ОИС .................................................................................... 21 1.3 Применение гибридных и монолитных ИС ................................................ 23 1.4 Технологии создания ОИС ........................................................................... 27 1.6 Много-чиповые модули ОИС ....................................................................... 34 1.7 Интегральные схемы и СВЧ транзисторы в России .................................. 37 1.7.1 НИИ 35 (НИИПЭ, НИИ «Пульсар» Москва) .............................................. 38 1.7.2 Завод «Светлана» ........................................................................................... 39 1.7.3 ОКБ «Планета» (В.Новгород). ..................................................................... 40 1.7.4 НПП«Салют» Н.Новгород ........................................................................... 41 1.7.5 МПО «Исток» Фрязино ............................................................................... 41 1.7.6 НИИПП г. Томск ........................................................................................... 44 1.7.7 АО «Российская электроника» ..................................................................... 44 1.7.8 ОАО «Интеграл» («Транзистор») в г. Минске. .......................................... 45 1.8 Развитие САПР предназначенных для проектирования ИС .................... 45 1.9. Моделирование и синтез СВЧ структур с использованием САПР СВЧ ............................................................................................................ 48 1.9.1 Проблемы анализа и моделирования интегральных схем СВЧ ................ 49 1.9.2. Анализ СВЧ структур с активными элементами ....................................... 55 1.9.3. Многопортовые СВЧ структуры ................................................................. 65 1.9.4. Методы оптимизация и синтеза СВЧ структур ......................................... 71 1.9.5. Метод Олинера .............................................................................................. 78 1.10. Выбор электродинамического метода расчета при решении задачи анализа ОИС ......................................................................................................... 81 1.10.1. Анализ СВЧ структур в частотной и временной области....................... 85 1.11. Основные коммерческие программы HFSS, FEKO, CST и COMSOL ........................................................................................................... 85 1.12 Порты в САПР СВЧ .................................................................................... 88 1.13. Гибридные методы расчета СВЧ структур .............................................. 93 1.14. Моделирование физических процессов (температура, излучение) в СВЧ ИС ............................................................................................................ 110 1.15 Работа интегральных СВЧ структур в условиях космоса (мультипакция) .................................................................................................. 113 1.16 Численный ЭД расчет устройств СВЧ на материалах с анизотропными свойствами ........................................................................... 117 1.17 Применение интегральных СВЧ схем в медицине (нагревание биологических объектов, концентрация энергии, положительное и отрицательное действие СВЧ мощности) .................................................... 119 3
Глава 2. Основы проектирования объёмных интегральных схем с помощью современных САПР ............................................................................ 124 2.1 Несиммметричные и симметричные линии в ОИС ................................. 130 2.2 Дискретные порты ....................................................................................... 134 2.2.1. Операции постпроцессорной обработки дискретного порта ................. 136 2.2.2. Задание дискретных портов для решений Terminal ................................ 137 2.3. Опорные земляные плоскости в ОИС ...................................................... 138 2.4. Пример многослойной ОИС ...................................................................... 140 2.4.1. Создание многослойной подложки ........................................................... 141 2.4.2. Вырезание формы из прямоугольника слоя ОИС ................................... 144 2.4.3. Создание портов на линии ......................................................................... 147 2.4.4. Установки на анализ ОИС .......................................................................... 148 2.4.5. Постпроцессорная обработка данных расчета ......................................... 150 2.5. Моделирование симметричных каналов в ОИС ..................................... 154 Глава 3. Системы автоматизированного проектирования объемных интегральных структур СВЧ .............................................................................. 159 3.1. Содержание современных САПР СВЧ .................................................... 162 3.2. Иерархическая структура проекта ............................................................ 165 3.2.1. Библиотеки компонентов схемы ............................................................... 165 3.2.2. Элементы управления моделированием ................................................... 167 3.2.1. Оптимизация ОИС ...................................................................................... 167 3.3. Топология ОИС ......................................................................................... 168 3.3.1. Методы схемного моделирования ............................................................. 169 3.3.2. Расчет по постоянному току ...................................................................... 172 3.3.3. Анализ линейных схем ............................................................................... 173 3.3.4. Метод расчета нелинейных характеристик ОИС .................................... 174 3.3.5. Метод рядов Вольтерра .............................................................................. 176 3.3.6. Анализ переходных процессов .................................................................. 177 3.3.7. Анализ с помощью свертки ....................................................................... 178 3.3.8. Анализ шумов .............................................................................................. 179 3.5. Косимуляция аналоговых и цифровых схем ........................................... 181 3.6. Электромагнитное моделирование ........................................................... 182 3.6.1. Потребность в программах EM моделирования ...................................... 182 3.6.2. Ограничения библиотеки компонентов .................................................... 185 3.6.3. Требования к программе электромагнитного моделирования ............... 186 3.7. Использование и ограничения программ ЭМ моделирования .............. 187 3.8. Типы программ ЭМ моделирования ........................................................ 188 3.9. Численные методы ЭД моделирования ................................................... 189 3.10. Особенности программ анализа ЭМ поля ................................................. 194 3.10.1. Решение задачи ......................................................................................... 197 3.10.2. Постобработка результатов расчета ........................................................ 197 3.11. Коммерческие пакеты САПР .................................................................. 198 3.11.1. Программа EEsof EDA Series IV компании Agilent ............................. 200 3.11.2. Agilent EEsof EDA ADS ............................................................................ 200 3.11.3. Программа Serenade компании Ansoft .................................................... 202 3.11.4. AWR Microwave Office ............................................................................. 203 4
3.11. 5. Cadence Analog Artist ............................................................................... 204 3.11.6. Optotek MMICAD ...................................................................................... 204 3.11.7. Программа Genesys компании Eagleware ............................................... 205 3.12. Коммерческие программы для моделирования ОИС .......................... 205 3.12.1. Программа EEsof EDA IC-CAP ............................................................... 205 3.12.2. Программа LASIMO (версия 2.1) компании Optotek ............................. 206 3.12.3. Программа COPLAN ................................................................................. 207 3.13. Самые популярные коммерческие пакеты EM моделирования .......... 208 3.13.1. Программа Momentum ............................................................................. 209 3.13.2. Программы ANSYS HFSS и Ensemble ................................................... 210 3.13.3. Программа Sonnet EM Suite .................................................................... 211 3.13.4. Программы Sonnet Software и CST Microwave Studio ......................... 212 3.13.5. Программа Zeland IE3D и Fidelity ........................................................... 213 3.13.6. Программа EMSight компании AWR ....................................................... 215 3.13.7. Программа EMpower компании Eagleware .......................................... 216 3.13.8. Программа Vector Fields Concerto ........................................................... 216 3.13.9. Программа Faustus Scientific MEFisSTo-2D ........................................... 216 3.13.10. Программа Full Wave ............................................................................. 217 3.13.11. Программы MAFIA и CST SUITE компании CST ................................ 217 3.13.12. Программа XFDTD компании Remcom ............................................... 219 3.13.13. Программа EMpire ................................................................................. 220 3.13.14. Программа COMSOL Multiphysics ........................................................ 221 3.13.15. Программа FEKO .................................................................................... 222 Глава 4. Моделирование линий передачи в объемных интегральных структурах .............................................................................................................. 225 4.1. Симметричная полосковая линия ............................................................. 227 4.2. Микрополосковая линия (несимметричная полосковая). ..................... 234 4.2.1. Расчет микрополосковой линии на MWO ................................................ 236 4.2.2.Расчет микрополосковой линии на HFSS .................................................. 237 4.3. Дифференциальная микрополосковая линия .......................................... 238 4.4. Дифференциальная пара полосковых линий ........................................... 242 4.4.1. Расчет дифференциальной пары полосковых линий на MWO .............. 243 4.4.2. Расчет дифференциальной пары полосковой линии с помощью HFSS ....................................................................................................................... 244 4.5. Полосковая структура из 7 линий ............................................................. 247 4.6. Копланарная линия передачи .................................................................... 251 4.6.1. Расчет копланарной линии передачи на MWO ........................................ 254 4.6.2. Расчет на HFSS отрезка копланарной линии передачи ........................... 259 4.6.3. Результаты расчета отрезка копланарного волновода ............................ 266 4.7. Копланарный волновод с земляной платой внизу .................................. 267 4.8. Установка дифференциальных пар линий ............................................... 272 Глава 5. Алгоритмы проектирования ОИС .................................................... 279 5.1. Линии передачи в ИОС .............................................................................. 280 5.1.1. Заполнение пустот между слоями ............................................................. 281 5.1.2. Импорт топологии в проект ....................................................................... 282 5
5.1.3. Добавление компонентов в проект ........................................................... 284 5.2. Автоматическое создание и установка портов ........................................ 285 5.2.1. Дифференциальные порты и порты с одним окончанием .................... 285 5.2.2. Проверка топологии .................................................................................... 288 5.2.3. Моделирование следов припоя в ОИС ..................................................... 289 5.2.4.Эффективная проводимость перемычки ................................................... 290 5.2. Многослойная подложка ОИС .................................................................. 293 5.2.1. Редактор цепей (Net Editor) ....................................................................... 296 5.3. Создание схемы и топологии в CST PCB ................................................ 303 5.3.1. Проверка и редактирования цепей ............................................................ 304 5.3.2. Автоматическое обозначение цепей ......................................................... 305 5.3.3. Прокладка трасс линий передачи .............................................................. 306 5.3.4. Проводящие формы на слоях ..................................................................... 308 5.4. Перемычки и площадки ............................................................................. 310 5.4.1. Терминалы ................................................................................................... 314 5.5. Моделирование ........................................................................................... 315 5.6. Калькулятор импедансов ........................................................................... 316 5.7. Компоненты ОИС в PCB .......................................................................... 317 5.8. Типы базовых моделей для пассивных приборов ................................... 320 5.9. Модели Touchstone ..................................................................................... 323 5.10. Модели компонентов SPICE .................................................................. 324 5.11. Модели генераторов сигналов ................................................................ 324 5.11.1.Модель генератора пульсирующего напряжения ................................... 325 5.11.2. Модель прибора входа-выхода (IBIS) ..................................................... 326 5.12. Типы базовых моделей для источников питания .................................. 328 5.12.3. Внесение моделей в композитный составной прибор .......................... 332 Глава 6. Методы расчета ОИС в CST PCB STUDIO ..................................... 335 6.1. Метод линий передачи 2D TL ................................................................... 339 6.1.1. Включение или отключение клемм цепей ................................................ 343 6.1.2. Процесс вставки чипа в структуру и схему .............................................. 344 6.1.3. Закладка Meshing в методе 2DTL .............................................................. 345 6.1.4. Выбор формы площадок для перемычек .................................................. 347 6.1.5. Закладка 2DTL Modeling ............................................................................ 350 6.1.6. Выбор модели для моделирования задержки вдоль линий .................... 350 6.1.7. Испытание модели до самых высоких частот .......................................... 351 6.1.8. Опции расчета ОИС .................................................................................... 352 6.1.9. Экспорт модели ........................................................................................... 353 6.2. Метод расчета 3D FEFD ............................................................................ 353 6.2.1. Запуск моделирования методом 3D FEFD ............................................... 355 6.3. Расчет ОИС во временной области .......................................................... 357 6.4. Установки на решение PCB методом 2DTL ............................................ 361 6.5.Установки экспорта ОИС в MWS ............................................................. 361 6.6. Моделирование ИС в частотной области ................................................ 363 6.6.1. Настройки на решение в частотной области в программе 2DTL ........... 367 6.6.2. Установки экспорта в MWS ....................................................................... 368 6.7. Моделирование разводки по постоянному току IR-Drop (DC) ............ 369 6
Глава 7. Практические примеры моделирования ОИС .............................. 376 7.1. Расчет характеристик ОИС по линиям питания DC ............................... 378 7.1.1. Структура PCB ............................................................................................ 379 7.1.2.Установки на анализ методом PI ............................................................... 384 7.1.3. Моделирование ОИС методом разбиения пространства ........................ 389 7.1.4. Моделирование ........................................................................................... 397 7.3.Моделирование вертикальных перемычек Via ........................................ 400 7.4. Экспорт модели .......................................................................................... 403 7.5. 2D (TL) моделирование ............................................................................. 404 7.6. 3D (FE-FD) моделирование ....................................................................... 404 7.7. Пример проектирования ОИС ................................................................... 405 7.7.1. Разбиение на сетку и моделирование ОИС методом PEEC ................... 412 7.7.2. Низкочастотная экстракция ....................................................................... 428 Заключение ............................................................................................................. 435 Литература ............................................................................................................. 439 7
Введение Впервые к использованию трёхмерных интегральных структур обратились исследователи и инженеры в России. Со времени издания книги «Объёмные интегральные схемы СВЧ» [1], написанной В.И.Гвоздевым (1945-2000) и Е.И.Нефёдовым, прошло более 30 лет и многое изменилось под Луной. Почти 20 лет назад ушёл из жизни В.И.Гвоздев и ряд других исследователей, принимавших участие в первых разработках этого цикла (А.М.Чернушенко, М.Ю.Литвиненко и др.), некоторые отошли от этой тематики… Материал книги [1] в значительной степени основывался на предыдущих работах по электродинамике СВЧ линий передачи и базовых элементах техники СВЧ [2,3], а также более поздних работах общего физико-технического плана [4-9]. Многое изменилось в теории, технике, технологии, математическом и физическом моделировании интегральных схем СВЧ, а позднее и КВЧ области. Появились совершенно новые материалы, например, графены, наноматериалы, позволяющие существенно сдвинуть диапазон рабочих частот в сторону терагерцового диапазона. Это позволяет в значительной мере уменьшить массогабаритные размеры широкого класса радиотехнических и радиофизических элементов и устройств. Появились новые дисциплины, а именно наноэлектроника, нанооптика, наномеханика, наносенсорика. Всё это требует новых подходов к проектированию и моделированию устройств и элементов. В этих областях не всегда работают классические методы анализа. Но сама идея перехода от плоскостного и многослойного конструирования к объёмному, трёхмерному, заявленная в первой в мире упомянутой выше монографии осталась неизменной. В значительной степени расширились области применения ИС и RFIC. Последние годы в физике и электродинамике произошёл существенный сдвиг. Он выразился в создании обобщённой теории электромагнетизма, позволившим снять многие так называемые парадоксы классической электродинамики [10-14]. Сейчас отметим только некоторые из них. Это прежде всего эффекты Бифельда-Брауна, Ааронова-Бома и мн.др. Нарушение закона Ньютона, рельсотронный эффект, униполярный двигатель Фарадея, униполярный генератор, волны Тесла и мн.др. Только обобщённая теория даёт отчётливое физическое толкование этим эффектам (см., например, [12,13]). Даёт им дорогу в новую жизнь, значительно расширяя наши представления о возможностях техники и вообще об окружающем мире. В значительной мере это относится к линиям передачи и базовым элементам RFIC КВЧ диапазона. Дальнейшее развитие анализа и синтеза ОИС СВЧ и особенно КВЧ потребовало больших исследований проблем классической электродинамики [18-33]. Аналогичные исследования проводились и за рубежами России [13-33]. Нынешний этап научно-технической революции характеризуется широким применением идей, методов и устройств радиоэлектроники (РЭ) в самом
широком смысле этого понятия. Большая насыщенность сфер науки и производства радиоэлектронной аппаратурой (РЭА) с неизбежностью приводит к настоятельной необходимости, с одной стороны, повышения емкости канала связи (скорости передачи информации) при выполнении жестких требований по электромагнитной совместимости различных РЭА, а с другой – к принятию мер по снижению габаритов и массы РЭА. В настоящее время все большее количество РЭА СВЧ производится на основе широкого использования интегральных схем (ИС). Традиционное развитие радиоэлектроники идет по пути непрерывного продвижения в область все более коротких волн. При этом зачастую изучение и техническое освоение новых диапазонов происходят практически одновременно. На сегодня РЭА, предназначенная для работы (на уровнях умеренной мощности) в диапазонах коротких сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн, постепенно и с каждым годом все более интенсивно ориентируется на использование средств и методов ИС. Последние годы в связи с широким исследованием и применением графенов и наноматериалов значительно расширилась область использования идей и техники RFIC. Кроме таких традиционных областей как радиотехника и радиофизика, в дело включились биология, медицины, оптоэлектроника и компьютерная техника. В этой последней (по перечислению) области применение нанотехнологий позволяет надеяться на получение параметров, превышающих по числу элементов человеческий мозг на три порядка, по быстродействию и по плотности упаковки в 109 раз. По традиции, многие современные ИС СВЧ выполняется в виде планарных однослойных или этажерочных конструкций, что приводит в ряде случаев к неоправданно большим габаритам РЭА и техническим сложностям при создании и эксплуатации. Поэтому необходим, во-первых, широкий поиск технических решений, позволяющих получить качественно новые характеристики РЭА, в которой используется не только набор “традиционных” базовых элементов (БЭ), но и новых линий передачи и новых БЭ. Во-вторых, необходим интенсивный поиск новых (или относительно новых – использование известных в новом качестве) физических эффектов, которые бы дали в руки исследователя, а затем и инженера-проектировщика принципиально новые возможности для осуществления оптимальной по конструкции и электрическим параметрам аппаратуры. Рассмотрению этих двух направлений и посвящена предлагаемая книга. Одним из возможных и эффективных путей построения малогабаритных узлов РЭА СВЧ является применение в одних объемных (многослойных) RFIC. Суть дела состояла в следующем. Ко времени предложения к использованию идеологии и техники RFIC в мире было известно, исследовано и практически используется большое число типов регулярных и нерегулярных линий передачи (ЛП): волноводные, коаксиальные, полосковые, копланарные, щелевые и многие другие. На их основе строились БЭ разного типа. Обычно в каждом БЭ применяется один тип ЛП. При этом выбор типа базовой ЛП определяется как электродинамическими, так и конструктивно-технологическими соображениями и расчетами. Очевидно, что каждый из типов ЛП обладает комплексом 9
определенных преимуществ и Oнедостатков, а поэтому для построения оптимального по всем параметрам БЭ необходимо подобрать наиболее подходящий ему тип ЛП. Очевидно также, что СВЧ модуль (функциональный узел) будет оптимальным о выбору разнородных параметров (электрических, массогабаритных, механических, климатических и т.п.) не только в том случае, когда каждый из составляющих его БЭ выполнен на том типе ЛП, которая обеспечивает его наилучшие конструктивно-электрические параметры, но и когда согласование всех БЭ в СВЧ модуле производится оптимальным образом. Техническая реализация идеи “каждому БЭ – оптимальный тип ЛП” при общем планарном принципе построения СВЧ модуля РЭА не представляется возможной, так как и в этом случае СВЧ модуль содержал бы чрезмерно большое число переходов между БЭ (выполненными на разнородных ЛП), равное по порядку величины числу БЭ модуля. При этом сам принцип планарной технологии оказался бы невыполненным, СВЧ модуль получился бы весьма растянутым и пр. И, наконец, планарные конструкции неудобны для размещения в них активных и невзаимных элементов, реализации пересекающихся (без электрического контакта) проводников и многое другое. На смену планарным конструкциям начинают приходить трёхмерные ОИС, позволяющие разрешить ряд проблем принципиального плана, которые были либо не под силу планарным ИС, либо могли быть там реализованы с большими конструктивно-технологическими сложностями. Иллюстрацией тому служат, например, полосовые фильтры с O/8 связями. В конструкциях РЭА, построенных на основе принципа RFIC, обычно во “внутреннем” объеме схемы размещаются пассивные БЭ (электрически связанные между собой и по этажам – в плоскостях и (или) по вертикали) обработки СВЧ сигнала; активные элементы – вблизи боковых стенок. Такой подход к общей компоновке СВЧ модуля существенно упрощает систему охлаждения РЭА, настройку некоторых БЭ, которые пока не удается “вогнать в параметры” на уровне проектирования, замену активных элементов и многое другое. Серьезным преимуществом принципа ОИС является резкое уменьшение габаритов и массы РЭА по сравнению с планарными конструкциями. В реализованных устройствах этот выигрыш составляет 1-3 порядка. Предлагаемая вниманию читателя книга сочетает обзорный материал с примерами реальных ОИС. Одновременно она являеися попыткой показать логичность, непротиворечивость и закономерность перевода СВЧ модулей РЭА на ОИС. В ней в рамках единого подхода как в расчетно-геометрическом, так и в конструктивно-технологическом планах рассматривается элементная база РИС СВЧ и КВЧ и общие принципы проектирования (преимущественно пассивных) узлов РЭА. К настоящему времени теория планарных ИС (во всяком случае, пассивных) разработана достаточно подробно, выяснены физические принципы работы ЛП и БЭ, их проектирование до определенной степени автоматизировано [1-3]. При разработке плана книги авторы видели свою задачу в том, чтобы, прежде всего, опираясь на накопленный опыт проектирования ИС СВЧ, прежде всего, отобрать из практически безбрежного океана сведений по ИС СВЧ все “подходящее” для ОИС. Оказалось, что необходимы и новые классы устройств, 10