通路孔之间的比较研究,通过免费接地共面波导微带转换薄聚合物基质

文摘

via-holed之间的比较研究,通过免费背靠背GCPW-MS-GCPW(共面Waveguide-Microstrip接地线)转换摘要报告。根据仿真结果,via-holed和通过免费转换商业benzocyclobutene聚合物20μm电影显示带宽/ 57 GHz。的带宽优化via-holed过渡随着通路孔直径的增加而增加,与300年75 GHzμm通路孔直径。通路孔自由过渡达到实验的ultrabroadband 2兆赫到78兆赫的插入损耗只有0.5 dB的铜金属化厚度2μm。此外,这些测量结果与仿真结果完美的协议。这些通过免费和via-holes转换是非常有用的和要求的组件包装、薄片上的测量基于微带微波集成电路、混合集成电路中互连也包括微带和共面结构。

1。介绍

电信发展在特定的射频系统操作的频率上升,光电系统,增加信息的流动1]。这种演变生成新的信号处理组件和功能要求,尤其是集成的约束。为了确保良好的传输质量,必须保存在整个传输信号的完整性。可以使用不同的传输线电路根据他们的拓扑和功能。转换然后必要接口不同的输电线路。高性能微波电路需要低损失和反射转换接口,在大带宽多波段或宽带应用程序。例如,电光调制器(EO)是一个关键的元素在光传输链码率非常高。其微波互连和驱动电路应该考虑以达到最大带宽。在这个组件基于光电聚合物,微带线适用于驱动信号应用于优化光电调制。包装之前最后一个组件,需要描述其性能通常使用微波探针台配备地面信号接地(GSG)共面探测器保险良好的电接触。 Therefore, a transition between coplanar and microstrip lines (CPW-MS) is indispensable to characterize the components. This transition must satisfy at least these three criteria: ultrawideband, easy realization, and low cost.

实现这种转换,直接解决方案包含物理连接共面地面飞机顶部和底部的地平面微带线通过金属化via-holes [2- - - - - -4]。尽管这个解决方案通常用于厚层、薄层的使用非常有限。事实上,正如我们将看到后,金属化滤波器通带平坦via-holes降解引起共振峰,尤其是在位置和数量的情况下,这些via-holes不优化。此外,这种技术是复杂的实现,尤其是在聚合物中调节器的微波介质材料是由光学和光电聚合物光刻的化学反应非常敏感。然后通过免费转换一个有吸引力的解决方案(5- - - - - -7)因为他们使用电容耦合之间的底部和顶部地面飞机投保地面连续性和不需要任何处理基板,但它们导致带通行为减少直流分量。通过免费薄基片上的转变,如聚合物电影,可能导致超宽频带宽由于一个非常大的电容之间的底部和顶部地面飞机。我们报道了通过免费GCPW(接地共面波导)女士过渡薄benzocyclobutene (BCB)聚合物衬底的带宽80 GHz (8]。

我们在此报告一个全面研究共面之间的转换和微带线的薄聚合物薄膜。第一部分是用于辅助孔和通过免费转换之间的比较研究。我们专注于性能与优化via-holes的过渡。本部分旨在研究via-holes数量和直径的影响。在第二节中,我们提出一个理论研究和实验验证,通过免费背靠背GCPW-MS-GCPW转换与ultrawide带宽没有图案底部地平面。这些转换实现BCB聚合物薄膜提供了一个实验从2兆赫到80兆赫带宽。这些通过免费和via-holes转换可能有用的所有微波组件由微带线,基于聚合物的光电调节器只是一个例子。

2。GCPW-MS-GCPW转换

拓扑GCPW-MS-GCPW过渡,而没有via-holes,研究了图所示1微带线的地方充当功能器件驱动电极之间。介质是20μ米厚的BCB堆栈的聚合物薄膜,将聚合物层实现EO波导。其介电常数()是2.65和它的损耗角正切()根据频率变化从0.008到0.029,10]。旋转涂布的BCB聚合物沉积在365年μ米厚的硅晶片,以前整片涂有一层金属薄膜。50的尺寸微带和接地共面线如下:中央地带的宽度= 54μm和共面缺口= 25μm。微带线的长度是固定在1厘米。沉积铜厚度是2μ根据与轮廓曲线仪测量m。对于这些研究,我们固定的共面垫尺寸和在1毫米。这个选择是由研究已经完成了这些参数(8]。

在接地共面线结构,电场传播传播分为三个模式由于背面导体(cf图2(一个)):微带(MS)模式,共面波导(CPW)模式,共面微带(CPM)模式。特别是,底部之间的CPM模式是兴奋地平面和共面地面带顶部(很显然不存在没有背面导体在数据配置)。CPM模式可以避免通过优化via-holes,防止形成空腔的两个侧地面飞机(cf。图2 (b))。这些via-holes确实应该表现得像一个过滤器的CPM模式。

2.1。背靠背的比较有和没有Via-Holes GCPW-MS过渡

图中给出的过渡1可能是意识到使用via-holes允许一个物理连接共面地面飞机顶部和底部之间的地平面微带线。然而,这种技术增加了设备制造成本由于额外的制造步骤和需要特别注意的选择via-holes位置、直径、间距。为此一些研究收敛需要把更多的via-holes有效过滤CPM模式。因此,在报道11,12),过渡的传输特性可以提高通过优化via-holes的数量和他们的位置共面线的差距。事实上via-holes放置在共面线(方向)和彼此分开的距离超过一半的引导波长频率最高的乐队应该消除或减少共振峰(12]。最近的研究表明,这些via-holes必须的位置都进行了优化- - -方向,有效降低共振峰(3,13]。然而,太多的via-holes产生寄生电感的增加降低了传输性能(3]。这些属性的验证和确认,在厚和高的转换基质层;我们表演的过渡关注低收入薄衬底层。我们跟着明确建议由周和Melde [3),关于金属化孔- - -方向(cf图3)计算参数的连续GCPW-MS-GCPW BCB聚合物薄膜上的转换。上部主要模式的截止频率GCPW线是由以下关系: 在哪里真空中的光速,之间的距离两个via-holes放在两边的中心导体(cf。图吗3),是辅助孔直径,聚合物的介电常数。因此,距离必须尽可能通路孔直径吗但它应该保持价值(12]。因此,与μm和μ米,为了获得50Ω特性阻抗为共面和微带部分,是固定的250μ米,所以它远远大于()和足够小,允许合理数量的via-holes共面垫。其次,随着带宽是不太敏感(两个via-holes之间的距离方向)的距离(3),我们也固定到250年μm。三个值,100年μ米、75μ50米,μ米,已被选定为辅助孔直径为了找出通路孔直径对结果的影响。然而,关系(1)预测几百兆赫的上截止频率。例如,如果我们把= 250μ米,= 50μm,= 2.65,占主导地位的上限截止频率模式应该是460 GHz。

基于模拟结果揭示了一些有趣的信息考虑不同结构的薄膜。因此,在图4我们提出转换的结果几个优化via-holes转换只有一个通路孔,通过免费转换。直流分量与via-holes自然传播的转变。但是浅共振峰开始出现在较低的频率比与通路孔自由转换。可以看出,共振峰频率通路孔直径的增加而增加。这是直接联系的减少辅助孔电感直径增加时,这是一个众所周知的现象。因此,共振峰在57 GHz, 62 GHz,和66 GHz的通路孔直径,分别为50μ米、75μ米,100μm。然而,如果我们看一下性能得到只有一个优化辅助孔(= 300μ米),我们注意到一个很宽的带宽(大于75 GHz)。事实上,获得这种性能在薄层,我们需要减少辅助孔电感。这个电感可以估计公式(2)[14]。考虑 在哪里介质厚度,是辅助孔半径,(4π 10⁻⁷H / m)是真空磁导率。介质厚度固定公式(2),应该有效介质厚度小于自由空间波长的3%,表明,降低电感通路孔,必须增加辅助孔直径。图5提出了基于仿真的结果转换为不同的直径只有一个通路孔(50μ米、100μ米、200μ米,300μ米)。我们注意到明显通路孔直径对共振频率的影响。在薄层,一个洞是足够的为我们GPCW-MS过渡和通路孔直径的选择取决于所需的频段。

理解物理现象潜在的微波性能的研究过渡,我们呈现在图6电场分布的演变在共振峰(57 GHz, 62 GHz, 66 GHz)对不同via-holes直径(50μ米、75μ米,100μm,分别地)的顶视图GCPW-MS过渡(cf图4)。我们观察到,无论via-holes直径,我们获得相同的电场分布。这表明造成的共振是CPM模式共面地面平面(8]。如果via-holes直径大,减少了共面表面,因此CPM模式很兴奋在更高频率(100年66 GHzμm via-holes直径)与结构的直径很小(57 GHz 50μ米via-holes直径)。电场分布的GCPW-MS过渡与一个辅助孔(cf图7)表明,只有一个通路孔提供了很好的性能所需的频段。我们注意到之间的传播模式是一种混合模式共面微带模式和最大的能量限制在中央地带由于低衬底的厚度。

获得的场分布的模拟结果与via-holes允许得出两个重要结论:一方面,公式(1)不适合优化via-holes在低收入的数量和位置电影中特别是在薄层小于100 GHz应用程序所需的频段。另一方面,一个优化的通路孔,与公式(2),给了一个很宽的带宽。这种礼物的优势具有很大的辅助孔直径,促进了技术实现。

然而,如果我们看一下结果关于自由过渡,第一共振峰发生约80 GHz,所以通过免费转换也一个超大带宽。显然,由于电容耦合,低频率范围和直流不经历通过免费过渡。事实上,厚度和介电常数的介质衬底控制带宽。小的介质衬底厚度有双重好处:首先,它可以轻松地创建底部地面飞机和顶部之间的电磁耦合共面垫电容效应;其次,这个小厚度便于数据模式转换到模式和女士将谐振峰值高频率范围(5]。此外,低-基质是一个非常重要的因素来实现广泛的带宽自底部和顶部之间的寄生谐振地面飞机发生在更高频率由于较大的引导波长对于给定频率(14]。因此,GCPW-MS过渡带宽依赖于低优先级线程BCB聚合物和低厚度。值得注意的是,回波损耗参数()(见图4 (b))在通过免费的情况下得到了更好的价值转变。通过免费的过渡可以提供,以较低的成本,更高的上限截止频率,下一段致力于研究这种自由转换。我们提供一个详细的解释获得非常大的过渡带宽取决于所需的应用程序。基于仿真结果和测量结果110 GHz表明它们之间的一个完美的协议。

2.2。实验通过免费宽带GCPW-MS-GCPW

图8介绍了测量和模拟结果与过渡意识到20日μm BCB聚合物基质沉积旋转涂布于365μ米厚的金属化硅晶片。上金属化,这种转变的铜层2μm。GCPW-MS-GCPW过渡的其他参数的尺寸如下:= 54μ米,= 25μ米,= 1毫米,= 1毫米,= 1厘米(cf。图1参数定义)。

参数测量使用安捷伦8510 c矢量网络分析仪的带宽扩展从45兆赫到110兆赫(单带)和级联i110-AGSG125探测器(110兆赫带宽,125μ米间距)。校准方法是LRRM (Line-Reflect-Reflect-Match)方法使用校准衬底iss - 104 - 783。整个系统由Wincal级联控制软件。所有仿真结果使用商业3 d电磁场全波分析软件基于版本15。为了执行条件尽可能的模拟实验过程,共面探测器是由港口集总模型的精确参数给定的数据表。我们注意到一个非常好的协议实验和仿真结果。由于优秀的电气连续性的共面垫2μ米厚的铜、过渡性能是独立的探头位置根据测量和模拟结果。

考虑到上下截止频率定义3 dB插入损失和10 dB返回损失,背靠背的测量带宽GCPW-MS-GCPW过渡从2兆赫到78兆赫。CPM模式使共振峰,在86 GHz参数响应曲线输入电磁能量被转移至其他数据模式。

鉴于选择因其良好的导电性铜金属化,还可以提高过渡带宽BCB聚合物通过增加铜金属化厚度。根据透射系数GCPW-MS-GCPW进化过渡与4μ米厚的铜(实线曲线)如图9,我们可以有一个带宽85 GHz。当然,过渡带宽也可以改善通过介电材料与低介电常数和低损耗角正切,如介质衬底CuFlon由聚四氟乙烯树脂公司(,)。在图9,我们将展示这个过渡的透射系数结果CuFlon衬底(虚曲线)。显然,与衬底介电常数的变化,转变是适应的尺寸保持50Ω的特性阻抗。所以,与20μm CuFlon厚度,我们花了= 61μm和= 27μm和铜厚度是固定在4μm。在这种情况下,我们清楚地观察到带宽的衬底介电常数的影响。CPM模式发生在99.5 GHz虽然很兴奋在相同的配置88 GHz BCB聚合物。我们还注意到透射系数过渡的斜坡CuFlon聚合物小于BCB过渡的聚合物。这个结果显示带宽上的损耗角正切的影响特别是当频率增加。过渡实现CuFlon聚合物可以有一个92兆赫带宽有限的CPM模式激发。

3所示。结论

本文强调的影响镀金属via-holes背靠背的带宽GCPW-MS转换薄膜。Via-holes确保共面之间的身体接触地面的飞机和地面飞机底部降低过渡带宽,60 GHz对优化优化via-holed转换Via-holes 20日自由转换μ米厚的BCB聚合物基质和2μ米厚的铜金属化。通过免费转换优化解决方案实现广泛的带宽,当直流分量是不必要的。实际上,由于衬底的薄,底地平面之间的电磁耦合和共面垫很大促进领域没有via-holes模式转换。因此,我们开发和分析背靠背GCPW-MS-GCPW转换实验带宽78 GHz和低截止频率只有2 GHz。这样的带宽和频率如此之高,等效电路参数不容易提取和相关是因为过渡尺寸大于引导微波波长。此外,测量结果和基于模拟结果之间完美的协议。这些转换简单廉价的建立,将促进组件的描述和connectorization使用微带电极。单片微波集成电路的应用,空间是一个关键元素,它可以减少共面垫尺寸覆盖所需的带宽为代价较低的截止频率。例如,共面垫的尺寸== 200μm带宽大于90 GHz截止频率较低的23个GHz根据我们的计算。我们正在开发实现方法的镀金属via-holes衬底,旨在获得via-holes顺利中定义的维度和镀金属。该技术是目前基于via-holes最便宜的化学腐蚀。交联聚合物的化学腐蚀和金属化via-holes是困难的。反应离子刻蚀和激光微加工可以用来制造via-holes但成本更高。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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