高性能S、C波段聲表面波微波延遲線
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1引言
隨著晶片材料和半導體工藝技術(shù)水平的快速發(fā)展，本文作者通過扇型結(jié)構(gòu)聲表面波換能器的拓撲設(shè)計，晶片材料和制作工藝流程的優(yōu)化設(shè)計，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)工藝流程更加簡單，體積更小，延時精準度高、一致性好、可靠性高，更適合量產(chǎn)。可廣泛應用于雷達、電子對抗、高度計、通信、引信、信號處理器、目標模擬、微波信號存儲和鑒頻等系統(tǒng)中。在空間設(shè)備中應用具有強抗輻照能力。
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。其工作原理是當電信號加載到輸入換能器后,利用逆壓電效應將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號并以聲的速度（比電磁信號慢105）沿晶片表面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x，經(jīng)輸出換能器接收，利用壓電效應把聲信號還原成電信號，形成電信號的延遲。顯然改變兩個換能器間的相對距離，就可得到不同延遲時間的電信號，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扇形拓撲IDT結(jié)構(gòu)設(shè)計
SAW延遲線要實現(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,關(guān)鍵是IDT設(shè)計。根據(jù)工程項目的應用要求，同時考慮到溫度（-55℃～＋85℃）變化可能引起的漂移，以及工藝過程可能帶來的誤差，我們建立了一種扇形拓撲IDT的理論模型，經(jīng)仿真優(yōu)化確定了IDT拓撲設(shè)計新結(jié)構(gòu)，從研制出的幾種SAW微波延遲線試驗結(jié)果和最終產(chǎn)品測試結(jié)果證明，這種新結(jié)構(gòu)設(shè)計完全實現(xiàn)了項目要求的S、C波段工作頻率，寬的工作帶寬（200～500MHz），延時時間（0.05～3us），三次渡越抑制（40dB～55dB）和直通抑制（30dB～45dB）等指標要求。
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其表面狀態(tài)的要求很高。對工作在微波頻段的SAW器件來講，在工藝制作過程中晶片材料的透光性可導致晶片背面形成漫散射，從而降低光刻襯度，導致失真的線寬，至使工作頻率、帶寬等性能產(chǎn)生偏差，同時IDT的指間隔非常?。?/4λ），很容易受到靜電釋放影響，導致IDT的燒毀。為此我們選用了具有弱熱釋電效應的2～4英寸標準晶片見圖2，有效解決了靜電釋放導致IDT燒毀和晶片開裂現(xiàn)象，同時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
電磁屏蔽是SAW微波延遲線設(shè)計的另一個難點。從圖1的結(jié)構(gòu)看出，輸入與輸出換能器是在同一個水平面上。聲表面波器件是通過電-聲、聲-電變換的聲波傳播來實現(xiàn)電信號傳輸?shù)?，但電信號也可不?jīng)過電-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間很短時，這種影響就更嚴重。為有效抑制IDT間的電磁輻射，我們通過優(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)計見圖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)品對直通信號抑制能力。
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)過程是采用標準、成熟、通用的半導體平面工藝及流程如圖5所示，它只需1個工藝流程就可實現(xiàn)多芯片批生產(chǎn)，工藝過程穩(wěn)定、可靠、重復性好、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
主要實測技術(shù)指標見表1，頻域響應見圖6，時域響應見圖7。
表11.5GHzSAW微波延遲線實測指標
項目 | 實測技術(shù)指標 |
工作頻率范圍/GHz | 1.25～1.75 |
帶寬/MHz | 500 |
延遲時間/us | 0.498 |
插入損耗/dB | ≤26（無匹配） |
≤35（含溫補衰減） | |
三次渡越抑制/dB | ≥54 |
直通抑制/dB | ≥45 |
圖61.5GHzSAW微波延遲線頻域響應
圖71.5GHzSAW微波延遲線時域響應
4.227GHzSAW微波延遲線
主要實測技術(shù)指標見表2，頻域響應見圖8，時域響應見圖9。
表22.7GHzSAW微波延遲線實測指標
項目 | 實測技術(shù)指標 |
工作頻率范圍/GHz | 2.6～2.8 |
帶寬/MHz | 200 |
延遲時間/us | 0．05 |
插入損耗/dB | ≤22（無匹配） |
三次渡越抑制/dB | ≥31 |
直通抑制/dB | ≥40 |
圖82.7GHzSAW微波延遲線頻域響應
圖92.7GHzSAW微波延遲線時域響應
4.3285GHzSAW微波延遲線
主要實測技術(shù)指標見表3，頻域響應見圖10，時域響應見圖11。
表32.85GHzSAW微波延遲線實測指標
項目 | 實測技術(shù)指標 |
工作頻率范圍/GHz | 2.7～3.0 |
帶寬/MHz | 300 |
延遲時間/us | 3 |
插入損耗/dB | ≤60（無匹配） |
三次渡越抑制/dB | ≥50 |
直通抑制/dB | ≥40 |
圖102.85GHzSAW微波延遲線頻域響應
圖112.85GHzSAW微波延遲線頻域響應
4.34.3GHzSAW微波延遲線
主要實測技術(shù)指標見表4，頻域響應見圖12，時域響應見圖13。
表44.3GHzSAW微波延遲線實測指標
項目 | 實測技術(shù)指標 |
工作頻率范圍/GHz | 4.2～4.4 |
帶寬/MHz | 200 |
延遲時間/us | 0.355 |
插入損耗/dB | ≤45（無匹配） |
≤60（含溫補衰減） | |
三次渡越抑制/dB | ≥45 |
直通抑制/dB | ≥30 |
圖124.3GHzSAW微波延遲線時域響應
圖134.3GHzSAW微波延遲線時域響應
目前國內(nèi)還沒有工作中心頻率在1.5～4.3GHz間SAW微波延遲線的研制報道，中科院聲學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，在國內(nèi)外均未查到相關(guān)報道，屬國際首創(chuàng)。
與國內(nèi)外相近技術(shù)指標的聲體波（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，為國際領(lǐng)先水平。見表5。
表5SAW延遲線與BAW延遲線指標對比
指標 | Teledyne BAW | 國內(nèi)BAW | 聲學所SAW | |
工作頻率 范圍/GHz | 4.2～4.4 | 4.2～4.4 | 4.2～4.4 | |
帶寬/MHz | 200 | 200 | 200 | |
延遲時間us | 0.330 | 0.345 | 0.358 | 0.355 |
三次渡越 抑制/dB | 20 | 18 | 28 | 45 |
4結(jié)束語
本文介紹的SAW微波延遲線還具有以下優(yōu)勢。
1）SAW微波延遲線是用標準的2～4英寸圓晶片制作，每個晶片上可排列幾十至幾百個芯片圖形，經(jīng)過1個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端面經(jīng)過4～6工藝流程、逐個調(diào)試修正完成制作，可見SAW微波延遲線產(chǎn)品的一致性、可靠性、延時精準性和批量生產(chǎn)能力等方面有著明顯優(yōu)勢。
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)驗證，SAW微波延遲線批次產(chǎn)品的延遲時間的不一致性＜±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)品按工程項目要求，均一次通過了可靠性試驗，證明了本系列產(chǎn)品具有高可靠性和很好的環(huán)境適應性，在雷達、高度表、電子對抗等領(lǐng)域有著廣泛應用前景。
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