Планарная свч поглощающая структура и способ ее изготовления
Владельцы патента RU 2781764:
Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и служит для поглощения паразитных СВЧ излучений с элементов СВЧ узлов, в том числе при эксплуатации аппаратуры в космическом пространстве в широком диапазоне температур. Техническим результатом является упрощение и повышение технологичности аппаратуры при обеспечении электромагнитной совместимости элементов СВЧ узлов аппаратуры. Технический результат достигается тем, что предложена планарная СВЧ поглощающая структура, включающая в свой состав поглотитель в виде диэлектрической пластины с металлическим слоем, включает поглотитель, который представляет собой резистивный слой, расположенный на поверхности диэлектрической пластины, с удельным поверхностным сопротивлением [Ом], где W - волновое сопротивление окружающего пространства [Ом], при этом резистивный слой электрически соединен с металлическим слоем отверстиями, которые выполнены металлизированными и/или с поверхностью, покрытой резистивным слоем. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено в СВЧ трактах и для улучшения внутриприборной электромагнитной совместимости и может быть использовано для поглощения паразитных СВЧ излучений с элементов СВЧ узлов, в том числе при эксплуатации аппаратуры в космическом пространстве в широком диапазоне температур.
Известна СВЧ поглощающая структура (А.Е. Assal и др. Toward an Ultra-Wideband Hybrid Metamaterial Based Microwave Absorber. Micromachines 2020, 11(10), 930 [1]), которая включает диэлектрическую подложку, с одной стороны которой сформирована решетка, при этом каждая ячейка решетки включает систему микрополосковых СВЧ резонаторов, микрополоски которых выполнены из металла с высокой проводимостью - меди. Другая сторона диэлектрической подложки металлизирована. Со стороны микрополосковых резонаторов структура накрыта дополнительным слоем радиопоглощающего материала с малой диэлектрической проницаемостью значительной толщины. Поглощение СВЧ энергии обеспечивается, главным образом, за счет объемного поглощения в слое радиопоглощающего материала. Конструкция данной СВЧ поглощающей структуры является сложной из-за необходимости разработки и применения дополнительного слоя специально разработанного радиопоглощающего материала с определенными техническими характеристиками.
Также известно радиопоглощающее покрытие (патент на изобретение RU 2632985, опубликован 10.07.2011 [2]), содержащее СВЧ поглощающую структуру в виде цилиндрических элементов из диэлектрической ткани с нанесенной пленкой из гидрогенизированного углерода с нанокластерами атомов металлов. Поглощение СВЧ энергии обеспечивается за счет поглощения в цилиндрических элементах структуры. Конструкция данного радиопоглощающего покрытия также характеризуется сложностью, связанной с применением поглощающей структуры в виде цилиндрических элементов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция СВЧ поглощающей структуры, известная из технических условий ТУ 6-00-5761783-322-891 «Пластины эластичные марок «ХВ» [3]. Конструкция представляет собой пластину из специального радиопоглощающего материала, обладающего определенными электрическими и магнитными свойствами, задаваемыми диэлектрической и магнитной проницаемостью, тангенсами углов электрических и магнитных потерь, и имеющего определенную толщину. Одна поверхность пластины металлизирована. Параметры материала и его толщина выбираются из условия максимального поглощения на заданной частоте. Таким образом, имеет место объемное поглощение СВЧ энергии падающей волны в пластине специально разработанного материала. Конструкция данной радиопоглощающей структуры также является сложной из-за необходимости разработки и применения специального радиопоглощающего материала.
В части способа получения радиопоглощающего материала известно техническое решение, посвященное способу получения радиопоглощающего материала (патент на изобретение RU 2423761, опубликован 07.06.2010 [4]). Данное техническое решение относится к поглотителям электромагнитных волн, в том числе в диапазоне СВЧ, и может быть использовано для снижения радиолокационной заметности различных объектов. Способ предусматривает механическую обработку оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой в механоактиваторе при факторе энергонапряженности 20-40 g и смешение его с эпоксидной смолой в соотношении, мас. %: оксидный гексагональный ферримагнетик - 6590, эпоксидная смола - 10-35, при этом порошок делят на N партий, каждую из которых в отдельности обрабатывают в механоактиваторе в течение времени, необходимого для достижения условия, когда статическая магнитная проницаемость порошка μ1>μ2>μ3>.…μN, где 1, 2, 3…N соответствует номеру слоя, затем слой, состоящий из порошка первой партии, смешанного с эпоксидной смолой, соединяют с металлической подложкой и к нему последовательно присоединяют следующие слои, состоящие из порошков других партий, также смешанных с эпоксидной смолой. Недостатком известного способа является сложность операций, использование материалов с высоким выделением низкомолекулярных летучих веществ и, как следствие, невозможность использования в космической аппаратуре, низкая технологичность изготовления.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления СВЧ-фильтра (патент на изобретение RU 2686486, опубликован 29.04.2019 [5]), который предусматривает формирование сквозных отверстий в подложке высокоомного кремния методом сухого травления, двустороннюю металлизацию, формирование входной и выходной линий передачи методами фотолитографии. Сухое травление проводят в три этапа: сухое травление изотропное с образованием фаски на границе «поверхность - отверстие» с размерами не более 0,3 диаметра отверстия, сухое травление по Бошу с образованием отверстия, ортогонального поверхностям подложки, и сухое травление по Бошу с эффектом нотчинга с образованием фаски с противоположной стороны подложки с размерами не более 0,3 диаметра отверстия. Формирование сквозных отверстий выполняют через контактную металлическую маску, после формирования сквозных отверстий контактную металлическую маску удаляют методом селективного травления. Слоистую структуру формируют методом двустороннего магнетронного распыления и конденсации металлов в вакууме на поверхностях подложки и внутри отверстий. Данный способ также характеризуется сложностью операций и, как следствие, низкой технологичностью и невозможностью применения для формирования планарной СВЧ поглощающей структуры.
В свою очередь, предлагается группа изобретений планарная СВЧ поглощающая структура и способ ее изготовления практическое применение которых позволит упростить и повысить технологичность аппаратуры при обеспечении электромагнитной совместимости элементов СВЧ узлов аппаратуры. Решение данной технической проблемы осуществляется за счет поглощения паразитных СВЧ излучений и, как следствие, достижения стабильности функционирования за срок активного существования бортовой аппаратуры в космическом пространстве, в том числе при воздействии внешних температур.
Предложена планарная СВЧ поглощающая структура, включающая в свой состав поглотитель в виде диэлектрической пластины с металлическим слоем. Поглотитель представляет собой резистивный слой, расположенный на поверхности диэлектрической пластины, с удельным поверхностным сопротивлением [Ом] ρ≤W, где W - волновое сопротивление окружающего пространства [Ом]. Резистивный слой электрически соединен с металлическим слоем отверстиями, которые выполнены металлизированными и/или с поверхностью покрытой резистивным слоем. Планарная СВЧ поглощающая структура обращена резистивным слоем в сторону источника излучения, то есть в сторону экранируемого СВЧ-узла. Резистивный слой может быть выполнен в виде двумерной решетки, шаг которой d выбирается из соотношения d << λ, где λ - рабочая длина волны [м].
Электрическое соединение резистивного слоя с металлизацией в сквозных отверстиях выполнено в виде микроминиатюрного анкера. Металлические материалы в отверстиях и в металлическом слое выбираются из металлов с низким электрическим сопротивлением, преимущественно золота, алюминия или меди. Также, металлические материалы металлического слоя выбираются из металла, способного к пайке, преимущественно золота. Толщина диэлектрической пластины выбирается из соотношения где h≤λ/(4√ε) - рабочая длина волны [м], ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки. Диэлектрическая пластина имеет класс шероховатости по ГОСТ 2789-73 обеих поверхностей не хуже 10 класса. В качестве диэлектрической пластины используют неорганические материалы, преимущественно высокоомный монокристаллический кремний, низкотемпературную совместно обжигаемую керамику (LTCC), поликор, ситалл, стекло.
Также, предложен способ изготовления планарной СВЧ поглощающей структуры предусматривает химическую обработку пластины высокоомного кремния, формирование травлением двусторонних меток совмещения, сквозных металлизированных отверстий, резистивного слоя, металлического слоя и монтаж структуры. Формирование резистивного слоя проводят после формирования сквозных отверстий со стороны, обращенной к источнику излучения. Металлизация сквозных отверстий проводится двусторонним магнетронным напылением с последующей двусторонней фотолитографией через фоторезистивную маску. Формирование фоторезиста для двусторонней фотолитографии осуществляется с применением спреевого нанесения. После формирования фоторезистивной маски осуществляют электрохимическое осаждение слоя золота, затем маску удаляют и проводят селективное травление металла через маску золота до резистивного слоя. Монтаж поглощающей структуры осуществляют стороной резистивного слоя в направлении источника излучения, например, на крышке экранирующего элемента СВЧ-узла аппаратуры.
Сущность предложенной конструкции и особенности планарной СВЧ поглощающей структуры поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - поперечное сечение экранируемого СВЧ узла с планарной СВЧ поглощающей структурой;
фиг. 2 - характеристики отражения планарной СВЧ поглощающей структуры и однослойной магнитодиэлектрической пластины марки ХВ-2,0;
фиг. 3 - пример планарной СВЧ поглощающей структуры с двумерной решеткой;
фиг. 4 - характеристики планарной СВЧ поглощающей структуры с двумерной решеткой;
фиг. 5 - планарная СВЧ поглощающая структура с металлизированными отверстиями;
фиг. 6 - поперечное сечение элементарной ячейки поглощающей структуры;
фиг. 9 - экспериментальная частотная зависимость ослабления, вносимого планарной СВЧ поглощающей структурой.
На фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5, фиг. 6 обозначено:
1 - диэлектрическая пластина,
2 - резистивный слой,
3 - металлический слой (слой металлизации),
4 - ячейки двумерной решетки,
5 - отверстия металлизированные и/или с поверхностью покрытой резистивным слоем 2,
6 - экранируемый СВЧ узел,
7 - сторона А диэлектрической пластины 1 из высокоомного кремния,
8 - сторона Б диэлектрической пластины 1 из высокоомного кремния,
9 - микроминиатюрный анкер.
На фиг. 2, фиг. 4 использованы обозначения:
ϑ - угол падения,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины,
ГЕ,Н - коэффициент отражения.
Применены обозначения с верхним индексом Е, если вектор электрического поля лежит в плоскости падения, и с верхним индексом Н, когда вектор магнитного поля лежит в плоскости падения.
Сущность способа изготовления планарной СВЧ поглощающей структуры поясняется следующими чертежами:
фиг. 7 - блок-схема технологического процесса изготовления планарных СВЧ поглощающих структур;
фиг. 8 - микрофотография поперечного сечения диэлектрической пластины 1 высокоомного кремния со сформированным отверстием 5.
Паразитные электромагнитные связи между экранируемыми СВЧ узлами 6 и их частями нарушают штатное функционирование аппаратуры, приводят к искажению амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик вплоть до возникновения паразитной генерации (самовозбуждения), возрастанию уровня шумов и появлению паразитных составляющих спектра. В свою очередь, планарная СВЧ поглощающая структура, выполненная на диэлектрической пластине 1 и содержащая резистивный слой 2, отверстия 5 металлизированные и/или с поверхностью покрытой резистивным слоем 2, образующие ячейки двумерной решетки 4 и металлический слой 3, предназначена для размещения на стенке экранируемого элемента СВЧ узла 6 аппаратуры. За счет поглощения СВЧ излучений исключаются, указанные выше, паразитные электромагнитные связи между экранируемыми СВЧ узлами 6 и их частями. Металлический слой 3 исключает распространение СВЧ излучений за пределы экранируемого элемента СВЧ узла, выполняя функцию экрана. Планарная СВЧ поглощающая структура должна быть обращена резистивным слоем 2 в сторону экранируемого СВЧ узла 6, т.е. в сторону источника излучения (фиг. 1, 3,5).
Применение поглотителя в виде резистивного слоя 2 с удельным поверхностным сопротивлением ρ≤W, а также резистивного слоя 2 в виде двумерной решетки 4, позволяет применить стандартную тонкопленочную технологию при изготовлении СВЧ поглощающей структуры, что обеспечивает упрощение технологического процесса и повышает технологичность изготовления аппаратуры в целом (фиг. 3, 5, 6).
Резистивный слой 2, выполненный в виде двумерной решетки 4, шаг которой d выбирается из соотношения d<<X, обеспечивает уменьшение требуемой толщины диэлектрической пластины 1, что улучшает массогабаритные характеристики СВЧ поглощающей структуры. Электрическое соединение резистивного слоя 2 с металлическим слоем 3 диэлектрической пластины металлизированными отверстиями 5 стабилизирует характеристику поглощения СВЧ поглощающей структуры, что приводит к достижению стабильности функционирования бортовой аппаратуры в космическом пространстве. Электрическое соединение металлического 3 и/или резистивного слоя 2 в отверстиях 5 выполнено в виде микроминиатюрного анкера 9 (фиг. 6). Форма анкера обеспечивает надежный электрический и механический контакт, за счет площади соединения, образуемой цилиндром и «шляпкой», окружающей отверстие в особенности на его крае. Данное конструктивное решение обеспечивает стабильность функционирования заявленной планарной СВЧ поглощающей структуры. Кроме того, применение неорганических материалов в качестве диэлектрической пластины 1 обеспечивает увеличение допустимого предельного диапазона температур и устранение газовыделения, что также приводит к достижению стабильности функционирования поглощающей структуры и срока активного существования бортовой аппаратуры в космическом пространстве, в том числе при воздействии внешних температур.
Формирование резистивного слоя 2 проводят как на поверхности диэлектрической пластины 1 со стороны 7, так и внутри отверстий 5 исключительно после их формирования, поскольку поверхности должны быть покрыты резистивным слоем 2. Металлизация отверстий 5 проводится двусторонним магнетронным напылением с последующей двусторонней фотолитографией со стороны 7 и 8 через фоторезистивную маску, что является более технологичным по сравнению с процессами формирования специальной маски, например, на основе алюминия с последующим ее удалением, при этом формирование фоторезиста для двусторонней фотолитографии осуществляется с применением спреевого нанесения, которое позволяет формировать покрытия с повышенной укрывистостью по сравнению с традиционными методами (центрифугирование, окунание и пр.).
После формирования фоторезистивной маски осуществляют электрохимическое осаждение слоя золота. Далее маску удаляют и проводят селективное травление металла через маску золота до резистивного слоя 2, что является наиболее технологичным решением по сравнению с прямым травлением золота в «царской водке». При этом, монтаж поглощающей структуры осуществляют стороной резистивного слоя 2 в направлении источника излучения, например, на крышке экранируемой сборки, что обеспечивает эффективность поглощения и технологично, поскольку проводится хорошо известными традиционными способами пайки или с применением токопроводящих клеев.
Осуществление изобретений можно пояснить с использованием приведенных ниже примеров, не исключающих иные варианты осуществления, соответствующие существу предложенной планарной СВЧ поглощающей структуры и способа ее изготовления.
Пример 1.
Планарная СВЧ поглощающая структура была выполнена на пластине монокристаллического кремния толщиной 400 мкм. Резистивный слой формировали на основе тантала в виде двумерной решетки с шагом 1,3 мм, удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя составляло ρ=10 Ом/квадрат. Диаметр отверстий составлял приблизительно 150 мкм. Планарную СВЧ поглощающую структуру располагали над экранируемой сборкой на расстоянии 5 мм, эффективность функционирования определяли вносимым ослаблением. На фиг. 9 представлена частотная зависимость ослабления. Из экспериментальных данных видно, что на длине 32 мм вносимое ослабление превышало 40 дБ, что превосходит характеристики известных поглощающих структур для протяженного экрана.
Пример 2.
Планарная СВЧ поглощающая структура выполнялась на пластинах монокристаллического кремния с удельным объемным сопротивлением 15000-50000 Ом⋅см диаметром 76 мм двусторонней полировки (поз. 1 и 2, фиг. 6). Блок-схема техпроцесса представлена на фиг. 7. После стандартных операций химической обработки (фиг. 7(a)) с двух сторон пластин фотолитографией и травлением формировали метки совмещения (фиг. 7(б), (в)) затем методами «сухого» травления в Бош-процессе формировали отверстия диаметром 150 мкм (фиг. 7(г)) и проводили магнетронное напыление тантала (фиг. 7(e)) (который использовали в качестве резистивного слоя) с удельным поверхностным сопротивлением 10 Ом/квадрат (фиг. 8). Затем проводили металлизацию структурой хром-медь-хром (фиг. 7(ж)), после фотолитографии удаляли хром и гальванически осаждали медь и золото (фиг. 7(л)). Затем пластину (фиг. 5) разрезали на чипы (фиг. 7(м)), осуществляли контроль и монтировали чип на крышку экранируемой СВЧ сборки (фиг. 7(н)), после чего измеряли ослабление, которое превысило 40 дБ (см. пример 1).
Таким образом, предложены планарная СВЧ поглощающая структура и способ ее изготовления, обеспечивающие упрощение и повышение технологичности конструкции, как следствие, стабильности функционирования аппаратуры повышенной степени интеграции СВЧ узлов в течение срока активного существования бортовой аппаратуры при ее эксплуатации в космическом пространстве в широком диапазоне температур.
Источники информации.
[1] A.E. Assal и др. Toward an Ultra-Wideband Hybrid Metamaterial Based Microwave Absorber. Micromachines 2020, 11(10), 930.
[2] «Радиопоглощающее покрытие». Патент RU 2632985 С2, Заявка RU 2016105096, 16.02.2016. Опубл.: 2011.07.10. Бюл. №19. Патентообладатель: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации
[3] ТУ 6-00-5761783-322-891. Пластины эластичные марок «ХВ».
[4] «Способ получения многослойного радиопоглощающего материала и радиопоглощающий материал, полученный этим способом». Патент RU 2423761 С1. Заявка RU 2010123155/07. 2010.06.07. Опубл.: 11.10.2017. Бюл. №29. Патентообладатели: ГОУ ВПО «Томский государственный университет», Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук.
[5] «СВЧ фильтр на основе интегрированного в подложку волновода и способ его изготовления». Патент RU 2686486 С1. Заявка RU 2018115536, 25.04.2018. Опубл.: 29.04.2019 Бюл. №13. Патентообладатель: АО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем».
1. Планарная СВЧ поглощающая структура, включающая в свой состав поглотитель в виде диэлектрической пластины с металлическим слоем, отличающаяся тем, что
поглотитель представляет собой резистивный слой, расположенный на поверхности диэлектрической пластины, с удельным поверхностным сопротивлением [Ом]
где W - волновое сопротивление окружающего пространства [Ом], при этом
резистивный слой электрически соединен с металлическим слоем отверстиями, которые выполнены металлизированными и/или с поверхностью покрытой резистивным слоем.
2. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что резистивный слой выполнен в виде двумерной решетки, шаг которой d выбирается из соотношения
где λ - рабочая длина волны [м].
3. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что резистивный слой обращен в сторону экранируемого СВЧ-узла.
4. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что электрическое соединение резистивного слоя с металлизацией в сквозных отверстиях выполнено в виде микроминиатюрного анкера.
5. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что металлические материалы в отверстиях и в металлическим слое выбираются из металлов с низким электрическим сопротивлением, преимущественно золота, алюминия или меди.
6. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что металлические материалы металлического слоя выбираются из металла, способного к пайке, преимущественно золота.
7. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что толщина диэлектрической пластины выбирается из соотношения
где λ - рабочая длина волны [м], ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки.
8. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая пластина имеет класс шероховатости обеих поверхностей не хуже 10 класса.
9. Планарная СВЧ поглощающая структура по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрической пластины используют неорганические материалы, преимущественно высокоомный монокристаллический кремний, низкотемпературную совместно обжигаемую керамику, поликор, ситалл, стекло.
10. Способ изготовления планарной СВЧ поглощающей структуры, включающий химическую обработку пластины высокоомного кремния, формирование травлением двусторонних меток совмещения, сквозных металлизированных отверстий, резистивного слоя, металлического слоя и монтаж структуры, отличающийся тем, что формирование резистивного слоя проводят после формирования сквозных отверстий со стороны, обращенной к источнику излучения.
11. Способ изготовления планарной СВЧ поглощающей структуры по п. 10, отличающийся тем, что металлизация сквозных отверстий проводится двусторонним магнетронным напылением с последующей двусторонней фотолитографией через фоторезистивную маску.
12. Способ изготовления планарной СВЧ поглощающей структуры по п. 10, отличающийся тем, что формирование фоторезиста для двусторонней фотолитографии осуществляется с применением спреевого нанесения.
13. Способ изготовления планарной СВЧ поглощающей структуры по п. 10, отличающийся тем, что после формирования фоторезистивной маски осуществляют электрохимическое осаждение слоя золота, затем маску удаляют и проводят селективное травление металла через маску золота до резистивного слоя.
