הספק גבוה ותדירויות גבוהות מחלחלים בקביעות אל השוק העולמי של תעשיית המוצרים האלחוטיים. ליישומים כדוגמת דימות MRI ומכשירי רדיו טקטיים ל–UHF/VHF יש צורך בדיודות PIN להספק גבוה ביותר ובתדירויות נמוכות. מצד שני, ליישומים כגון מכשור מדידה, מכ”ם וחיישנים נדרשות דיודות PIN כדי לפעול מעבר ל–70 ג’יגה–הרץ. חברת M/A–COM Technilogy Solutions נותנת מענה ליישומים ולשווקים מגוונים אלו, בהציעה טווח רחב של מוצרים.
תיק מוצרי דיודות PIN של החברה נחלק לשני סוגים: סיליקון ו–AlGaAs. לתהליך ייצור המוליך למחצה יש תפקיד חשוב בביצועי הדיודות, אך גם דרך האריזה משפיעה עליהם. חברת MA–COM Tech פיתחה טכנולוגיות ייחודיות לתהליך ולמארז שעונות על מגוון הדרישות של תדירות, הספק והתקנה. שלושה מוצרי דיודות PIN נחשבים לחלוצים בתעשייה: דיודות סיליקון במארז MELF ליישומי הספק גבוה, דיודות HMIC Surmount ליישומי התקנה משטחית לפס הרחב ודיודות AlGaAs בטכנולוגיית שבב חיבור ישיר (Flip Chip) ליישומי תדירות גבוהה ביותר.
דיודות PIN במארז MELF
דיודות הסיליקון במארז MELF של MA–COM Tech תוכננו לפעול בסביבות של הספק גבוה ותדירות נמוכה. המארז סוגר הרמטית את הדיודה במארז קרמי (איור 1). הדיודה נתונה בין שני מגעי מוליבדן, מעליה ומתחתיה. המגעים מספקים מוליכות חום טובה אל מחוץ למארז, שמגיעה ל–142 W/mK ב–20 מעלות. השילוב של צורית (preform) הלחמה תואמת RoHS ולוחיות קרמיקה מתכתית בחלק העליון והתחתון של המארז מאפשר התקנה משטחית של המארזים עם הלחמה תואמת RoHS. המבנה המלבני מצופה הבדיל משפר את יכולת ההלחמה.
מבנה דיודת PIN במארז MELF חשוב ביותר למתכנן ת”ר (RF) בשל פיזור החום היעיל והטיפול בהספק שקט, שמגיע עד 200 וואט. ניתן להתקין במארז זה דיודות עם עובי אזור I בטווח 30–350 מיקרו–מטר. דיודות עם אזור I עבה יותר מתאימות למתחי ת”ר גבוהים יותר ומספקות ליניאריות טובה יותר, בזכות מתח פריצה (Vb) משופר.לעומת זאת, לדיודות עם אזור I דק יש מהירויות מיתוג והתייצבות גבוהות יותר, והתנגדות טורית (Rs) נמוכה יותר. איור 2 מציג את המבנה של דיודת PIN. דיודות MELF פועלות היטב מ–300 קילו–הרץ עד 2 ג’יגה–הרץ.
לדיודות MELF יש שני סוגי מארזים: 1072 ו–1091 (כפי שמוצג באיור 3). מארז 1072 קטן יותר עם קיבול פרזיטי של 0.16 פיקו–פאראד והשראות פרזיטיות של 0.15 ננו–הנרי לכל חיבור מוליבדן. באיור 4 מוצגים ביצועי מתח ישר ות”ר של MA4P504–1072. ההתנגדות הטורית, הקיבול, הפסדי ההעברה והבידוד מוצגים עבור דיודה המולחמת בטור בקו Rogers 4350. בנוסף מוצגים הפסדי ההעברה והבידוד של חיבור דיודה במקביל אל ההארקה. שילוב שני חיבורים אלו מראה שהבידוד משתפר עד מאוד, בלי שהפסדי ההעברה ייפגעו באופן משמעותי.
אפשר לשפר בקלות רבה את ביצועי רוחב הפס והתדירות בעזרת רכיב תיאום. להתנגדות Rs יש חשיבות רבה עבור יישומי מיתוג טוריים עם הפסדי העברה נמוכים, כאשר עיוותים נמוכים לעומת זרם קדמי חשובים באותה מידה עבור יישומי מנחתים.
דיודות אלו קיימות גם במארזים לא מגנטיים עבור יישומי MRI לשימוש במתח גבוה מתחת ל–1 ג’יגה–הרץ. חומרים מגנטיים במבנה הדיודות מעוותים את השדה המגנטי הסטטי ומפריעים בכיול ובדיוק, לכן מארזי MELF לא מגנטיים יכולים לקלוט אותות בעוצמה נמוכה שמוחזרים מגוף אנושי.
דיודות PIN בתהליך HMIC Surmount
תהליך HMIC של M/A–COM Tech מבוסס סיליקון וזכוכית ומשתמש בתושבות סיליקון המשובצות בזכוכית עם הפסדים ונפיצה נמוכים. כיסוי מתכתי בררני שבחלק האחורי משמש עם חיבור חור עובר אל חיבורי ת”ר וגשרי אוויר ליצירת התקן להתקנה משטחית. חלק השבב העליון כמוס (encapsulated) באופן מלא בסיליקון חנקני ובשכבת פולימר המגינה מפני נזק. מבנה זה מכונה כאן Surmount. חתך בתהליך HMIC, המשמש בדיודות PIN טוריות ומקביליות, מוצג באיור 5.
אפשר לממש בקלות דיודה מקבילית עם אנודה, קתודה ואזור “I” בתוך תושבת סיליקון. קתודת הדיודה משמשת כמגע חשמלי להארקה ומאחר שלסיליקון יש מוליכות חום של שליש בערך מזו של זהב, היא פועלת כמפזר חום בהתנגדות חום נמוכה. HMIC מספק חיבור קתודה נוסף במשטח העליון של החור העובר, ומאפשר מימוש קונפיגורציות מורכבות. המשטח העליון של החורים העוברים משמש ליצירת התקנים אקטיביים מבוססי דיודות וכנתיבי חיבור אפשריים לרכיבים פסיביים. לדיודה מקבילית יש יכולת גבוהה לטפל בהספק גבוה מאוד עם הולכת חום גבוהה ביותר מפני המשטח להארקה, מפני שהקתודה שלה מחוברת ישירות לחלק האחורי. לעומתה, דיודה טורית תהיה תמיד החוליה החלשה בתכנון בגלל מוליכות החום הנמוכה. המבודד האיפוקסי, המוליך חום, הוא המבודד את הקתודה מהחלק האחורי של המבנה כולו.
יצירת דיודה טורית בטכנולוגיה מורכבת יותר במעט. דיודה טורית זהה מלכתחילה לדיודה מקבילית. מאחר שזכוכית בורוסיליקט המבודדת היא שקופה, היישור חזית–אחור הוא עניין פשוט יחסית, ומאפשר להסיר באופן מקומי חלק מקתודת הסיליקון. המחילה שנוצרת באיכול זה נדחסת באיפוקסי במילוי תחמוצת הסיליקון (סיליקה) עם קבוע דיאלקטרי נמוך, אשר משמש כבידוד מצוין למתח ישר ולת”ר. החומר במילוי תחמוצת הסיליקון הוא מבודד חום ופיזור החום היחיד של דיודה טורית מתאפשר בזרימת החום לאורך המבנים המתכתיים אל החור העובר הקרוב. כשטמפרטורת הצומת המרבית עבור פעולה אמינה של המתג היא 175 מעלות צלזיוס, הפסדי ההעברה של הדיודה הטורית והתנגדות החום שלה הם הגורמים המגבילים את רמת ההספק.
שילוב זכוכית וסיליקון מאפשר התאמה של תכונות התדירות וההספק הגבוהים של שני החומרים ואת הייצור של מבני התקנה משטחית אמיתיים באמצעות ציוד וטכניקות סטנדרטיים לעיבוד מוליכים למחצה. לזכוכית יש קבוע דיאלקטרי נמוך וטנגנס הפסדים נמוך לתדירות גבוהה, ולסיליקון יש מוליכות חום גבוהה והתנגדות חשמלית נמוכה. לשני החומרים יש מקדם התפשטות חום כמעט זהה.
המבנה המקבילי המוצג באיור 5 משמש גם לתכנון דיודת PIN במבנה Surmount טורי, כפי שמוצג באיור 6. חיבור האנודה בחלק העליון של תושבת הפירמידה בצד שמאל מחובר לגשר אוויר המתפרש לחור עובר בצד ימין. כך נוצר חיבור ת”ר מהאנודה דרך גשר האוויר של החור העובר אל החלק האחורי של ההתקן. קתודת הדיודה מחוברת גם היא לחלק האחורי, יוצרת מפזר חום קתודי ישיר ומספקת מעבר חום מיטבי. החיבורים בצד האחורי מאפשרים התקנה משטחית. המבנה התרמי של דיודות טוריות אלו מקבילי והוא משפר את מוליכות החום. לדיודות רוחב אזור I בטווח 10–50 מיקרו–מטר והן קיימות במארזים משלושה גדלים: 0201, 0402 ו–0603. דיודות HMIC מתאימות לשימוש ביישומי MRI בזכות היותן לא מגנטיות.
דיודות PIN כמו MADP–030015 ו–MADP–030025 של M/A–COM Tech מטפלות בהספק גבוה מ–100 וואט של גל רציף ב–2 ג’יגה–הרץ. בנוסף, המבנה חסר המארז להתקנה משטחית מקטין את הקיבולים וההשראויות הפרזיטיים לערכים מזעריים, ומאפשר ביצועי רוחב פס של 50 מגה–הרץ עד 26 ג’יגה–הרץ. איור 7 מדגים את ביצועי הפס הרחב באות קטן של דיודת Surmount טורית.
דיודות AlGaAs בטכנולוגיית Flip Chip
לחברת M/A–COM Tech יש דיודות AlGaAs וגם דיודות סיליקון בטכנולוגיית שבב חיבור ישיר (Flip Chip). שילוב אלומיניום (באזור P+) וגאליום ארסן (באזורים I ו–N) שבדיודות AlGaAs משפר באופן משמעותי את הפסדי ההעברה בטווחי התדירויות הגבוהות. קצב ההתאחות (recombination) הקטן של אלקטרונים וקצב הזרקה גבוה של נושאי מטען בצומת מעורב (heterojunction) של אלומיניום–גאליום ארסן מובילים לכך שיותר נושאי מטען יכולים לזרום דרך אזור I ומקטינים בכך את מקדם ההתנגדות (resistivity) של אזור I. התנגדות המצב הפתוח (ON) של דיודות AlGaAs נמוך בפועל בכ–25% מההתנגדות של דיודות GaAs. כתוצאה מכך, דיודות PIN בטכנולוגיית AlGaAs עולות בביצועיהן על התקני סיליקון אחרים ביישומי מיתוג בפס הרחב. איור 8 מציג את המבנה האנכי של דיודת PIN. איור 9 מציג כמה שבבים בחיבור ישיר במבט מעל.
דיודת PIN בשבב חיבור ישיר מתחברת למצע דרך המגעים העליונים של המארז. לכן יש לסובב את השבב ולהדביק אותו אל התווך באיפוקסי מוליך חשמלית. כיסוי BCB המכסה את השבב פועל כמגן בעת סיבוב הדיודה. מבנה המארז של השבב בחיבור ישיר בשילוב עם תהליך AlGaAs יוצר התקן עם קיבולת נמוכה עד 0.025 פיקו–פאראד ותדירויות פעולה מעבר ל–70 ג’יגה–הרץ. לשבב החיבור הישיר של דיודת PIN בטכנולוגיית AlGaAs יש תדירות גבוהה ורחבת פס וביצועי מיתוג גבוהים ביותר בזכות הערכים הפרזיטיים הנמוכים שלו ואזורי I הדקים. פשרה נפוצה בביצועי תדירות גבוהה היא היכולת לטפל בהספק נמוך יותר, וכך גם בשבבי החיבור הישיר. דיודות PIN מוגדרות להספק כניסה מרבי של 23 dBm בגל רציף. איור 10 להלן מציג את נתוני פרמטר S לאות קטן עבור שבב החיבור הישיר MA4AGFCP910 בטכנולוגיית AlGaAs בקונפיגורציית חיבור ישיר. ההתקן מספק יתרונות כיוון מעגל חשובים בזכות הערכים הכולל הנמוכים של הקיבול Ct (פחות מ–18 פמטו–פאראד), ההתנגדות Rs (4 אוהם ב–20 מילי–אמפר) וההשראות הטורית Ls (0.5 ננו–הנרי). נתונים אלו מסתכמים לקבוע זמן RC של 0.072 פיקו–שניה המאפשר פעולה ברוחב פס גדול יותר.
איור 11 מראה השוואה בין שלוש הטכנולוגיות שתוארו כאן בתדירות הפעולה לעומת הספקי הכניסה המרביים בגל רציף. בדרך כלל קיים יחס הפוך בין תדירות הפעולה המרבית לבין הספק הגל הרציף המרבי. דיודות MELF פועלות ב–200 וואט של גל רציף, אך הן מוגבלות ברוחב הפס ובתדירות הפעולה שלהן. לדיודות שבב בחיבור ישיר אפשרות לפעול מעבר ל–80 ג’יגה–הרץ ברוחב פס גבוה ביותר אבל בהספק הן מוגבלות ל–0.2 וואט. הפשרה נמצאת בדיודות HMIC Surmount שמטפלות ב–100 וואט ומגיעות לביצועי פס רחב ב–26 ג’יגה–הרץ.
מסקנות
בהשוואה בין דיודות PIN בשלוש הטכנולוגיות – MELF, Surmount ו–AlGaAs בחיבור ישיר – יש לכל דיודה היתרונות הברורים שלה, בתלות ביישום הסופי שלה. לחומר המבנה, לעובי אזור I ולטכנולוגיית המארז יש תפקידים חשובים ביותר בביצועים של הדיודה.
