MMIC
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Los circuitos MMI o MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) son un tipo de circuitos
integrados que operan en frecuencias de microondas, es decir, entre 300 MHz y 300 GHz. La técnica de
fabricación de los circuitos MMIC se basa en la utilización de líneas de transmisión planares, y se realiza
con compuestos de semiconductores compuestos, tales como el arseniuro de galio (GaAS), nitruro de
galio (GaN) y el silicio-germanio (SiGe).
Las entradas y salidas de los dispositivos MMIC están, generalmente, internamente adaptadas con una
impedancia característica de 50 ohmios. Esto facilita el uso de dichos dispositivos, así como su uso en
forma de cascada, ya que no requieren red de adaptación externa. Adicionalmente, la mayoría de los
equipamientos de pruebas de microondas se diseñan para operar en unas condiciones de 50 ohmios.
Los MMIC son dimensionalmente pequeños (desde 1 mm² a 10 mm²) y pueden ser producidos a gran
escala, lo que ha facilitado su proliferación en dispositivos de alta frecuencia, como pueden ser los
teléfonos móviles.
Índice
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1 Historia
2 Fabricación
o 2.1 Tecnología de Fabricación SIGe
3 ¿Cuáles son las principales ventajas y desventajas de la tecnología MMIC?
4 Algunas aplicaciones de la tecnología MMIC
o 4.1 Amplificadores MMIC en la banda Ka de banda ancha
o 4.2 Amplificador MMIC de ganancia variable y baja distorsión
o 4.3 Amplificadores de potencia
o 4.4 Amplificadores de bajo ruido
o 4.5 Mezcladores
o 4.6 Osciladores
o 4.7 Desplazadores de fase (Phase Shifter)
5 Encapsulado
o 5.1 Encapsulado flip-chip
o 5.2 Encapsulado de multichip módulo-dieléctrico
o 5.3 Encapsulado plástico
o 5.4 Encapsulado de resonancia y escape de campo
6 Fiabilidad
o 6.1 Incidentes
o 6.2 Incidentes Físicos
o 6.3 Incidentes por Radiación
o 6.4 Fiabilidad de los sistemas GaAs
7 Fallos que afectan a los dispositivos MMIC
o 7.1 Efectos generales en los MMIC
o 7.2 Fuentes de error en los MMIC
 7.2.1 Fallos de Materiales-Inducidos-Interacciones
 7.2.2 Fallos por estrés inducido
 7.2.3 Fallos Inducidos Mecánicamente
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 7.2.4 Fallos inducidos por el medio ambiente
8 Metodología de diseño y verificación de MMIC
o 8.1 Documentación
o 8.2 Simulación del MMIC
o 8.3 Metodología típica del diseño
9 Modelado de dispositivos
o 9.1 Tipos de modelos
o 9.2 Circuitos Equivalentes
o 9.3 Software de modelado
10 Metodologías de cualificación
o 10.1 Certificación de la compañía
o 10.2 Proceso de cualificación
 10.2.1 Verificación del diseño
o 10.3 Cualificación del producto
o 10.4 Aceptación del producto
o 10.5 Pasos para la aceptación de un producto
11 Aplicaciones
o 11.1 Tecnología espacial y militar
 11.1.1 Programa SETI (Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre)
o 11.2 ACTS (Tecnología Avanzada de Comunicaciones por Satélite)
o 11.3 Uso comercial
12 Enlaces de interés
Historia
Entre 1930 y 1960 la tecnología de microondas consistía en la utilización de guías de ondas para la
creación de circuitos, lo que conllevaba que el proceso de fabricación fuese largo y costoso. La
revolución aparece sobre 1960 con la aparición de la tecnología planar y la producción de materiales
dieléctricos más baratos y con menos pérdidas, dando lugar a la tecnología MIC (Microwaves Integrated
Circuits).
Esta tecnología evoluciona a los MIC monolíticos (MMIC) cuando en 1975 Ray Pengelly y James Turner
publican su estudio “Monolithic Broadband GaAs FET Amplifiers”, convirtiéndose así en los padres e
inventores de los MMIC. Cuando trabajaban en Plessey diseñaron un amplificador de una sola etapa con
una ganancia de 5 dB en la banda X que usaba puertas de escritura óptica de 1 micrón. Usaban sistemas
de optimización por ordenador para diseñar su elemento, haciendo uniones de estructuras. El proceso de
“backside” todavía no había sido inventado, así que los FET tenían toma de tierra externa.
Los primeros MMIC se fabricaron de Arseniuro de Galio (GaAs), el cual tiene dos ventajas
fundamentales frente al Silicio (Si), que es el material tradicional para la fabricación de circuitos
integrados: la velocidad del dispositivo y el sustrato semi-aislante. Este tipo de circuito usa una solución
cristalina para el dieléctrico y la capa activa. El GaAs es útil gracias a su capacidad para trabajar en altas
frecuencias y a que su alta resistividad evita interferencias entre dispositivos. Esto permite la integración
de dispositivos activos (radiofrecuencia), líneas de transmisión y elementos pasivos en un único sustrato.
En los años 80, la Agencia de Proyectos Avanzados de Investigación de Defensa (DARPA) empezó a
realizar un gran esfuerzo para obtener un mayor desarrollo de los circuitos integrados de microondas para
sustituir los tubos, cavidades y dispositivos discretos usados en sistemas de telecomunicación y radar.
Bajo contratación de DARPA, Northrop Grumman Corporation (antiguamente TRW) consiguió producir
con éxito MMICs de GaAs usando Transistores de Alta Movilidad Electrónica (HEMT) y Transistores
Bipolares de Unión Heterogénea (HBT).
En los primeros MMICs, todos los circuitos estaban hechos con GaAs MESFET, diodos IMPATT
(Impact Ionization Avalanche Transit Time) y diodos varactores, pero con la maduración de la tecnología
GaAs se incrementa el uso de Hits, HEMTs y PHEMTs en aplicaciones nicho. En la siguiente tabla se
tiene los circuitos usados comúnmente en cada dispositivo, además de los fallos originados en la mayoría
dispositivos activos de los MMIC.
La importancia del Arseniuro de Galio semi-aislante se basa en que los dispositivos hechos del mismo
mediante implantación directa de iones están semi-aislados, por eso está adaptado a la fabricación de
circuitos integrados. Además, el sustrato semi-aislante produce reducidas capacitancias parásitas, siendo
así dispositivos más rápidos y que permiten la implementación de MMIC.
Sin embargo, la velocidad de las tecnologías de Silicio ha ido incrementándose al mismo tiempo que el
tamaño de los transistores ha ido disminuyendo, es por este motivo que es posible construir MMIC con
este material. Es muy importante este hecho, ya que la principal ventaja de la tecnología de Silicio es el
coste, y los MMIC de Silicio abaratan costes frente a sus homónimos de Arseniuro de Galio. Otro de los
factores que abaratan costes si se emplea Silicio en la fabricación en lugar de Arseniuro de Galio, es que
los diámetros de la oblea son ligeramente mayores (de 8 a 12 pulgadas, frente a las 4 o 6 que se emplean
para Arseniuro de Galio). Todos estos factores colaboran en abaratar los precios en la fabricación de los
circuitos integrados.
Hasta el momento se han mencionado el Silicio (Si) y el Arseniuro de Galio (GaAs) en la fabricación de
MMIC, pero no solo se emplean estos materiales. También se utiliza, por ejemplo, el Fosfato de Indio
(InP), que mejora la ganancia, la frecuencia de corte y produce ruidos más bajos. Pero es, debido a su alto
coste y la fragilidad de los materiales, ya que las obleas hechas de este material tienen que ser más
pequeñas, que no sea muy extendido su uso. Otro de los materiales que puede usarse para este tipo de
circuitos integrados es el Germanio de Silicio (SiGe) que ofrece más altas velocidades que los
dispositivos de silicio convencionales, pero ventajas de coste similares. Por otra parte el GaAs posee
propiedades que eliminan la diafonía, por lo que se integra en dispositivos de radio, líneas de
transmisión…
En comparación con otras tecnologías de microondas, los MMIC de GaAs ofrece las siguientes ventajas:
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Reducción de tamaño.
Reducción de costes para volúmenes de producción medio-altos
Mejora de las características de los sistemas por la inclusión de algunas funciones como lógicas,
RF,.. en un único circuito
Mejora de la reproducibilidad, debido al procesamiento e integración uniforme para todas las
partes del circuito.
Mejora del diseño sin necesidad de realizar numerosas iteraciones, debido a la reproducibilidad y
al diseño asistido por ordenador.
Mayor rango de frecuencias, reduciendo efectos parasitarios en los dispositivos.
Fabricación
Desde hace unas cuantas décadas, los circuitos de microondas de estado sólido eran fabricados
exclusivamente sobre la base de componentes discretos que incluían dispositivos de circuitos activos de
semiconductor como transistores y diodos. Incluso hoy, el mercado es compartido entre los antiguos
diseños y los nuevos. Mientras que los componentes discretos son hechos sobre la base de tecnologías
bipolares de silicio, los circuitos MMIC son hechos principalmente de arseniuro de galio (GaAs).
Los circuitos MMIC ofrecen mejoras de ancho de banda sobre los circuitos hechos sobre la base de
componentes integrados. La razón de esto es que se evitan pérdidas eléctricas y capacidades parásitas al
poderse colocar las redes de acoplamiento más próximamente a los transistores. Este efecto produce un
gran avance en la fiabilidad de las aplicaciones que requieren un gran número de elementos. En estas
aplicaciones cada módulo del sistema de arrays puede necesitar cerca de tres chips que incorporen
amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido y desplazadores de fase. Los beneficios de la
integración de aplicaciones de microondas hasta ahora han sido exclusivamente para los dispositivos de
arseniuro de galio. Una razón de que el arseniuro de galio haya sido elegido para este tipo de aplicaciones
es que este material tiene una alta movilidad de electrones que incrementa el rendimiento de los
dispositivos a altas frecuencias. Mientras que los transistores bipolares pueden ser utilizados a
frecuencias de microondas, los circuitos integrados que tienen una movilidad de electrones más baja son
generalmente inferiores en frecuencias de microondas. La movilidad de los electrones no es el único
parámetro a favor del arseniuro de galio. La gran capacidad de aislamiento del arseniuro de galio también
debe ser tomada en cuenta. Ordinariamente el material de silicio es varios órdenes de magnitud más
conductivo que el arseniuro de galio limitando esta característica la ganancia máxima que puede estar
disponible a altas frecuencias por dispositivos de silicio. Este aislamiento inhibe corrientes parásitas entre
electrodos de transistores en el mismo chip que de otra forma afectarían su rendimiento como un circuito
de microondas integrado.
Históricamente, y a pesar de los avances en arseniuro de galio descritos más arriba, la utilización de este
materias a gran escala ha sido lento debidos a los problemas de fabricación. Estos problemas han incluido
la indisponibilidad de material de substrato de arseniuro de galio de gran calidad. Métodos de fabricación
no orientados hacia las obleas de rápida respuesta que en silicio han tendido hacia la evolución de una
tecnología de fabricación competitiva, y los problemas básicos con un compuesto de semiconductor
frente a uno simple. Estos se reflejan en la dificultad del procedimiento de control y ceden en
mantenimiento que afecta al coste por unidad. Además de esto la fragilidad física y química del material
que hace más compleja la fabricación incluso desde sus inicios. Las obleas de arseniuro de galio se
destacan por su fragilidad que desemboca en que solo la mitad de las obleas sobreviven desde las
primeras pruebas de radiofrecuencia. Mientras que la industria de silicio se orienta hacia las obleas de
200 mm, el arseniuro de galio están disponibles desde los 75 mm de diámetro con un coste muy superior
al silicio. Hoy en día la producción de arseniuro de galio es una pequeña parte del mercado para
dispositivos de silicio. Por lo tanto la penalización en costes asociada con el mayor rendimiento del
arseniuro de galio es un punto en contra.
Un subconjunto de la tecnología CMOS es llamada SOI (Silicon On Insulator). Durante la última década,
las implementaciones de SOI se han convertido en las preferidas para fabricar circuitos integrados de
señal de alta radiación. Un subconjunto de SIO es el SOS (Silicon On Sapphire). Esta tecnología conduce
al endurecimiento de los requisitos para mejorar el aislamiento electrónico de los componentes en el
substrato. En particular, la distribución del exceso de electrones creada por el bombardeo de radiación es
confinada a fin de evitar que cause sobrecargas o errores “débiles”. La misma técnica ofrece una gran
mejora en frecuencia. Aun así el problema con la tecnología SOS es que posee una interfaz electrónica
imperfecta entre el aislante sobre la que el silicio se deposita y el mismo silicio. Esto resulta en un efecto
de “canal de lagunas”. Mientras que las imperfecciones relacionadas con este efecto no dificultan la
radiación por sí solas, tienden a deteriorar el dispositivo con respecto a su rendimiento habitual y pueden
afectar gravemente las especificaciones normales del circuito. Este efecto puede ser particularmente
desastroso en frecuencias de microondas ya que limita la ganancia máxima disponible. Aparte de estas
limitaciones el grosor mínimo del dispositivo que puede ser aislado es una contrapartida. Sin embargo
hoy en día hay alternativas al silicio sobre zafiro.
En los últimos años una nueva tecnología de materiales de silicio SOI se ha desarrollado. Se llama
“Separación por Implantación en Oxígeno” (SIMOX). Para hacer una oblea en esta tecnología se
implanta una gran cantidad de oxígeno sobre la superficie de la oblea. Templando esta superficie
convierte esta superficie en una película de cristal aislante. La ventaja de esta técnica sobre el SOS es la
disminución del grosor de la capa activa confinando los efectos de la radiación de ionización. Los efectos
del efecto de lagunas también es minimizado. Sin embargo, aunque los dispositivos activos están
desacoplados del substrato literalmente, permanecen acoplados en cuanto a efectos de capacitancia y por
tanto unos con respecto a otros en frecuencias de microondas a causa de las propiedades conductivas del
substrato. En otras palabras, a pesar de la capa de aislamiento, inclusive los dispositivos SIMOX no son
idóneos para su utilización en circuitos de microondas debido a que el silicio bajo la capa de aislamiento
tiene propiedades conductivas a frecuencias de microondas.
A fin de aumentar el rendimiento y disminuir la limitación de costes de las tecnologías actuales, esta
técnica permite mejorar la fabricación de circuitos monolíticos en silicio que son capaces de operar en
frecuencias de microondas se utilizará un sustrato de silicio de alta resistividad, que se obtiene con una
técnica de zona flotante que implanta una capa de aislamiento cerca de su superficie superior,
preferiblemente SIMOX. Se forja un plano conductivo en el fondo del sustrato y se forja un circuito en la
capa activa de silicio que permanece sobre la capa SIMOX de aislamiento.
Las tecnologías que incrementan el rendimiento en altas frecuencias del MICROX comprenden:
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Una superficie inferior de rectificación de contacto.
Replicación de circuitos usando litografía.
Bajo coste microstrip.
Capa de nitrato en el fondo de la oblea durante el procesamiento CMOS.
Este método de fabricación se llama MICROX. Esta técnica conlleva unos costes más de fabricación
sobre silicio de circuitos integrados que son operativos a frecuencias de gigahercios. Como toda
tecnología basada en silicio, MICROX saca partido de la amplia infraestructura de fabricación que
conllevan los dispositivos modernos. Para aplicaciones que necesitan de un gran número de dispositivos
como los sistemas de comunicaciones modernos, la implementación de dispositivos MICROX puede
hacer disponible grandes cantidades de circuitos integrados para aplicaciones de microondas.
Quizás la ventaja más importante de GaAs es que sus electrones son acelerados a velocidades más altas,
por lo que atraviesan el canal de transistor en menos tiempo. Esta mejora de la movilidad de electrones es
la propiedad fundamental que permite trabajar a frecuencias más altas y velocidades de conmutación más
rápidas. Mientras que la principal razón de hacer transistores de GaAs es la mayor velocidad en el
funcionamiento, que se consigue con una frecuencia máxima de operación más alta o velocidades de
conmutación más altas, las propiedades físicas y químicas de GaAs hacen que su empleo en la
fabricación de transistores sea difícil. Los inconvenientes del GaAs son una conductividad térmica
inferior y un coeficiente de expansión térmica más alto que el silicio y el germanio. Sin embargo, como
las nuevas aplicaciones de mercado exigieron el funcionamiento más alto que podría ser alcanzado
solamente con la máxima dinámica de los electrones de GaAs, estos obstáculos han sido vencidos. Los
mercados que llevaron a los avances en el crecimiento del material y las técnicas de fabricación de
semiconductores de GaAs son la industria de defensa y espaciales. Estas requirieron sistemas con
circuitos de frecuencia más alta para radares, comunicaciones seguras, y sensores. La madurez de GaAs
condujo a la aparición de nuevos mercados, como redes locales inalámbricas (WLANs), sistemas de
comunicación personales (PCSs), el satélite de difusión directa (DBS) la transmisión y la recepción por el
consumidor, sistemas de posicionamiento global (GPS) y la comunicación global celular. Estos mercados
comerciales requirieron la introducción de tecnología basada en GaAs para encontrar utilidades a los
sistemas que no eran alcanzables con el silicio y el germanio. Una desventaja del GaAs es el coste y la
disponibilidad respecto al silicio. Existen muchas reticencias en lo relativo al uso del GaAs como pueden
ser: -El entendimiento de los mecanismos a la hora de implementar sistemas de silicio es más sencillo -El
coste del GaAs es mucho más elevado que el del silicio -El uso del silicio en sistemas de baja frecuencia,
y en sistemas de integración a gran escala ha desarrollado técnicas muy fuertes para producción
industrial. Sin embargo cuando el coste de fabricación es comparado al funcionamiento, el valor añadido
al sistema al usar tecnología GaAs en la mayoría de los casos justifica los pagos producidos por el
aumento del coste de fabricación. Al tiempo que WLAN, PCS, DBS, el GPS, y mercados celulares
crecen, el coste para fabricar GaAs disminuirá, y la duda de usar GaAs más que el silicio dependerá de la
capacidad de GaAs de satisfacer las necesidades técnicas del mercado.
Los diodos PIN (p-type-insulator-n-type) de GaAs no estaba disponible para los diseñadores de MMIC.
Esta se debía a su rápida velocidad de transferencia, su alto voltaje de corte y a una resistencia variable
perjudicial.
Esta indisponibilidad de las regiones tipo-p del GaAs cambiaron con el GaAs HTB MMIC. Con el buen
rendimiento de los HBTs, la implantación de iones tipo-p y el crecimiento MBE se están incorporando
ahora a las fábricas de producción de GaAs. Mediante el uso de la capa base p+, la región colectora n-, y
la capa de contacto óhmica del colector n+ del HBT, como se muestra en la figura, los MMIC con diodos
PIN se pueden fabricar fácilmente en la línea de fabricación de GaAs HBT.
Es una tecnología innovadora que ofrece menos ruido que otras alternativas de silicio y rendimiento
comparables a los dispositivos más caros GaAs. Con esta nueva tecnología se aumentará enormemente la
sensibilidad del sistema, y los usuarios de 3G, GPS, televisión móvil o dispositivos portátiles no solo
encontrarán funciones como la recepción de datos de alta velocidad, navegación o los servicios de
televisión descritos en el manual, sino que además podrán usar esas características, incluso en
condiciones difíciles, por ejemplo, en el interior de un edificio o espacios cerrados.
¿Cuáles son las principales ventajas y desventajas de la tecnología MMIC?
Posiblemente la principal ventaja de los circuitos integrados de microondas monolíticas (MMIC) para
soluciones discretas sea que con esta tecnología se consigue una figura de ruido menor.Otra gran ventaja
es la combinación de funciones multicircuitales sin necesidad interconexión cableada, lo que permite la
producción de líneas microstrip compactas.
En la tecnología MMIC, tanto los componentes activos como los pasivos son creados en el propio
sustrato, con lo que reduce en gran medida el tamaño del circuito y los problemas que tenía la tecnología
MIC o híbrida.
Sin embargo, estas soluciones discretas tienen también sus propias desventajas, especialmente en las
aplicaciones portátiles modernas con circuitería compactada y períodos de implantación en el mercado
muy cortos. Otra desventaja es que una vez creado el circuito es muy poco ajustable, la mayoría de sus
características de funcionamiento no son modificables, por lo que el proceso de diseño ha de ser muy
exhaustivo y requiere modelos precisos de física y química para elementos activos y pasivos. Dicho
proceso requiere de programas software que permitan sintetizar, analizar y perfilar circuitos lineales y no
lineales.
Es por eso que muchos fabricantes poseen “bibliotecas” con modelos existentes, que permiten al
diseñador de MMIC saber la actuación esperada por parte de un dispositivo sin tener que caracterizarlo
experimentalmente.
Se podrían resumir los beneficios y mejoras de la figura de ruido con las siguientes especificaciones
típicas de este tipo de circuitos integrados:
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Mayor linealidad y bajo ruido
La integración del circuito de corriente, el cual simplifica el diseño de la red de acoplamiento.
Realimentación interna, la cual facilita la adaptación de impedancias a lo largo de un ancho de
banda mayor.
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Estabilidad incondicional a lo largo de un mayor rango de frecuencias
El modo de ganancia FET requiere solo una toma positiva
Todos estos beneficios se traducen en un circuito compacto con un ciclo de diseño menor si se compara
con su aproximación discreta, lo cual los hace más apropiados para soluciones portátiles con limitaciones
de espacio.
Las características de los sistemas que operan en las bandas de RF y Microondas pueden ser optimizadas
mediante la integración de componentes en MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuits). Es
corriente usar componentes “off the shelf” pero a costa de aumentar la complejidad y el coste del diseño.
El uso de componentes MMIC es un medio rápido y efectivo en coste. Sin embargo cuando se trata de
diseñar MMICs a medida hay que tener en cuenta que su coste y tiempo de desarrollo son importantes
por lo que solo en casos de grandes series o en aplicaciones especiales como en espacio, es aconsejable.
Mediante el uso de soluciones MMIC a medida se pueden mejorar las características del sistema, así
como la funcionalidad y fiabilidad. Además se reduce el número de componentes, el tamaño del circuito,
peso y consumo de potencia, así como los tiempos de ensamblado.
Algunas aplicaciones de la tecnología MMIC
Amplificadores MMIC en la banda Ka de banda ancha
Los sistemas de comunicaciones que requieren grandes capacidades en la banda milimétrica están
teniendo un gran desarrollo como por ejemplo los sistemas de banda ancha para la distribución de señales
de vídeo sin cable tales como LMDS (Local Multipoint Distribution System) que operan en la banda de
28 GHz. Para satisfacer esta demanda el diseño circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC)
es de gran interés ya que poseen ventajas en cuanto a miniaturización, gran repetitividad, bajo coste en
grandes producciones y mayor fiabilidad debido al reducido número de interconexiones.
Amplificador MMIC de ganancia variable y baja distorsión
Son amplificadores utilizados sobre todo en sistemas de comunicaciones. Estos amplificadores son muy
lineales, debido a su realimentación negativa y al ser creado con tecnología MMIC, las frecuencias de
trabajo llegan hasta la banda Ka. Su principal ventaja es que reduce de manera efectiva el efecto del
retardo de fase y los productos de intermodulación (hasta 40dB en los productos de intermodulación de
3.er orden). Debido a estas características, son muy utilizados en sistemas digitales con modulaciones
QAM.
Amplificadores de potencia
Debido a la división de potencia y a la combinación de redes, los MMIC tienen unas pérdidas de 0,5-1
dB y la impedancia de entrada disminuye con el incremento del número de puertas, el grado de división
de potencia y de combinaciones pueden usarse para incrementar el límite del nivel de potencia.
Los amplificadores de potencia deben trabajar con potencias altas a la entrada y a la salida, y su tensión
máxima está limitada por la tensión de ruptura, por lo que conviene que este valor sea alto en los
transistores. Los FETs y HBTs de puerta o emisores limitarán la corriente en cada transistor, convirtiendo
las pérdidas por resistividad en calor y reduciendo la fiabilidad del dispositivo. Para aumentarla, es
necesario emplear puertas o emisores en paralelo para incrementar el área de emisión y reducir la
resistencia. Pero esto provoca que el tamaño del dispositivo aumente al hacer que los elementos del
transistor estén lo suficientemente separados para que se dé la disipación térmica adecuada.
Los amplificadores de potencia diseñados con varias fases (una de ellas es un transistor o una
combinación en paralelo de estos) permiten agrupar las limitaciones térmicas y de corriente, y el voltaje
de pico. El número de fases depende de las especificaciones de ganancia y frecuencia, ya que la potencia
de salida disminuye con el aumento de frecuencia.
Los dispositivos pasivos y activos de microondas suelen derivar de la medida de parámetros S en un
analizador vectorial. Estos modelos son buenos para circuitos de baja potencia, pero los transistores
exhiben una cierta falta de linealidad, por lo que hay que realizar diseños no lineales para diseños de alta
potencia. Además, esta no linealidad provoca distorsión de intermodulación (IMD), medida en dB, que es
la potencia en frecuencias distintas a la de entrada: 2fRF, 3fRF, etc. Hay que tener en cuenta estas
frecuencias para evitar problemas con el circuito.
Los amplificadores de potencia, además, se pueden dividir en varias clases:
Etapa clase A: El dispositivo se polariza en una zona de respuesta lineal, con capacidad de responder a
señales de cualquier polaridad. Su principal ventaja es que sigue un modelo de amplificador lineal
convencional. Su desventaja es que aun con señal nula disipa una cantidad considerable de potencia.
Etapa clase B: El dispositivo se polariza en el extremo de la zona de respuesta lineal, y en consecuencia
solo tiene capacidad de responder a señales con una determinada polaridad. En estas etapas no se produce
disipación de potencia cuando la señal es nula, pero requiere la utilización de etapas complementarias
para pode generar una respuesta bipolar.
Etapa clase AB: El dispositivo se polariza en la zona lineal pero en un punto muy próximo al extremo de
respuesta lineal. Esta configuración es una variante de la etapa de tipo B en la que se sacrifica la
disipación de una pequeña cantidad de potencia cuando opera sin señal, a cambio de evitar la zona
muerta de respuesta.
Etapa clase C: El dispositivo se polariza en zona de respuesta no lineal, de forma que los dispositivos
activos solo conducen en una fracción reducida del periodo de la señal. De esta forma se consiguen
rendimientos máximos, aunque se necesitan elementos reactivos que acumulen la energía durante la
conducción y la liberen en el resto del ciclo en el que el dispositivo no conduce. Se puede utilizar para
amplificar señales de banda muy estrecha.
Amplificadores de bajo ruido
La función principal de un amplificador de bajo ruido (LNA) es la de amplificar señales extremadamente
pequeñas tratando de añadir la menor cantidad de ruido posible, esto es, preservando el nivel de relación
señal a ruido (SNR) del sistema.
Para su diseño se debe tener en cuenta la ganancia disponible en cada transistor en función de su tamaño
y del punto de polarización, en cuanto a su actuación, el criterio más importante será la figura de ruido.
Para conseguir una figura baja, se emplean transistores HEMTs y PHEMTs, y para minimizar dicha
figura se utilizan además puertas pequeñas, incluyendo puertas parásitas (de 0,1 a 0,25 mm).
Para reducir la figura de ruido del sistema es importante reducir las pérdidas de circuito, especialmente
antes de la primera parte del amplificador de ruido bajo. También se puede minimizar reduciendo los
valores de ruptura de temperatura, corriente y tensión, ya que los problemas térmicos, así como las
corrientes y voltajes de ruptura que afectan al amplificador de potencia no afectan al amplificador de bajo
ruido, al ser de menor potencia. Por tanto la minimización de la figura de ruido maximiza la ganancia.
Mezcladores
El mezclador convierte la señal de entrada con una frecuencia en una señal de salida con frecuencia
distinta que permita el filtrado, el desfasaje y otras operaciones de procesamiento de datos en los
circuitos. Idealmente, esta operación no afectaría a la amplitud de la seña ni introduciría ruido.
La conversión de frecuencia se consigue con dispositivos con características no lineales de corriente y
tensión. En un principio, estos mezcladores eran creados usando diodos, pero actualmente se emplean
MESFETs, HEMTs, y PHEMTs.
En el caso de los mezcladores con diodos, si dos señales de tensión, llamadas LO y RF, se colocan en los
terminales del diodo, se obtendrá una frecuencia igual a la diferencia de las de cada señal llamada
frecuencia inmediata (IF).
Para mejorar la actuación del sistema, es necesario eliminar el ruido y los armónicos, que crean
distorsiones, de las señales RF y LO. Los circuitos más complejos permiten cancelar las componentes de
frecuencia no deseadas y ayudan a eliminar el ruido variando la amplitud de la señal LO. Como
inconveniente, se requiere mayor potencia LO, que es difícil de obtener a altas frecuencias.
Osciladores
Para minimizar el ruido de fase, se requiere resonantes de alta-Q que fijen la frecuencia de oscilación
aportando un coeficiente de reflexión mayor que en un ancho de banda muy estrecho y se requiere
transistores con bajo ruido 1/f. En los MMICs el desarrollo de los resonadores de alta-Q es el más difícil
de obtener de los elementos desde la película estrecha en sustratos finos de GaAs teniendo una alta
pérdida de conducción. Los HBTs tienen un bajo ruido 1/f y son usados frecuentemente como
osciladores. Los cambios de temperatura pueden producir cambios en las características del transistor y
causar cambios en la frecuencia de oscilación o incluso detener la oscilación. La compensación de
temperaturas se puede realizar a través de diodos varactores o de elementos controlables con sensores y
circuitos de control.
Desplazadores de fase (Phase Shifter)
Los desplazadores de fase son usados para comunicar un cambio repetible y controlable de fase en la
señal de microondas sin que tenga repercusión en la amplitud de la señal. Además se suelen usar con
arrays de antenas en fase, donde se usan para controlar la forma y la dirección del haz, también se usan
en sistemas de comunicación, en sistemas radar y en instrumentación de microondas. Se suelen usar dos
métodos para el cambio de fase en MMICs. El primer método conmuta la señal entre una longitud corta y
una larga de la línea de transmisión para mejorar el desplazamiento de fase de β·l donde β es la constante
de propagación de la línea de transmisión y l es el diferencial de longitud de la línea de transmisión. A
este tipo de desplazador de fase se le llama switched-line phaser shifter. El segundo método cambia la
reactancia de las líneas de transmisión, por lo que los cambios en la propagación son constantes a lo largo
de la línea. La implementación de MMIC desplazador de fase es caracterizada como tipo de reflexión o
como tipo de transmisión. Hay tres implementaciones que se usan comúnmente: pareado híbrido, línea
cargada y línea conmutada.
Encapsulado
El encapsulado sirve para integrar el conjunto de componentes que componen el MMIC de forma que se
reduzca al mínimo el tamaño, el coste, la masa y la complejidad; se proporcione interfaces eléctricos y
térmicos entre el MMIC y el exterior y se asegure la fiabilidad de los componentes individuales y la del
MMIC en conjunto. En resumen, las funciones del encapsulado son proporcionar soporte físico,
proporcionar protección mecánica (arañazos, aceleraciones bruscas, etc.), proporcionar protección del
ambiente (partículas, radiación, humedad, etc.), proporcionar distribución de energía y de la señal y
estabilizar térmicamente el conjunto.
Los encapsulados se pueden dividir en los siguientes grupos básicos.
Encapsulado flip-chip
El análisis de elementos finitos y los estudios experimentales han demostrado que los chips de gran
longitud y pequeña altura tienden a fallar más rápidamente que los menos largos y más altos. La
fiabilidad de estos flip-chip está determinada por el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el chip
y el sustrato cerámico o el circuito orgánico. La diferencia induce tensiones mecánicas y térmicas muy
grandes, especialmente en las juntas, donde la distancia es la mayor desde la distancia del punto neutral
(DNP) del chip. Esta tensión provoca la aparición de fisuras en las juntas, incrementando la resistencia de
contacto, inhibiendo el flujo de corriente y llevando al fallo eléctrico del chip. Por tanto, la desventaja de
elegir una altura mayor consiste en introducir una inductancia en serie que degrada la actuación en alta
frecuencia e incrementa la resistencia térmica desde el MMIC hasta el portador.
Para mejorar la fiabilidad, se aplica el encapsulado cerca del chip y se conduce por acción capilar en el
espacio entre el chip y su portador.
Para compensar la tensión producida, es necesario que haya una buena adherencia entre el material de
relleno, el portador y la superficie del chip. Para evitar pérdida de adherencia, se requiere un proceso de
ensamblado flip-chip sin flujos. Esto es posible con portadores cerámicos con oro, plata y películas
gruesas de paladio-plata y a través de metalización.
Es deseable que no haya bolsas de aire ni vacío, especialmente estos últimos al producir una tensión aun
mayor. Por ello, tras el ensamblaje se realiza una revisión acústica microscópica para localizar estos
vacíos. El encapsulado también debe ser revisado para buscar microfisuras o fallos de la superficie, que
tienen a propagarse en los ciclos térmicos, llevando al mal funcionamiento del chip.
Encapsulado de multichip módulo-dieléctrico
Los polímeros y los polímidos son los materiales más usados al crear encapsulado de multichip módulodieléctrico (MCM-D). Estos materiales absorben humedad en distinto grado. Los materiales con la menor
absorción de humedad contienen un 0,5% de agua, mientras que otros tienen hasta un 4%. Las pruebas de
longevidad en estructuras troqueladas con aluminio con varios polímeros mostraron fallos en la
interacción entre el aluminio y el agua. Para polímidos, la vida media de la estructura de Al se sitúa entre
385 y 6950 horas, a 121 °C y 99,6% de humedad relativa y a 85 °C y 85% de humedad relativa
respectivamente. La pasivación incrementa esta vida útil y no es dañada por el uso de cubierta hecha de
polímero. Por tanto, la pasivación en el troquelado reduce los fallos por humedad y las cubiertas de
polímero no son sustitutos para el encapsulado hermético.
El uso de polímero en el sustrato provoca en la interfaz una serie de tensiones debidas a diferencias de
CTE entre los materiales, superando incluso la temperatura ambiente, llegando hasta los 300 °C de
temperatura de proceso. La optimización del proceso puede minimizar este efecto negativo. Como las
dificultades están relacionadas tanto con la diferencia de CTE como con el grosor del polímero o
polímido usado, se recomienda que la base cerámica sea 20 veces más gruesa (en semiconductores es
mayor).
El sistema de metal usado en MCM-D debe ser optimizado. Normalmente se usa cobre (Cu) en todas las
líneas DC y RF debido a su bajo coste y alta conductividad eléctrica. Pero el cobre se difunde
rápidamente en el polímido. Este proceso depende de la temperatura y a temperaturas de menos de
185 °C se da esto para el cobre. A mayor temperatura, se observará que la anchura de la línea se reduce
aún más. El peor caso se da si la línea de Cu está justo encima de la superficie del polímero. También hay
que destacar la falta de adhesión del cobre al polímero. Para minimizar estos problemas se utiliza Cr, Au
o Ti como barrera de difusión entre el cobre y el polímido, aunque en el caso del cromo las propiedades
mecánicas son bastante peores.
Los huecos-vía sirven para realizar una mayor cantidad de conexiones entre niveles. Estos huecos pueden
hacerse con láser o ataques con ácido en ambientes húmedos o secos.
En muchos procesos de fabricación se observa que los polímeros se conectan sobre los MMICs y otros
chips que han de interconectarse. Aunque sean finos, estos polímeros afectan a la actuación en
microondas del MMIC, ya que aumentará la capacitancia de línea, reduciendo la longitud de onda guiada.
Encapsulado plástico
Durante el proceso de soldado a altas temperaturas se observó que la humedad presente en un
encapsulado plástico puede evaporarse rápidamente y crear presión en el encapsulado, provocando
fisuras. Estos efectos son más pronunciados si el encapsulado es mayor que el 0,23% de la humedad
absorbida antes de la soldadura. La diferencia de CTE en los componentes del encapsulado también
provoca tensión, combinándose con la presión anterior y aumentando el tamaño y número de fisuras.
Las siguientes recomendaciones permitirán un daño mínimo por humedad:
(1) Completar el ensamblaje a la palca una semana después de retirar los componentes de sus envoltorios
secos, siempre que las condiciones ambientales no superen los 30 °C ni el 60% de humedad relativa.
(2) Una semana después, proceder a la cocción (12 horas a 115 °C) que gradualmente eliminará la
humedad.
Encapsulado de resonancia y escape de campo
La actuación del encapsulado MMIC empeora por acción de resonancias de anillo (que se da cuando los
campos electromagnéticos se acoplan a la cerámica del encapsulado) y de cavidad (que se dan cuando el
volumen encerrado por el encapsulado se comporta como una cavidad metálica). Estas resonancias se
observan como picos largos en la comparación de pérdidas de inserción y frecuencia en el marco del
encapsulado.
Las resonancias de anillo pueden eliminarse fabricando el marco a partir de un metal. Ya que muchos
diseños de marcos metálicos son difíciles de fabricar, se utilizan soluciones de menor coste, como
fabricar a partir de un material cerámico (alúmina). Se colocan varias láminas finas de cerámica verde
para formar un marco que es posteriormente metalizado y añadido a la base metálica. Además de ser más
barato, este método asegurar que el marco quede unido a la base metálica, reduciendo el acoplamiento.
Las resonancias de cavidad se predicen a partir de un modelo donde se consideran la longitud, anchura y
altura de la cavidad (L, W y H respectivamente). La plancha de dieléctrico es de grosor d y permitividad
relativa Er. La cavidad está excitada por una línea microscópica de entrada y salida.
Fiabilidad
La fiabilidad se define como la probabilidad de que un elemento realice una función requerida bajo unas
determinadas condiciones y durante un determinado período. La fiabilidad la podemos expresar como
una distribución de probabilidad. Hay muchos factores que influyen en la fiabilidad de un producto,
como pueden ser el diseño, la producción, aplicaciones eventuales, la aparición del factor humano en
pasos de la cadena de producción…
Incidentes
La definición de un incidente es una parte importante a la hora de estudiar la fiabilidad en sistemas
semiconductores, los clasificamos en 2 grupos:


incidentes por degradación, donde alguna propiedad de algún componente se encuentra muy lejos
del valor que debería tener para su buen funcionamiento.
incidentes catastróficos:fin del ciclo de vida de algún componente o completa destrucción del
mismo.
Incidentes Físicos
Los elementos que nos limitan en este sentido suelen ser los elementos activos (como los FET). Uno de
los factores limitantes en fiabilidad suele ser la resistencia óhmica de los contactos de los FET, pero el
factor más importante es el relacionado con el canal del FET. Otro de los factores limitantes en los
dispositivos GaAs suele ser la migración metálica (movimiento del metal en el conductor causado por el
flujo de corriente) el efecto del scattering metálico empuja los átomos en dirección del flujo. Así el metal
puede ser eliminado de una zona y acumulado en otra, esto produce en la zona de acumulación que se
reduzca la sección del área del conductor, lo que aumenta la densidad de corriente pudiendo llegar a
quemar el dispositivo. Esta es la principal razón para la limitación de corriente en dispositivos MMIC.
Aparte de estos factores, pueden darse otros si no préstamos la suficiente atención a la hora de la
fabricación de los dispositivos MMIC. Tomando las suficientes precauciones el tiempo de vida de un
dispositivo MMIC suele rondar las 1000000 horas a temperaturas de operación normales.
Incidentes por Radiación
La habilidad de los sistemas GaAs para soportar radiaciones es muy importante tanto en sistemas
militares como espaciales. Los objetos en la órbita terrestre están sometidos a radiaciones. La dosis
acumulada a lo largo del tiempo es bastante considerable, pero el blindaje de los dispositivos espaciales
debe ser el mínimo por consideraciones obvias de peso y costes. Muchas aplicaciones militares han de
soportar grandes dosis de radiación causada por explosiones nucleares. Los dispositivos GaAs
generalmente soportan mucho mejor las radiaciones que los basados en silicio.
Fiabilidad de los sistemas GaAs
Para el estudio de la fiabilidad se exponen los sistemas a altas temperaturas, acelerando así el proceso de
observación de incidentes, es una técnica conocida como testeo acelerado que usa la ecuación de
Arrhenius, y es muy usada en la industria semiconductora. Para un buen testeo acelerado, es necesario
conocer la temperatura del dispositivo. Los dispositivos MMIC con elementos activos como los FET
generalmente tienen áreas más calientes que otras. Las resistencias pueden ser también puntos
significativamente más calientes que las porciones colindantes en el chip. Los cambios físicos y químicos
que producen los incidentes suelen producirse en estos puntos calientes. Por eso es necesario monitorizar
estas zonas, comprobando su temperatura. El GaAs es relativamente un mal conductor térmico, su
conducción térmica es aproximadamente 1/3 de la del Si. Por otra parte las partes activas de los
dispositivos GaAs como los canales de los FET son también muy pequeñas. Estos dos factores significan
que las áreas activas de los dispositivos GaAs están mucho más calientes que las áreas que las rodean, y
que esta temperatura es superior a la temperatura ambiente. La conductividad térmica del GaAs decrece
según se incrementa la temperatura. Esto significa que según la temperatura ambiente es aumenta, las
diferencias de temperatura entre las áreas dentro del chip son mayores también. La temperatura en los
dispositivos activos dentro del chip está caracterizada por la resistencia térmica. La resistencia térmica se
define como la diferencia en temperatura entre el punto más caliente y algún punto de referencia (que
generalmente es la temperatura ambiente) dividida por la potencia disipada por el dispositivo, y se mide
en °C/W. Nótese que la resistencia térmica variará con el tamaño de dispositivo. Dado que la mayoría de
las incidencias tienen lugar en el canal de los FET, la mayoría de los test están referenciados a la
temperatura del canal.
Fallos que afectan a los dispositivos MMIC
La mayoría de los fallos que pueden afectar a los dispositivos se catalogan en dos categorías:
catastróficos y no catastróficos. Estos fallos afectan de igual manera a la fiabilidad y al rendimiento.
Efectos generales en los MMIC
Estos fallos vienen dados por la degradación en los parámetros característicos de los dispositivos. Su
gravedad será determinada por el diseño y la función que desarrolla el MMIC afectado, además de la
gravedad de la degradación.
Fuentes de error en los MMIC
Responsabilidades generales de fallos mecánicos por categorías.
Los fallos en los mecanismos con semiconductores se dividen en cuatro categorías generales:




Inducción-Interacción-Materiales de los Mecanismos
Estrés inducido en los Mecanismos
Fallos inducidos Mecánicamente
Fallos inducidos por el Medio Ambiente
La primera categoría la podemos subdividir en dos subcategorías:


Desfallecimiento de los materiales semiconductores y las interacciones metálicas.
Desfallecimiento del encapsulado e interconexiones.
Los fallos por estrés debidos a un pobre diseño o dispositivos descuidados. La mayoría de los fallos en
MMIC son derivados de la sucesión de varios incidentes de las categorías anteriores.
Fallos de Materiales-Inducidos-Interacciones
Los procesos que involucran interfaces de metales semiconductores y que no están diseñados o/y
aplicados adecuadamente pueden producir una degradación del dispositivo hasta el fallo del mismo.

Hundimiento de Puerta: Se produce cuando los materiales o el proceso de creación de la capa
barrera son de mala manufacturación. Permitiendo una rápida difusión dentro de la capa barrera.
Este mecanismo es observado después de la exposición a una prueba de aceleración de la vida o el
funcionamiento a temperaturas elevadas, el factor impulsor de este mecanismo es la difusión
térmica acelerada de Au en GaAs. La estructura de la puerta de metalización consta de tres capas.
El primer contacto con la capa de GaAs es una fina capa de Ti utilizados principalmente para la
adhesión. La segunda capa es Pd o Pt. Esta capa se utiliza como una barrera Au a la difusión en
GaAs. La última capa es espesa Au utilizada para la conducción. La tasa de Au en la difusión de
la puerta de metal de GaAs es una función de la difusividad del material de la puerta de metal, la
temperatura, y el gradiente de concentración de materiales.

Degradación del contacto óhmico: En este caso la degradación de los materiales de la capa
barrera produce una variación en la resistencia de contacto. Produciendo variaciones entre 0,5 eV
y 1,8 eV. La comprensión general de contactos óhmicos atribuye la degradación a lo siguiente:
1. Difusión Ga en la capa de Au, lo que crea una región defecto-rica de alta
resistividad debajo del contacto.
2. Difusión de Au y Ni en el GaAs, lo que puede causar una reducción en la
concentración contra el dopaje en el canal activo del dispositivo .
3. La formación de fases intermetálicas tales como AuGa y Ni2AsGe como resultado
del proceso de aleación.

Degradación del Canal: Se atribuye a cambios en la calidad y la pureza de la zona de canales
activos y una reducción en la concentración por debajo de la puerta Schottky. Estos cambios han
sido postulados para ser el resultado de la difusión de dopante del canal o la difusión de la
impurezas o defectos del substrato del canal.

Efectos de Estado de Superficie: El rendimiento depende de la limpieza de la superficie de los
materiales y procedimientos, del método y las condiciones de deposición, además de la
composición de la capa de pasivación. Si estas condiciones no alcanzan los niveles óptimos se
produce un aumento de la densidad de superficie de estado reduciendo el efecto eléctrico de la
región drenador.
Fallos por estrés inducido
Todo dispositivo en funcionamiento está sujeto a unas ciertas condiciones de estrés. Si estas condiciones
son elevadas o inadecuadas para su diseño y funcionamiento pueden conllevar a fallos catastróficos.

Electromigración: Es el movimiento de los átomos de metal a lo largo de una tira metalizada
debido al impulso producido por el intercambio de electrones. Esto dependerá de la temperatura y
el número de electrones que participen en el proceso. Este movimiento puede provocar la
acumulación de material y la formación de vacíos perpendiculares en la fuente y oteros en la zona
del drenador, provocando cortocircuitos o fallos catastróficos.

Agotamiento: Es el aumento localizado de la disipación de energía. Hay dos tipos de
agotamiento:
Instantáneo: Causado por eventos súbitos tales como las descargas electrostáticas (ESD), eléctricas
overstress (EOS) y los picos RF. Están relacionados con la robustez del diseño y los materiales.
A largo plazo: Debido a la degradación de los parámetros a largo plazo por el envejecimiento de los
materiales. Uno de los factores que pueden contribuir a esta condición de los efectos superficiales, como
la oxidación reducción de GaAs y el recocido de los estados de superficie, puede causar un aumento de la
corriente de fuga y reducir el desglose de tensión.

Captura de Electrones Sobreexcitados: Cuando se trabaja en busca de la máxima potencia o
rendimiento se puede producir una sobreexcitación de los electrones. La captura de estos
electrones sobreexcitados conlleva una variación y degradación del umbral de tensión. Con
capacidades de modelado de dispositivo y la utilización de nuevas técnicas de medición, es
posible optimizar sin muchas iteraciones. Mejora de la Si3N4 como una superficie de pasivación
es otro claro enfoque para limitar el efecto descrito. Sin embargo, la pasivación perfecta de la
superficie GaAs todavía no se ha encontrado. Otros enfoques, tales como limitar la tensión de
funcionamiento e incluir en la región de drenador dopajes bajos son comunes en un MOSFET.

Estrés eléctrico: Es debido a un funcionamiento o utilización inadecuada del dispositivo,
llevando a una degradación acelerada que desemboca en errores catastróficos. También puede ser
por una inadecuada protección del dispositivo ante descargas electrostáticas (ESD). La alta
densidad de corriente causada por la ESD puede provocar calentamiento localizado en la interfaz
principal metal-semiconductor a la difusión Ga en la metalización y difusión Au en GaAs. Los
elementos pasivos MMIC, tales como condensadores, resistencias, e interconexiones metálicas,
también pueden exponer los efectos perjudiciales de la ESD.
Fallos Inducidos Mecánicamente

Fractura del troquelado: La diferencia de coeficientes termales de expansión (CTE), el portador
o el sustrato en el encapsulado puede producir fracturas en el troquelado durante el ciclo de
temperatura. Las grietas de superficie también pueden derivarse de una inadecuada operación de
corte, o de una inadecuada técnica de montaje. Las grietas y fracturas cerca de una región activa
del dispositivo pueden dan lugar a cambios del umbral de voltaje y el rendimiento general del
dispositivo de degradación. Un aumento en la corriente de fuga en ese lugar puede resultar en una
condición térmica y, en última instancia, fallo catastrófico de los dispositivos.

Huecos en el troquelado: La presencia de huecos en las bornas del troquelado pueden inducir
alta potencia longitudinal en su ciclo de temperatura. La propagación de estos huecos puede
desembocar en la determinación e interrupción de la vía térmica. Rara vez se observa el
troquelado del encapsulado o substrato debido a propagación en el vacío. Aunque los huecos
pueden formar a partir de una serie de fuentes, el control de procesos puede limitar los efectos a
un nivel aceptable. El encapsulado o construcción del substrato, las propiedades físicas, la
limpieza y métodos de aplicación, y la nula concentración y la ubicación determinan el efecto de
los huecos en el dispositivo.
Fallos inducidos por el medio ambiente
Todos los dispositivos dependen de las condiciones medioambientales en las que trabajan. Esto afectará a
su estabilidad y rendimiento. Algunos ejemplos son:

Humedad: Acelera la aparición de fallos mecánicos y se da en los dispositivos empaquetados de
GaAs no herméticos con envases cerrados o de plástico. La corrosión anódica de oro es el
principal culpable de los fallos en el dispositivo de GaAs en ambientes con humedad alta, al
detectarse hidróxido de oro. En estas condiciones, también se han observado la disolución de As y
el crecimiento de filamentos Ni a lo largo de la dirección del campo eléctrico de contactos
óhmicos adyacentes a la puerta.

Efectos del hidrógeno: Produce degradaciones de IDDS, VP, gm y POUT. Se da en recipientes
encapsulados herméticamente en condiciones de hidrógeno. Se cree que el hidrógeno atómico se
difunde en los canales de GaAs y formas Si-H, neutralizando los donantes, lo que puede reducir la
concentración de portadores en el canal, que, a su vez, puede disminuir la fuga de corriente,
transconductancia y la ganancia del dispositivo. Algunas de las posibles soluciones incluyen
tratamiento térmico de los materiales de empaquetado para reducir la cantidad de hidrógeno a
partir del empaquetado hermético, y el uso de barreras materiales que no contengan las estructuras
Pt / Ti o Pd / Ti. Estas soluciones tienen limitaciones y los posibles problemas de inestabilidad
que deben ser plenamente corregidos antes de su aplicación en entornos de alta fiabilidad.

Contaminación iónica: Puede producir cambios en la concentración umbral y esto en cambios de
voltaje. La contaminación iónica puede ocurrir durante el proceso, el empaquetamiento, la
interconexión y el funcionamiento en un lugar desprotegido. La preparación de la superficie y la
limpieza, la caracterización y control de materiales y entornos, y la protección (pasivación) de la
zona activa de los dispositivos puede reducir o eliminar algunos fallos relacionados de la
contaminación iónica. El horneado y la exposición a altas temperaturas durante la combustión en
dichas medidas han resultado ser eficaces como métodos de detección de problemas de
contaminación iónica.
Metodología de diseño y verificación de MMIC
Este capítulo describe los aspectos generales del diseño de un MMIC.
Documentación
En general, la documentación disponible debería proveer al cliente interesado de una descripción de los
instrumentos de CAD, los pasos de proceso, y métodos de evaluación usados en el proceso de creación.
Una documentación típica puede incluir:








Las capacidades de procesamiento de un conductor
Diseño, normativa a seguir y herramientas para el layout
Librerías disponibles
Herramientas de simulación disponibles
Dispositivos disponibles y modelos de los diferentes elementos del circuito
Diagrama de flujo
Verificación y revisión
Métodos de evaluación.
Simulación del MMIC
La simulación del circuito es un paso esencial en el diseño y fabricación de MMICs con propósito de
producción. Una simulación puede dar una primera aproximación del circuito funcional realizado bajo
unas condiciones de entrada y salida. Actualmente la mayoría de los simuladores incluyen herramientas
de optimización que reducen en gran medida el tiempo de diseño e incrementa la probabilidad de éxito.
Además la mejora de procesamiento de los ordenadores los recientes avances en desarrollo software y
nuevas técnicas software han dado lugar a herramientas de diseño interactivas muy avanzadas.
El desarrollo de un software comercial que integra los diferentes estados de desarrollo de un MMIC
como el esquema, capturas de datos, simulación layout, han sido el resultado de los recientes avances
tecnológicos de MMIC CAD motivados por las necesidades del mercado. Algunas herramientas de
simulación:

Compact Software’s Microwave Harmonica (r) es bastante utilizado para el diseño de MMICs de
GaAs. Sirve en simulaciones de circuitos de microondas tanto lineales como no lineales,
simulándolos con modelos de elementos distribuidos. Los circuitos no lineales se simulan usando
técnicas de equilibrado armónico en la interfaz entre las partes lineal y no lineal del circuito. Este
simulador también ofrece optimización, análisis estadístico y síntesis de tensión, además de
análisis y optimización de oscilador y ruido de fase.

The Compact Software Microwave Explorer (r) es una herramienta de análisis electromagnético
en 3-D empleada para simular estructuras pasivas planares en medios abiertos y encapsulados. Se
introducen los circuitos con un editor de polígonos integrados. Este paquete incluye una interfaz
de gráficos para la visualización de cartas de Smith, gráficas rectangulares y de distribución de
corriente.

The Compact Microwave Success (r) es un simulador de bloques que permite examinar
información como parámetros S y parámetros de ruido en componentes de radiofrecuencia y
microondas. Este programa permite trabajar con mezcladores, filtros, antenas y amplificadores. El
paquete también generará los datos en diversos formatos estándar, ofrecer análisis de temperatura,
frecuencia, potencia y otras variables definidas por el usuario.

HP EEsof’s Libra (r) es otra herramienta de diseño y simulación empleada en MMICs de GaAs
lineales y no lineales. Realiza simulaciones en el domino de la frecuencia usando modelos de
elementos utilizados en circuitos de microondas. Los circuitos no lineales se simulan con técnicas
de equilibrado de armónicos. Libra Design Suite (r) es una herramienta de simulación y trazado
desarrollado para el diseño de RF y microondas.

Series IV Project Design Environment (r) es un medio de diseño gráfico. Permite el diseño,
simulación, trazado y documentación de sistemas y circuitos de alta frecuencia. Este paquete
contiene capacidad de captura de esquemas, simulación en alta frecuencia, simulación
electromagnética, simulación de sistemas, trazado de circuitos y una recopilación de bibliotecas
de diseño y varias herramientas y enlaces de terceros.

Microwave Design System (r), de HP/EEsof, se basa en UNIX y sirve para el diseño de circuitos y
sistemas de alta frecuencia. Permite simulación lineal y no lineal, análisis de sensibilidad, además
de captura de diseño y trazado de circuitos.

Mathematica (r) es un software interactivo para la resolución de problemas matemáticos
complejos que permite desarrollar modelos matemáticos de sistemas y componentes de
microondas.

Microwave Spice (r) es un simulador en dominio del tiempo parecido al Berkeley Spice (r).
Incluye muchos efectos y componentes de microondas, útiles en el diseño de MMICs, sobre todo
en el diseño de osciladores de microondas.
Existen muchos más en el mercado dependiendo de las necesidades de diseño que requiera el MMIC.
Así, las herramientas de simulación electromagnética pueden emplearse junto a simuladores en domino
del tiempo o de la frecuencia o como simuladores de EM independientes, como Ansoft Maxwell
Eminence (r), un simulador en 3-D. Otro ejemplo es Sonnet (r), capaz de aceptar entradas en los formatos
de GDSII, HP/EEsof, Cadence, y AutoCAD. Las salidas obtenidas son parámetros S, distribuciones de
corrientes y patrones de radiación.
Metodología típica del diseño
En el mercado competitivo, la reducción de coste en todas las etapas de diseño, fabricación, y de
evaluación tienen suma importancia. El empleo de simulación de CAD y herramientas de diseño juega un
papel principal en el éxito y producción de un diseño de MMIC
El diseño de un MMIC implica dos etapas críticas: la especificación de funcionamiento, el diseño del
circuito y la simulación. Otras funciones como la fabricación y el testeo también deben considerase
durante las etapas de diseño hasta llegar a un producto manufacturable con la alta prestación y el
funcionamiento deseado.
Etapas:




Requerimientos del cliente.
Estudio de las diferentes tecnologías para el proceso de diseño
Disponibilidad de elementos para el diseño.
Coste y compensación de funcionamiento.
Modelado de dispositivos
Es sumamente importante completar el modelado de dispositivo MMIC y la simulación antes de la
fabricación porque la tecnología y el diseño iterativo son caros y la tecnología a menudo no permite a la
sintonía de post-fabricación. Por lo tanto, la exactitud del modelado es una parte esencial para tener éxito
en el diseño. El modelado de dispositivo es útil no solo en el diseño, sino también en el control de
producción, y el análisis de la productividad y rendimiento.
Para el estudio de este apartado veremos: los diferentes tipos de modelos, circuitos equivalentes, el
enfoque al modelado, el software de modelado disponible en el comercio, o la sensibilidad de los
modelos.
Aunque el contenido acentúe MESFETS, la metodología usada puede ser aplicada a otros dispositivos
MMIC, como HEMTS, HBTs, y diodos.
Tipos de modelos
Un modelo de dispositivo puede estar compuesto por un conjunto de circuitos elementales equivalentes
con una topología de circuito particular, o por un conjunto de ecuaciones que, siendo evaluadas, predicen
el funcionamiento de dispositivo. Un proceso de modelado generalmente incluye tres pasos:
caracterización, extracción de parámetros y modelado.
Tres procesos están estrechamente relacionados en un número de importante caminos. La exactitud de
cualquier modelado de dispositivo, en última instancia, es limitada por la precisión con que sus
parámetros son determinados. La extracción de parámetro es dependiente del tipo y de la exactitud de
datos de caracterización del dispositivo disponibles. Las ventajas del modelado de dispositivo son
parcialmente determinadas por el tipo de caracterización requerida. Por lo general, el modelado de
dispositivo MMIC puede ser clasificado en tres categorías: Modelos de Dispositivo Empíricos (EDMs),
Modelos Físicos (PBMs), y modelos basados en datos.
Los EDMs usan circuitos equivalentes para simular el comportamiento externo de los dispositivos. Este
modelo consiste en un número de elementos lineales y no lineales conectados mediante una topología
predefinida. Varios EDMS, incluyendo los de pequeña señal y los de gran señal, han sido extensamente
usado en la ingeniería MMIC automatizada. Las ventajas de EDMS son su sencilla caracterización, su
implementación, y la simulación de circuito.
Para obtener sus predicciones de funcionamiento, los PBMs estudian los parámetros físicos que describen
la geometría del dispositivo, los materiales, y los parámetros de proceso. Estos parámetros normalmente
incluyen la longitud de puerta, la anchura de puerta, grosor del canal, y la densidad de dopaje. Los PBMs
tienen una ventaja sobre los EDMS, y es que permiten estudiar los efectos de la variación del proceso
durante el funcionamiento del dispositivo; tales efectos son críticos para la predicción de producción y
para el proceso de control. Sin embargo, es difícil, y en algunos casos incluso imposibles, obtener los
parámetros exactos físicos requeridos para describir el dispositivo.
Recientemente, modelos basados en datos (también conocidos como basados en la medida) se han hecho
populares entre los diseñadores de dispositivo. Los Modelos basados en datos están directamente creados
a partir de los datos medidos independientemente de los parámetros de proceso. Un modelo basado en
datos puede predecir el comportamiento que se producirá en un nuevo proceso, que mediante funciones
empíricas podría ser difícil de representar. Sin embargo, su carencia “idea física” en el dispositivo real
estudiado es una desventaja.
Circuitos Equivalentes
El circuito equivalente de un dispositivo MMIC es una abstracción y la simplificación que cede una
representación del dispositivo. Esta debe representar adecuadamente todas las características físicas
importantes del dispositivo. Explotar las relaciones entre los elementos de los circuitos equivalentes y los
físicos del dispositivo será importante para el modelado del dispositivo.
Software de modelado
El Modeling software MMIC incluye el modelado de dispositivo y el modelado de proceso. Ya que hay
un número grande de dispositivos de modeling software disponibles, es necesario examinar la
compatibilidad del software usado por clientes y la fundición, y entre el usado para el modelado y la
simulación.
Metodologías de cualificación
En este apartado se perfila el procedimiento recomendado para el diseño, la fabricación, y la aceptación
de espacio calificado como MMICS. No se presentan datos específicos para la fiabilidad, sino las
preguntas que un usuario MMIC debería pedir del fabricante para asegurar un nivel razonable de la
fiabilidad, y al mismo tiempo esto trata de presentar al fabricante MMIC las metodologías que han sido
aceptadas y practicadas por algunos miembros de la industria en la esperanza que un procedimiento de
cualificación estándar puede desarrollarse. Además, los detalles de esta metodología de cualificación
dependen del tipo de circuito siendo fabricado y los dispositivos incorporados en el circuito.
Certificación de la compañía
La obtención de MMICS es a menudo resultado de una sociedad a largo plazo entre el cliente y el
fabricante para la obtención del mismo ambas partes añaden conocimiento y experiencia al proceso para
asegurar que la fiabilidad sea la requerida y se obtenga la satisfacción de los datos específicos de
funcionamiento requeridos. La relación se desarrolla después de que la confianza mutua es establecida. Si
las partes nunca han trabajado juntas, el usuario MMIC todavía puede ganar la confianza necesaria en el
fabricante si el fabricante puede demostrar que tiene la documentación, procedimientos, y las prácticas de
dirección que controlan las instalaciones, el equipo, diseñan procesos, procesos de fabricación, y el
personal. Estos artículos son típicamente la parte de un Programa de Dirección de Calidad total y
perfilados en un Plan de Dirección de Calidad. Explicando algunos de los apartados más importantes de
la certificación tenemos:

Comité examinador de tecnología
Para asegurar la calidad y la fiabilidad de MMICS, los fabricantes deberán tener un comité permanente o
se alojarán en el lugar dotados del conocimiento del proceso de fabricación entero del MMIC y la
autoridad para cambiar el proceso si la calidad de las partes no se mantiene. Comúnmente se llama a este
Consejo Comité examinador de Tecnología.

Control de la manufactura
La fabricación MMIC es un proceso muy complicado que implica muchos materiales y pasos, lo que
resulta crítico cara al funcionamiento del MMIC y su fiabilidad. Solo se puede esperar que una línea de
producción correctamente controlada y de forma rutinaria produzca la calidad esperada para los MMIC.
Así, al cliente se le debería asegurar que el fabricante solamente utiliza procesos certificados y
tecnologías cualificadas en cada intervenir la fabricación del MMIC del ordenamiento de materiales al
embarque (transporte) del MMIC.

Entrenamiento
Incluso estando bien mantenido y calibrado el equipo, no puede producir la calidad MMICs sin
operadores expertos. Para asegurar las habilidades del personal empleado en el diseño, la fabricación, y
las pruebas del MMICS, cada ingeniero, el científico, y el técnico deberían tener la educación (el
entrenamiento) formal en relación con sus tareas. Deberían proporcionar además el mantenimiento,
probando de nuevo y reciclando con regularidad para mantener la habilidad del trabajador, sobre todo si
el nuevo equipo o procedimientos son presentados en el proceso de la fabricación.

Acción del plan correctivo
Una de las mejores maneras de mejorar la fiabilidad de los productos manufacturados por partes, es poner
a prueba y analizar las partes incluida la no-retorno de todas las etapas de fabricación, y, basándose en las
conclusiones, que las medidas correctoras a la industria proceso o la educación de los usuarios MMIC. El
plan que describen estas acciones correctivas está documentado normalmente.
El plan de acción correctiva debe describir los pasos seguidos por el fabricante para corregir cualquier
proceso que está fuera de control o que sea defectuoso, y el mecanismo y los plazos que el fabricante
seguirá para notificar a los clientes posibles problemas de fiabilidad.
Proceso de cualificación
Verificación del diseño

Diseño, modelo y simulación
Una de las mejores maneras de reducir la ingeniería de costos de MMIC y la mejora para verificar la
fiabilidad, es el diseño, modelo y simulación, para la disposición de las MMIC lo que comienza antes de
la fabricación. Durante el ciclo de diseño, estas verificaciones se abordan normalmente a través de una
serie de comentarios de diseño que incluyen representantes de todas las empresas que participan con el
fabricante y con el futuro uso de la MMIC. Además, los representantes deben proceder de todos los
departamentos MMIC que participan en la integración, incluida la de los diseñadores, personal de la
fabricación, el personal de la metrología de RF, los ingenieros, diseñadores… Normalmente, los
exámenes se realizan antes de que se envíe a los circuitos de diseño y maquetación, pero antes de la
fabricación de máscaras, y después de esto se realiza la caracterización final MMIC.
Cualificación del producto
Un consumidor espera que el fabricante verifique que sus productos son correctamente diseñados.El
consumidor también podría esperar que el fabricante especificase las condiciones medio ambientales para
el cual el producto ha sido diseñado. El fabricante podrá asegurar su funcionamiento en estos entornos
solo si ha verificado el producto después de la fabricación.
Para MMICs el proceso de obtener todos estos datos se llama cualificación del producto o validación del
diseño, y cada diseño MMIC debe pasar la cualificación del producto antes de que se ponga a la venta.
El primer paso en la verificación del diseño tiene lugar antes de la generación de la máscara e incluye el
diseño, la simulación y la verificación de la disposición de los circuitos. El resto de la verificación del
diseño incluye la caracterización eléctrica completa del circuito para establecer su funcionamiento,
análisis de las condiciones ambientales y la caracterización electrostática de la descarga. Posteriormente
verifica los resultados de la prueba de voltaje y de temperatura. Aunque la secuencia de las pruebas
puede ser alterada, se recomienda que la verificación del diseño y de la disposición circuital se realicen
primero. A continuación, se debe seguir por la verificación eléctrica. Esto es solo una recomendación y
no todas las pruebas se pueden aplicar a todos los diseños circuitales. Todos los participantes en el diseño
MMIC, fabricación e integración del producto final deben estar implicados en la decisión de las pruebas
requeridas.
Aceptación del producto
Aunque un MMIC puede ser diseñado por ingenieros altamente cualificados, ser fabricados en un
proceso de línea de producción cualificado, a través de mediciones y verificado para satisfacer los
objetivos de diseño, con piezas características, aun existen problemas de fiabilidad.
Esto puede ser debido a variaciones en el proceso de fabricación, o fallos que se detectan en el material,
o, por lo que es el caso más a menudo, al paquete MMIC, por fallos impuestos al MMIC durante el
embalaje. Independientemente de la causa, estas debilidades se deben encontrar y ser eliminadas antes de
que se integren en el sistema.
Por lo tanto, todos los fabricantes de alta fiabilidad de sistemas, incluyendo sistemas espaciales, requieren
la MMICs que superen aceptación por pantallas, cuyo único propósito es aumentar la confianza en la
fiabilidad de la MMICs.
Hay que tener en cuenta que este paso en la metodología de calificación es la principal diferencia entre el
espacio cualificado MMICs y de calidad comercial MMICs.
Pasos para la aceptación de un producto
-Estabilización
-Análisis SEM (Scanning Electrón Microscopy)
-Prueba del enlace
-Inspección visual
-Pantalla de choque y ciclo de temperatura
-Pantalla de choque mecánica
-Aceleración constante
-Detección de ruido
-Prueba de escape
Aplicaciones
Los MMIC se usan en sistemas comunicaciones para la banda de microondas, como la telefonía móvil o
los sistemas de satélite, ya que estos requieren circuitos más pequeños y más baratos. También se utilizan
cuando la reactancia parásita inherente a los circuitos integrados híbridos está degradando el
funcionamiento del circuito, normalmente esto sucede en el alto espectro de las microondas y en el
espectro de las ondas milimétricas.
Otros sistemas de telecomunicaciones en los que se utiliza tecnología MMIC son receptores y
transmisores para comunicaciones, arrays de antenas en fase donde se requiere pequeño tamaño y
funcionamiento de circuito uniforme, sensores y radares que trabajen en altas frecuencias.
Tecnología espacial y militar
Desde sus comienzos, se introdujeron los MMICs de GaAs en varias aplicaciones espaciales y militares
(de hecho, su uso era exclusivo de ambos en estos comienzos), convirtiéndose en la tecnología elegida
por la NASA y el Departamento de Defensa de Estados Unidos para sistemas de telecomunicación
avanzados. El desarrollo de los MMICs ha proseguido hasta el fosfato de indio (InP), que permite una
velocidad de cuatro a diez veces mayor que la anterior tecnología MMIC y requiere menos potencia, algo
que tanto la NASA como el Departamento de Defensa están empezando a considerar.
Programa SETI (Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre)
Los MMICs han mostrado ser de utilidad para la creación de componentes relacionados con el programa
SETI. El MMIC normalmente solo necesita un par de condensadores emparejados y una resistencia para
crear un amplificador de propósito general con impedancia de entrada y salida constantes, ganancia fija y
una figura de ruido constante sobre un gran rango de frecuencias, además de ser muy baratos.
En los laboratorios de la Liga SETI se han estado usando MMICs tanto de silicio (Si) como de arseniuro
de galio (GaAs) con amplificadores de ruido bajo, amplificadores activos, amplificadores de frecuencia
inmediata (IF), cadenas locales de osciladores, pruebas de señales de origen y en otros dispositivos donde
se requiera un bloque de ganancia estable y de banda ancha.
ACTS (Tecnología Avanzada de Comunicaciones por Satélite)
Los MMICs han demostrado ser útiles en terminales aeronáuticas y en terminales fijos o móviles
terrestres relacionados con la Tecnología Avanzada de Comunicaciones por Satélite (ACTS) de la
NASA. Se realizaron pruebas entre mayo de 1994 y mayo de 1995 con MMICs de GaAs transmitiendo a
30 GHz, desarrollado por el Centro de Investigación Lewis de la NASA y por Texas Instruments, y
receptores de 20 GHz para ACTS por el Laboratorio Rome de la Fuerza Aérea, empleando tecnología de
circuitos integrados proporcionada por la compañía Boeing y la corporación Lockheed Martin.
Las pruebas tenían especial interés tanto para el Gobierno como para aplicaciones comerciales y
demostraron la posibilidad de establecer una comunicación dúplex de voz, por ejemplo, con una terminal
aeronáutica o con un vehículo de propósito múltiple de gran movilidad (HMMWV).
El éxito de estas pruebas, basado en cooperación entre Gobierno e industria y al trabajo en equipo dentro
de Lewis, supuso un incentivo para continuar la investigación y desarrollo de la tecnología de
comunicación por satélite basada en MMIC, centrándose en los problemas de empaquetamiento y costes.
Uso comercial
Siguiendo una visión de "uso dual", Northrop Grumman transformó la tecnología para uso en
amplificadores de potencia para telefonía móvil. Una de las divisiones de Northrop Grumman es
actualmente el proveedor mundial de estos amplificadores de potencia. En la actualidad, se está tratando
de buscar nuevas aplicaciones comerciales, como los sistemas de aviso de colisiones de vehículos.
Enlaces de interés
http://www.ugr.es/~decacien/Planes/Electronica/Plan%202000/temarios/10011c2.htm
https://web.archive.org/web/20080429201616/http://www.mmicsolutions.com/
https://web.archive.org/web/20091219211409/http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/id/3
996141.html
http://www.accesomedia.com/display_release.html?id=44570
http://www.iec.csic.es/ursi/articulos_villaviciosaodon_2001/articulos/209.pdf (enlace roto disponible en
Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
http://www.acorde.biz
https://web.archive.org/web/20080506020240/http://www.microwaves101.com/encyclopedia/mmics.cfm
http://parts.jpl.nasa.gov/mmic/3-IX.PDF
http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?IA=WO1992005580&DISPLAY=DESC (enlace roto disponible en
Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
http://www.tdx.cesca.es/TDX/TDR_UC/TESIS/AVAILABLE/TDR-0305107174432//04de10.BAA_cap4.pdf (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la
última).
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Proyectos Wikimedia
Datos: Q1945036
Multimedia: MMIC
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