МОЩНАЯ ГИБРИДНАЯ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

Полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в бортовых приемопередающих устройствах.
Известна гибридная СВЧ интегральная схема (ИС), содержащая расположенные в металлическом корпусе микросхемы на керамических подложках, припаянных к компенсирующей пластине из плакированного медью ковара или молибдена. Активный полупроводниковый элемент размещен на компенсирующей пластине [SU Авторское свидетельство №989764, 15.01.1983].
Основными недостатками данной конструкции являются возможность использования полупроводникового активного элемента с мощностью до 6 Вт и наличие зазора между компенсирующим элементом и корпусом, что повышает КСВ СВЧ тракта, включающего микрополосковые линии на керамических подложках и СВЧ разъемы.
Известен СВЧ микроблок, содержащий металлический корпус и микрополосковую плату на диэлектрической подложке, жестко зафиксированной в корпусе, отличающийся тем, что края подложки металлизированы и припаяны непосредственно к внутренним поверхностям стенок корпуса. Монтаж радиоэлементов может осуществляться на обеих сторонах диэлектрической подложки [RU Патент на полезную модель №139742, 20.04.2014]. Недостатком данной конструкции является отсутствие эффективного теплоотвода от тепловыделяющих компонентов СВЧ микроблока, т.к. все компоненты микроблока расположены на диэлектрической подожке, соединенной с корпусом только краями. Кроме того, корпус изготовлен из плохо проводящего тепло - титана.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является мощный СВЧ-полупроводникового прибора [RU Патент на изобретение №2494494, 27.09.2013], состоящий из теплоотводящего основания, выполненного из меди к которому припаяны высокотемпературным припоем компенсатор из псевдосплава МД-50 и рамка из пластичной меди, в стенках которой размещены СВЧ вводы. В корпусе размещен по меньшей мере один активный кристалл.
Недостатком данной конструкции является большая величина неплоскостности опорной поверхности основания, обусловленная большой разницей в КЛТР меди и псевдосплава МД-50, из которых изготовлены основание и термокомпенсатор, спаянные высокотемпературным припоем по плоскости, что ухудшает отвод тепла от прибора, отрицательно сказывается на его СВЧ параметрах, снижает надежность прибора при циклических изменениях температуры, а монтаж активных и пассивных компонентов прибора допускается проводить при температуре не более 350 , в то время, как для подавляющего большинства полупроводниковых приборов посадку кристаллов осуществляют припоем золото-кремний при температуре до 450°C.
Параметры мощной СВЧ ИС, собранной в рассматриваемой конструкции корпуса могут изменяться в процессе эксплуатации при изменении температуры окружающей среды от -60°C до +85°C, в частности, из-за возникающих, в полупроводниковом кристалле механических напряжений, в том числе и циклических. В элементах ИС могут быть вызваны механические напряжения под действием температуры на конструкцию ИС в процессе производства, при климатических испытаниях и эксплуатации. Причинами напряжений при этом являются деформация из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов компонентов, из которых состоит ИС. Под действием деформации изменяется структура энергетических зон и, следовательно, изменяется ширина запрещенной зоны, концентрация, эффективные массы, подвижности и время жизни носителей тока. Изменения большинства параметров полупроводниковых структур связаны в определенной степени с изменением ширины запрещенной зоны полупроводникового материала [Напряжения и деформации в элементах микросхем / Н 27 B.C. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летягин. - Радио и связь, 1987. стр. 10, 11, 36, 37].
Система из меди и псевдосплава МД-50, из которых изготовлены основание и термокомпенсатор, спаянные высокотемпературным припоем по плоскости, из-за большой разницы в КЛТР представляет собой биметаллическую конструкцию, в которой возникают напряжения изгиба при малейшем изменении температур. Неплоскостность конструкции может проявляться сразу же после соединения компенсатора с основанием, что ухудшает отвод тепла от опорной поверхности корпуса интегральной схемы.
Также существенным недостаткам полупроводникового прибора-прототипа является невозможность герметизации прибора высокопроизводительной шовно-роликовой сваркой, поскольку медь не поддается сварке, а также то, что монтаж активных и пассивных компонентов прибора допускается проводить при температуре не более 350°С, в то время, как для подавляющего большинства полупроводниковых приборов посадку кристаллов осуществляют припоем золото-кремний при температуре до 450°С.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение неплоскостности опорной поверхности теплоотводящего основания.
Указанный технический результат обеспечивает мощная гибридная СВЧ ИС, включающая теплоотводящее основание и рамку с СВЧ вводами, соединенные высокотемпературным припоем, активные и пассивные компоненты размещены на основании внутри корпуса в которой рамка выполнена из отожженного никеля, а теплоотводящее основание выполнено из псевдосплава молибден-медь с выступом, предназначенным для монтажа пассивных и активных элементов ИС.
Согласно техническим условиям ЯеО.021.105 ТУ, псевдосплавы на основе молибден-медь имеют высокую теплопроводность и КЛТР близкий к КЛТР керамики. Эти материалы широко используются в электронной промышленности и допускают монтаж полупроводниковых кристаллов на эвтектический припой золото-кремний при температурах до 450°С без возникновения напряжений, достаточных для разрушения пластин из керамики
3
и полупроводниковых кристаллов.
В месте спая рамки, выполненной из отожженного никеля, с теплоотводящим основанием из псевдосплава молибден-медь, благодаря повышенной пластичности материала рамки, механические напряжения в спаянном соединении, возникающие из-за разницы в КЛРТ материалов рамки и основания, оказываются недостаточными для изгиба спаянных рамки с основанием. Релаксация напряжений происходит в отожженном пластичном никеле. В результате после пайки не плоскостность опорной поверхности теплоотводящего основания из псевдосплава молибден-медь остается, практически, такой же, как у основания до пайки.
В мощной гибридной СВЧ ИС наличие зазора между выступом, предназначенным для монтажа пассивных и активных элементов схемы существенно увеличивает КСВ СВЧ тракта схемы из-за дополнительного несогласованного по волновому сопротивлению участка тракта, равному удвоенной величине высоты выступа. Этот зазор образуется из-за разницы в размерах выступа и соответствующих внутренних размеров рамки. При размерах выступа и соответствующих внутренних размеров рамки с разницей, не превышающей оптимальной толщины припоя, припой полностью заполняет зазор [Рот А., Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 69], исключая дополнительную «паразитную» индуктивность, вносимую удвоенной высотой выступа и несогласованный по волновому сопротивлению участок в СВЧ тракте.
Сущность заявленного технического решения поясняется фигурами 1-5.
На фиг. 1 представлено основание из высокотеплопроводного псевдосплава молибден-медь с выступом, предназначенном для монтажа пассивных и активных элементов ГИС и имеющим размеры, а, в, с. Опорная поверхность А имеет размеры е, д.
1
1
На фиг. 2 представлена рамка с внутренними размерами a и в. Внешние размеры рамки е, д соответствуют внешним размерам основания. На боковых стенках рамки выполнены отверстия для вводов.
4
На фиг. 3 представлена ИС в корпусе, состоящем из теплоотводящего основания 1, к которому высокотемпературным припоем, например, ПСр-72 В ТУ 48-1-329-89 припаяна рамка 2, в сквозных отверстиях которой размещены СВЧ вводы, вводы питания и управления 3, 4. Корпус загерметизирован посредством шовно-роликовой приварки никелевой крышки 5 к рамке 2.
1
1
На фиг. 4 представлено место пайки в случае, когда разница в размерах, a-a и в - превышала оптимальную толщину припоя. Виден зазор между пьедесталом и рамкой.
1
1
На фиг. 5 представлено место пайки в случае, когда разница в размерах, a-a и в-в не превышала оптимальную толщину припоя. Зазор между пьедесталом и рамкой отсутствует, поскольку полностью заполнен припоем.
На фиг. 6 представлен вид микросхемы без крышки.
Были собраны образцы корпусов с размерами основания из псевдосплава 50×30 мм при толщине 1,5 мм и выступа 46×26 мм при высоте 1 мм. Внешние размеры рамки из никеля НП1 (содержание никеля 99,9%) 50×30 мм, внутренние 46×26 при толщине 2 мм. Пайку проводили припоями при температуре пайки 700°С и припоем ПСр-72 В при температуре пайки 820°С.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Основания были изготовлены из псевдосплава МД 50 и МД 30. у псевдосплава МД-50 КЛТР в направлении прокатки (7,5-8,4)⋅10⋅К и поперек прокатки (9,1-9,9)⋅10⋅К, а у псевдосплава МД 30 (7,1-7,9)⋅10⋅К в любом направлении (ЯеО.021.105 ТУ). Были использованы рамки после термообработки при температуре рекристаллизации никеля 480-640°С и при температуре отжига никеля 750-900°С [Справочник металлурга, т. 2, стр. 448, Москва, «Машиностроение», 1976].
После пайки припоем ПСр-72 В ТУ 48-1-329-89 была измерена неплоскостность опорной поверхности основания. Результаты испытаний приведены в таблицах 1-9. Неплоскостность опорной поверхности корпусов, соответствующих изобретению, после сборки с основанием высокотемпературной пайкой практически не увеличивалась.
Для измерения КСВ были изготовлены корпуса, в которых за счет допусков на внутренние размеры рамки и размеры выступа, разница в размерах
5
составляла 0,2 мм и 0,07 мм. В корпусах были собраны платы с несимметричными полосковыми линиями, соединенными с СВЧ разъемами и измерены КСВ СВЧ трактов на частоте 12 ГГц. При измерении КСВ использовали анализатор цепей типа PNAL. В первом случае зазор между выступом и рамкой не был заполнен припоем и КСВ СВЧ тракта составил 1,35-1,5. Во втором случае (при зазоре 0,07 мм) зазор был полностью заполнен припоем ПСр-72В и КСВ СВЧ тракта составил 1,2-1,25.