Интегральная схема СВЧ
INTEGRATED UHF CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике, и может быть широко использовано в электронной технике СВЧ, и прежде всего, для радиолокационных станций с фазированными антенными решетками.
Основными техническими характеристиками интегральной схемы СВЧ и особенно в последнем случае ее использования являются электрические и массогабаритные характеристики.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены пассивные элементы, в том числе шунтирующие, копланарные линии передачи, выводы и установлены активные элементы, диэлектрическая пластина расположена лицевой стороной на металлическое основание, в котором выполнена выемка,
в которой, с целью повышения электрических характеристик, надежности и уменьшения массогабаритных характеристик, активные элементы установлены на диэлектрическую подложку лицевой стороной.
На лицевой стороне диэлектрической подложки в местах соединения шунтирующих элементов и в местах отвода тепла от активных элементов выполнены металлические столбы сечением и высотой 40-50 мкм, посредством которых диэлектрическая подложка установлена лицевой стороной на металлическое основание, а выемка в металлическом основании выполнена только под активными элементами. [Патент 2258330 РФ. СВЧ интегральная схема / Темнов A.M. и др. // Бюл. - 2005 - №22/].
Наличие и указанное расположение упомянутых металлических столбов позволило:
максимально исключить проволочные соединения и тем самым максимально уменьшить разброс электрических характеристик, и тем самым повысить их воспроизводимость и соответственно - надежность интегральной схемы СВЧ,
отвести тепло от активных элементов кратчайшим путем и тем самым улучшить отвод тепла, и тем самым уменьшить температуру рабочей области активных элементов интегральной схемы СВЧ, и в первую очередь мощных активных элементов и, как следствие, - улучшение электрических характеристик и повышение надежности интегральной схемы СВЧ.
Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками нашла широкое применение в усилителях мощности СВЧ, генераторах СВЧ и различных преобразовательных схемах СВЧ.
Однако ее использование в ряде случаев ограничено недостаточными электрическими характеристиками, в частности выходной мощностью и массогабаритными характеристиками.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы либо - пассивные и активные элементы, линии передачи, выводы, при этом элементы соединены электрически, интегральная схема заземлена,
в которой, с целью улучшения электрических характеристик, повышения надежности и уменьшения массогабаритных характеристик, диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной равной 100-200 мкм, которая имеет металлизационное покрытие, при этом металлизационное покрытие выполнено в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, при этом упомянутые слои металлизационного покрытия выполнены одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя, а заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия [Патент 2474921 РФ. Интегральная схема СВЧ / Дудинов К.В и др. // Бюл. - 2013 - №4/] - прототип.
Данная интегральная схема СВЧ с более высокими электрическими характеристиками нашла широкое применение в усилителях мощности СВЧ для радиолокационных станций с фазированными антенными решетками, в состав которых входят тысячи идентичных компонентов СВЧ, в том числе и прежде всего, усилителей мощности СВЧ.
Однако необходимость увеличения выходной мощности и коэффициента усиления интегральной схемы усилителя мощности СВЧ в частном случае ее выполнения неизбежно приводит:
во-первых, к нежелательным явлениям резонанса в полосе рабочих частот и внеполосным явлениям резонанса, что обуславливает ухудшение электрических характеристик,
во-вторых, к увеличению массогабаритных характеристик.
Техническим результатом заявленной интегральной схемы СВЧ является улучшение электрических характеристик, повышение надежности, уменьшение массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается заявленной интегральной схемой СВЧ, содержащей
диэлектрическую подложку из пластины алмаза толщиной более 100 мкм,
на лицевой и обратной сторонах которой выполнено металлизационное покрытие, при этом на лицевой стороне - в виде локального слоя,
на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки расположены только пассивные элементы, либо - пассивные и активные элементы, линии передачи, выводы, при этом элементы соединены электрически согласно электрической схеме, интегральная схема заземлена,
в которой
металлизационное покрытие на обратной стороне упомянутой диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного либо локального слоя,
между обратной стороной диэлектрической подложки и ее металлизационным покрытием в виде сплошного либо локального слоя выполнен соответственно, по меньшей мере, один высоко электротеплопроводный металлический проводник, углубленный в диэлектрическую подложку на его толщину, между высоко электротеплопроводным металлическим проводником и металлизационным покрытием выполнен слой диэлектрического материала толщиной менее 2 мкм, с относительной диэлектрической проницаемостью более 4,
в диэлектрической подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, заполненное высоко электро-теплопроводным металлом,
выводы соединены электрически с высоко электротеплопроводным металлическим проводником, а интегральная схема заземлена посредством упомянутого сквозного отверстия,
при этом металлизационное покрытие в виде локального слоя на лицевой и обратной сторонах диэлектрической подложки, высоко электротеплопроводный металлический проводник, сквозное отверстие выполнены согласно заданной топологии интегральной схемы СВЧ.
Интегральная схема представляет собой гибридную либо гибридно-монолитную интегральную схему усилителя мощности СВЧ, приемопередающего устройства СВЧ различного назначения.
Пассивные элементы представляют собой мощный резистор, индуктивность, конденсатор, активные элементы - кристалл диода, транзистора, монолитной интегральной схемы различного назначения.
Алмазная пластина выполнена из природного алмаза либо искусственного CVD алмаза.
Линии передачи выполнены в виде копланарной, либо микрополосковой, либо щелевой.
Интегральная схема размещена в герметичном либо радиогерметичном корпусе, последний имеет металлизационное покрытие.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленной интегральной схемы СВЧ,
как ограничительной части - когда диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза, который (материал алмаза):
а) является лучшим диэлектрическим материалом из известных на сегодня,
б) обладает наилучшей теплопроводностью (1000-2000 Вт/м×K), что в 2-4 раза лучше теплопроводности меди,
в) имеет не высокую относительную диэлектрическую проницаемость 5,7 ед., что примерно в 2 раза меньше диэлектрической проницаемости поликора, сапфира и других известных диэлектрических материалов,
так и отличительной части - когда
металлизационное покрытие на обратной стороне упомянутой диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного либо локального слоя,
между обратной стороной диэлектрической подложки и ее металлизационным покрытием в виде сплошного либо локального слоя выполнен соответственно, по меньшей мере, один высоко электротеплопроводный металлический проводник, углубленный в диэлектрическую подложку на его толщину, между высоко электротеплопроводным металлическим проводником и металлизационным покрытием выполнен слой из диэлектрического материала толщиной менее 2 мкм, с относительной диэлектрической проницаемостью более 4,
в диэлектрической подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, заполненное высоко электро-теплопроводным металлом,
выводы соединены электрически с высоко электро-теплопроводным металлическим проводником, а интегральная схема заземлена посредством упомянутого сквозного отверстия,
при этом металлизационное покрытие в виде локального слоя на лицевой и обратной сторонах диэлектрической подложки, высоко электротеплопроводный металлический проводник, сквозное отверстие выполнены согласно заданной топологии интегральной схемы СВЧ.
Это обеспечивает:
во-первых, улучшение отвода тепла и тем самым уменьшение температуры рабочей области активных элементов интегральной схемы СВЧ, и в первую очередь мощных активных элементов и, как следствие, - значительное улучшение электрических характеристик и, прежде всего, мощных активных элементов (в частности выходной мощности и коэффициента усиления мощных транзисторов СВЧ), повышение надежности интегральной схемы СВЧ;
во-вторых, возможность расположения - интеграции на лицевой стороне одной диэлектрической подложки:
как пассивных элементов - резистора(ов) (R), индуктивности(ей) (L), конденсатора(ов) (С), так и маломощных и мощных активных элементов - кристалла(ов) диода, транзистора, монолитной интегральной схемы СВЧ различного назначения, выполненных из различных материалов как полупроводниковых - (кремния (Si), арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP), нитрида галлия (GaN), так и других материалов, например, из монокристаллического алмаза (С), что немало важно.
И, как следствие первого и второго, - значительное уменьшение массогабаритных характеристик интегральной схемы СВЧ.
В-третьих, соединение выводов, расположенных на противоположных краях лицевой стороны диэлектрической подложки кратчайшим путем и соответственно подачу питания на них.
В-четвертых, планарность элементов интегральной схемы СВЧ как на лицевой, так и обратной сторонах диэлектрической подложки и тем самым возможность применения типовых технологических методов тонкопленочной технологии и метода электронной литографии, в том числе, в условиях массового производства.
В-пятых, возможность усиления, синтеза, преобразования, обработки аналоговых и цифровых сигналов, благодаря упомянутой интеграции.
Кроме того,
наличие между обратной стороной диэлектрической подложки и ее металлизационным покрытием в виде сплошного либо локального слоя соответственно, по меньшей мере, одного высоко электротеплопроводного металлического проводника, углубленного в диэлектрическую подложку на его толщину обеспечивает возможность создания дополнительного блокировочного конденсатора (Сбл.) на обратной стороне диэлектрической подложки и тем самым - улучшение развязки интегральной схемы СВЧ и, как следствие, - улучшение электрических характеристик и надежности интегральной схемы СВЧ.
Наличие между высоко электротеплопроводным металлическим проводником и металлизационным покрытием слоя из диэлектрического материала толщиной менее 2 мкм, с относительной диэлектрической проницаемостью более 4 обеспечивает с одной стороны надежную изоляцию между ними, а с другой стороны - большую удельную емкость упомянутого блокировочного конденсатора (Сбл.) и, как следствие, - улучшение электрических характеристик и надежности интегральной схемы СВЧ.
Наличие в диэлектрической подложке, по меньшей мере, одного сквозного отверстия, заполненного высоко электро-теплопроводным металлом, обеспечивает:
во-первых, выполнение сквозным(ми) отверстием(ями) одновременно двух функций;
первая - соединение электрически выводов на лицевой и обратной сторонах диэлектрической подложки и тем самым - полное исключение проволочных соединений, и тем самым максимальное уменьшение разброса электрических характеристик и повышение их воспроизводимости и, как следствие, - повышение надежности и снижение массогабаритных характеристик интегральной схемы СВЧ,
вторая - заземление интегральной схемы СВЧ и при этом герметичное, высоко технологичное и качественное и, как следствие, - повышение надежности интегральной схемы СВЧ.
Выполнение слоя диэлектрического материала толщиной более 2 мкм и с относительной диэлектрической проницаемостью менее 4 не желательно - в первом случае из-за увеличения пробивного напряжения, во втором из-за уменьшения удельной емкости блокировочного конденсатора (Сбл.) и соответственно ухудшения развязки.
Итак, заявленная интегральная схема СВЧ, в полной мере, обеспечивает заявленный технический результат, а именно - улучшение электрических характеристик, повышение надежности и уменьшение массогабаритных характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 (а, б, в) дана топология заявленной интегральной схемы СВЧ (частные случаи выполнения), когда она содержит:
- только пассивные элементы и представляет собой интегральную схему СВЧ мощного резистора (фиг. 1 а);
- пассивные и активные элементы и представляет собой: интегральную схему мощного транзистора СВЧ с копланарными линиями передачи (фиг.1 б),
- интегральную схему усилителя мощности СВЧ (фиг.1 в), вид спереди и вид сверху соответственно и где:
- диэлектрическая подложка из пластины алмаза - 1,
- металлизационное покрытие - 2 на лицевой и обратной сторонах диэлектрической подложки, на лицевой стороне - в виде локального слоя, на обратной стороне - в виде сплошного слоя,
- пассивные элементы - 3,
- активные элементы - 4,
- линии передачи - 5,
- выводы - 6,
- по меньшей мере, один высоко электро-теплопроводный металлический проводник - 7,
- слой из диэлектрического материала - 8,
- по меньшей мере, одно сквозное отверстие - 9, заполненное высоко электро-теплопроводным металлом - 10,
- крышка - 11 (а, б) герметичного корпуса и радиогерметичного корпуса с металлизационным покрытием - 12 соответственно.
На фиг. 2 (а, б, в) дана их электрическая схема соответственно.
На фиг. 3 даны зависимости от рабочей частоты выходной мощности (Рвых.) и коэффициента усиления (Ку) интегральной схемы усилителя мощности СВЧ кривая 1 и кривая 2 соответственно.
На фиг. 4 дана интегральная схема усилителя мощности СВЧ в герметичном корпусе с микрополосковыми выводами.
На фиг. 5 дана интегральная схема усилителя мощности СВЧ в радиогерметичном корпусе с копланарными выводами для поверхностного монтажа.
Примеры конкретного выполнения заявленной интегральной схемы СВЧ.
Пример 1
Интегральная схема СВЧ представляет собой гибридно-монолитную интегральную схему усилителя мощности СВЧ (частный случай), содержащую диэлектрическую подложку 1 из поликристаллического CVD алмаза толщиной, равной 150 мкм.
На лицевой и обратной сторонах диэлектрической подложки сформирована заданная топология интегральной схемы усилителя мощности СВЧ методом электронной литографии.
При этом расположение:
металлизационного покрытия 2 в виде локального слоя на лицевой и сплошного слоя на обратной сторонах диэлектрической подложки 1,
одного высоко электро-теплопроводного металлического проводника 7 на обратной стороне диэлектрической подложки,
шестнадцати сквозных отверстий 9 определяют при формировании топологии интегральной схемы усилителя мощности СВЧ.
На лицевой стороне диэлектрической подложки 1 выполнены:
металлизационное покрытие 2 - в виде локального слоя прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, титан (Ti)-никель (Ni)-золото (Au) общей толщиной 2-3 мкм;
пассивные элементы 3 - конденсаторы (блокировочные Сбл., развязывающие Ср., согласующие Сс);
линии передачи L 5 - микрополосковые линии передачи с разным волновым сопротивлением равным 30-100 Ом;
выводы 6.
В диэлектрической подложке 1 выполнено 16 сквозных отверстий 9, диаметром 100 мкм, заполненных высоко электро-теплопроводным металлом 10 - медью (Cu), методом гальванического осаждения.
Установлены навесные активные элементы 4 - два мощных полевых транзистора с барьером Шотки (ПТШ) КРПГ.432151.009 ТУ посредством поверхностного монтажа (SMD).
На обратной стороне диэлектрической подложки 1 выполнены:
металлизационное покрытие 2 - в виде сплошного слоя прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов титан (Ti)-никель (Ni)-золото (Au) общей толщиной 2-3 мкм;
между обратной стороной диэлектрической подложки 1 и упомянутым металлизационным покрытием 2 - один высоко электротеплопроводный металлический проводник 7 из меди (Cu) методом вакуумного напыления (Марка УРМ.З 89.01), толщиной 5 мкм, углубленный в диэлектрическую подложку на его толщину - 5 мкм;
3
4
между высоко электротеплопроводным металлическим проводником 7 и упомянутым металлизационным покрытием 2 - слой из диэлектрического материала 8 нитрида кремния (SiN), толщиной 1 мкм, относительная диэлектрическая проницаемость которого равна 6.
При этом выводы 6 соединены электрически с металлическим проводником 7 и интегральная схема заземлена посредством упомянутых сквозных отверстий 9.
При этом все элементы интегральной схемы соединены электрически.
При этом упомянутые элементы выполнены посредством типовых технологических методов тонкопленочной технологии и метода электронной литографии.
Примеры 2-3.
Аналогично выполнены образцы интегральной схемы усилителя мощности СВЧ, но при других конструкционных параметрах, заявленных в формуле изобретения.
Пример 4 соответствует прототипу.
Работа интегральной схемы СВЧ рассмотрена относительно интегральной схемы усилителя мощности СВЧ.
Итегральная схема усилителя мощности СВЧ выполнена, как указано выше, на основе двух мощных полевых транзисторов с барьером Шотки 4 КРПГ.432151.009 ТУ, выполненных по схеме с общим истоком.
Итегральная схема усилителя мощности СВЧ содержит один каскад усиления, цепи согласования по входу и выходу.
Согласование осуществляется с помощью согласующих конденсаторов Сс 3 и линий передачи L 5 в виде отрезков микрополосковой линии передачи.
Для развязки по постоянному току используются развязывающие конденсаторы Ср 3.
Для блокировки источников питания - блокировочные конденсаторы Сбл. 3.
Интегральная схема усилителя мощности СВЧ питается от двух источников питания: первый положительной полярности питает цепь стоков, второй отрицательной полярности обеспечивает необходимое напряжение смещения на затворах полевых транзисторов с барьером Шотки.
При подаче на вход интегральной схемы усилителя мощности СВЧ входной мощности на его выходе реализуется усиленный сигнал СВЧ в рабочем диапазоне частот 9-10 ГГц.
На образцах заявленной интегральной схемы усилителя мощности
СВЧ:
- измерены зависимости от рабочей частоты 9-10 ГГц выходной мощности (Рвых.) и коэффициента усиления (Ку).
- проведена оценка надежности по методике ускоренных испытаний ЭТ-361, при этом коэффициент ускорения рассчитывается по формуле
где:
а
Е - энергия активации,
осн.н
Т - температура номинального режима,
осн.ф
Т - температура форсированного режима.
Надежность оценивается временем безотказной работы интегральной схемы СВЧ.
Данные представлены на фиг. 3, где даны зависимости от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента усиления интегральной схемы усилителя мощности СВЧ, кривая 1 и кривая 2 соответственно.
Из представленных зависимостей видно:
- образцы интегральной схемы усилителя мощности СВЧ, выполненные согласно заявленной формуле изобретения, имеют: резонансный характер, выходная мощность и коэффициент усиления в рабочей полосе частот 9-10 ГГц составляют примерно (1,5-3) Вт и (8-10) дБ (примеры 1-3, фиг. 3 кривая 1 и кривая 2) соответственно.
Надежность - 13000 (тринадцать тысяч) часов.
В отличие от образца прототипа, который имеет примерно выходную мощность 1 Вт и коэффициент усиления 15 дБ в рабочей полосе частот 9-10 ГГц (два каскада усиления).
Надежность - 10000 (десять тысяч) часов.
Таким образом, заявленная интегральная схема СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
во-первых, улучшение электрических характеристик, а именно повышение выходной мощности интегральной схемы усилителя мощности СВЧ примерно в 2,5 раза;
во-вторых, повышение надежности примерно на 30 процентов;
в-третьих, уменьшение массогабаритных характеристик примерно в 1,5-2 раза.
Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками, высокой надежностью и малыми массогабаритными характеристиками особенно востребуема в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых, как указано выше, входит множество (порядка тысячи) идентичных интегральных схем СВЧ различного назначения.