ВЫВОДНАЯ РАМКА ДЛЯ СВЧ И КВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА
LEAD FRAME FOR SHF AND EHF SEMICONDUCTOR DEVICE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к выводным рамкам для присоединения кристаллов СВЧ и КВЧ полупроводниковых приборов к топологическому рисунку микрополосковых плат гибридных интегральных схем СВЧ и КВЧ-диапазона.
Известна выводная рамка для интегральных схем, которая содержит опорные полоски и несколько выводов, каждый из которых имеет наружный и внутренний концы. Наружные концы выводов соединены с опорными полосками, а внутренние концы отходят от опорных полосок к центру рамки. В центре выводной рамки расположен удаляемый элемент, на периферии которого расположено несколько углублений. Внутренние концы выводов помещены в углубления удаляемого элемента, чтобы предотвратить их смещение одного относительно другого[1].
Недостатком данной конструкции является необходимость изготовления центрального удаляемого элемента с углублениями, высокая трудоемкость технологии изготовления, неудобства применения для приборов СВЧ и КВЧ диапазонов.
Наиболее близким техническим решением является выводная рамка для СВЧ и КВЧ полупроводникового прибора, состоящая из нескольких выводов с внешними и внутренними концами, при этом внешние концы соединены с опорными полосками внешней технологической рамки, а внутренние концы имеют конфигурацию, соответствующую конфигурации контактных площадок кристалла полупроводникового прибора, и предназначены для непосредственного соединения с ними, толщина выводной рамки составляет 1-30 мкм, а длина внешних концов выводов, выходящих за пределы кристалла полупроводникового прибора, равна 0,1-1,5 мм, места соединений внутренних и внешних концов выводов, а также переходы сечений выводов выполнены плавными [2]. Конструкция рамки имеет улучшенные электрические характеристики по сравнению с аналогом, но недостаточные, что связано с конфигурацией плоских выводов и, как следствие, высокие потери энергии сигнала на СВЧ.
Техническим результатом изобретения является улучшение электрических характеристик за счет оптимизации конфигурации выводов и, как следствие, снижение потерь мощности сигнала на СВЧ.
Технический результат достигается тем, что в выводной рамке для СВЧ и КВЧ полупроводникового прибора, состоящей из нескольких выводов с внешними и внутренними концами, при этом внешние концы выводов соединены с опорными полосками внешней технологической рамки, а внутренние концы имеют конфигурацию, соответствующую конфигурации контактных площадок кристалла полупроводникового прибора, и предназначены для непосредственного соединения с ними, толщина выводной рамки составляет 1-30 мкм, а длина внешних выводов, выходящих за пределы кристалла полупроводникового прибора, равна 0,1-1,5 мм, места соединений внутренних и внешних концов выводов, а также переходы сечений выводов выполнены плавными, по крайней мере, два плоских вывода имеют клиновидный участок, причем ширина его узкой части Wн совпадает с размером внутреннего конца, а ширина широкой части Wк и длина l удовлетворяют условию: ΔL/ΔC=1,15±0,75, где: ΔL относительное изменение паразитной индуктивности плоского вывода L в процентах к максимально возможному ее изменению при изменении Wк от 0,03 до 1 мм; ΔC - относительное изменение паразитной емкости плоского вывода C в процентах к максимально возможному ее изменению при изменении Wк от 0,03 до 1 мм, при этом L=0,05+[0,66-0,04(Wк/Wн)]1; C=[0,008+0,0002(Wк/Wн)]1, Wн больше или равна 0,03 мм, a Wк изменяется в пределах от 0,04 до 1 мм.
Для облегчения присоединения внешних концов выводов возможно соединение нескольких внутренних концов выводов в один внешний при помощи клиновидных участков.
Наличие, по крайней мере, у одного плоского вывода клиновидного участка позволяет уменьшить его паразитную индуктивность L при незначительном увеличении паразитной емкости C и, таким образом, снизить потери мощности проходящего сигнала СВЧ, а значит, улучшить электрические характеристики.
Выполнение условия ΔL/ΔC=1,15±0,75, где L=0,05+[0,66-0,04(Wк/Wн)]1 паразитная индуктивность и C=[0,008+0,0002(Wк/Wн)]1 паразитная емкость, клиновидного участка вывода позволяет дополнительно снизить потери проходящего сигнала, а значит, улучшить электрические характеристики полупроводниковых приборов и гибридных интегральных схем СВЧ и КВЧ-диапазонов, в которых они установлены и используются.
Ограничение ширины узкой части клина Wн клиновидного участка плоского вывода объясняется тем, что величина контактных площадок полупроводниковых приборов СВЧ и КВЧ-диапазонов (транзисторов и монолитных полупроводниковых интегральных схем) выполняется обычно с минимальными размерами 30×30 мкм.
Ограничение ширины широкой части клина Wк клиновидного участка плоского вывода сверху объясняется тем, что величина ширины пятидесятиомной микрополосковой несимметричной линии платы гибридной интегральной схемы, выполняемой на диэлектрической подложке, примерно равна толщине подложки, а обычная толщина диэлектрической подложки не превышает 1 мм. Ограничение ширины широкой части клина Wк клиновидного участка плоского вывода снизу объясняется тем, что меньшее расширение практически не дает эффекта улучшения электрических характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлен фрагмент предложенной выводной рамки СВЧ и КВЧ-полупроводникового прибора, где:
- плоский вывод 1;
- внешний конец вывода 2;
- внутренний конец вывода 3;
- опорные полоски внешней технологической рамки 4;
- контактная площадка 5;
- кристалл полупроводникового прибора 6;
- часть внешних концов выводов, выходящая за пределы кристалла полупроводникового прибора 7;
- клиновидный участок плоского вывода длиной 1 8;
- узкая часть клиновидного участка шириной Wн 9;
- широкая часть клиновидного участка шириной Wк 10;
- место обрезки внешней технологической рамки 11.
На Фиг.2 представлены графики зависимости отношения ΔL/ΔC от ширины Wк плоского балочного вывода выводной рамки, где:
___
при Wн=0.05 мм, 1=0.5 мм;
.
-- при Wн=0.05 мм, 1=1 мм;
---- при Wн=0.1 мм, 1=0.5 мм.
экв.
экв.
На Фиг.3 представлена эквивалентная схема плоского вывода выводной рамки, где Z волновое сопротивление входа и выхода; L эквивалентная индуктивность; C эквивалентная емкость.
На Фиг.4 график зависимости отношения ΔL/ΔC от ширины Wк балочного вывода выводной рамки при Wн=0.03 мм.
На Фиг.5 график зависимости отношения ΔL/ΔC от ширины Wк балочного вывода выводной рамки при Wн=0.3 мм.
Пример.
Выводная рамка СВЧ и КВЧ-полупроводникового прибора, например полевого транзистора 3П976А - 5 (АЕЯР.432140.207ТУ). Кристалл полевого транзистора 3П976А - 5 имеет три контактные площадки 5 стока и три контактные площадки 5 затвора. Выводная рамка состоит из двух выводов 1, сток и затвор, внутренние концы 3 которых подключены к контактным площадкам 5, два внешних конца 2 соединены с опорными полосками 4 внешней технологической рамки 11. Внутренние концы 3 вывода 1 имеют конфигурацию, соответствующие конфигурации контактных площадок кристаллов. Размер контактной площадки 5 кристалла транзистора 50×50 мкм. Размеры внутреннего конца 3 вывода 45×45 мкм, что обеспечивает зазор в 2,5 мкм и облегчает их совмещение.
Толщина выводной рамки составляет 8 мкм. Материал, из которого выполнена рамка - гальванически осажденное золото, обеспечивает хорошую проводимость, свариваемость с контактными площадками 5, имеющим структуру металлизации Ti 0,02 мкм (напыленный) - Pd 0,2 мкм (напыленный) - Au 3 мкм(гальванически осажденное).
Внутренние концы 3 выводов 1 соединены контактной термозвуковой сваркой с контактными площадками 5 кристалла полупроводникового прибора 6. Ширина внешнего конца 2 вывода 1 соответствует ширине 0,5 мм пленочного проводника пятидесятиомной микрополосковой несимметричной линии на поликоровой подложке платы толщиной 0,5 мм. Длина внешних концов 2 выводов 1, выходящих за пределы кристалла 6, составляет 0,9 мм. Места соединений внутренних концов 3 и внешних концов 2 выводов 1, а также переходы сечений выводов 1 выполнены плавными. Выводы 1 имеют клиновидные участки 8. Ширина узкой части клина Wн клиновидного участка 8 вывода доставляет 45 мкм, а ширина широкой части клина Wк клиновидного участка 8 вывода 1 соответственно равна 0,5 мм. Длина клиновидного участка 1 равна 1 мм. Отношение ΔL/ΔC равно 0,78.
Используя компьютерное моделирование и программу двумерного электромагнитного моделирования [3] и сравнивая паразитные индуктивности и емкости клиновидных и прямоугольных участков выводов, а также проведя расчеты S-параметров транзисторов с учетом паразитных индуктивностей и емкостей, установлено, что замена прямоугольных участков плоского вывода на клиновидные позволяет уменьшить влияние паразитных параметров примерно на10%.
экв
экв
экв
экв
экв
В расчетах использовалась показанная на Фиг.3 эквивалентная схема плоского вывода, волновое сопротивление входа и выхода Z которой равно 50 Ohm. Схема состоит из входной эквивалентной емкости на землю C, эквивалентной индуктивности L на проход и выходной эквивалентной емкости на землю C. Эквивалентная схема позволяет учесть при расчете параметров транзистора паразитные индуктивности и емкости, вносимые этими выводами в схему транзистора. Расчеты показали, что можно найти значения параметров L и C эквивалентной схемы, при которых S-параметры транзистора в диапазоне частот 2-18 ГГц практически совпадают с S-параметрами транзистора, рассчитанными по программе двумерного электромагнитного моделирования.
Расчет паразитных эквивалентных индуктивностей и емкостей плоских балочных выводов представлен в таблице 1 и 2.
Таблица 1.
Клиновидный балочный вывод выводной рамки.
Начальная ширина 30 мкм, конечная 300 мкм
нач.: ширина 300 мкм, кон. - 1 мм
Длина l, мкм
L<sub>экв</sub>, нГн
С<sub>экв</sub>, пФ
L<sub>экв</sub>, нГн
С<sub>экв</sub>, пФ
100
0.106
0.0012
0.07
0.003
300
0.185
0.003
0.11
0.006
500
0.28
0.0044
0.15
0.009
700
0.38
0.006
0.2
0.013
900
0.483
0.008
0.25
0.016
1100
0.585
0.009
0.3
0.02
1300
0.687
0.01
0.34
0.023
1500
0.788
0.012
0.39
0.025
Таблица 2.
Прямоугольный вывод выводной рамки
ширина 30 мкм,
ширина 300 мм
Длина l, мкм
L<sub>экв</sub>, нГн
С<sub>экв</sub>, пФ
L<sub>экв</sub>, нГн
С<sub>экв</sub>, пФ
100
0.133
0.001
0.09
0.001
300
0.28
0.0018
0.14
0.004
500
0.44
0.0032
0.21
0.007
700
0.62
0.0045
0.29
0.01
900
0.77
0.006
0.35
0.013
1100
0.93
0.0075
0.43
0.016
1300
1.1
0.009
0.5
0.019
1500
1.26
0.01
0.57
0.022
Анализ полученных результатов показывает, что:
- применение клиновидного плоского балочного вывода позволяет значительно уменьшить паразитную индуктивность вывода;
- паразитная емкость вывода практически не увеличивается;
- эффективность применения клиновидного вывода возрастает при увеличении длины плоского балочного вывода.
Таким образом, введение клиновидных участков позволяет минимизировать паразитные индуктивности и емкости и тем самым снизить потери мощности проходящего сигнала, а значит, улучшить электрические характеристики.
Устройство работает следующим образом. Выводную рамку подключают внутренними концами 3 плоских выводов 1 к контактным площадкам 5 кристалла 6 полевого транзистора СВЧ-диапазона, а внешними концами 2 выводов 1 к микрополосковой линии платы гибридной интегральной схемы. После обрезки технологической рамки выводы выводной рамки обеспечивают подводку СВЧ-сигнала с минимальными потерями к транзистору и отвод обработанного (усиленного) сигнала от транзистора к выходной микрополосковой линии с минимальными потерями.
Предложенная конструкция по сравнению с прототипом улучшает электрические характеристики за счет уменьшения потерь энергии СВЧ-сигнала, что связано с обеспечением лучшего согласования микрополосковой линии и внешних концов выводов рамки и при переходе сигнала с внешних концов выводов на выходную микрополосковую линию, а также снижения потерь при переходе от контактных площадок полупроводникового прибора (транзистора) к микрополосковым линиям за счет оптимизации формы участков выводов.
Источники информации
1. Патент США №4415917, МКИ H01L 29/60, 23/48, НКИ 357-70, публикация 83.11.15, т.1036, 3.
7
2. Патент РФ №2191492 на изобретение, МПК H05K 3/24, H01L 23/48, приоритет 17.04.2000 г. Выводная рамка для СВЧ и КВЧ-полупроводникового прибора. Иовдальский В.А., Пчелин В.А.
3. Microwave Office/vss/AO 2006, http//www.appwave.com.