ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
HYBRID INTEGRATED CIRCUIT OF SHF RANGE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции гибридных интегральных схем СВЧ-диапазона длин волн.
Известна гибридная интегральная схема приемопередающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) СВЧ-диапазона, содержащая диэлектрическую плату, имеющую топологический рисунок металлизации, установленную и закрепленную в металлическом корпусе. Микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы и низкочастотные выводы схемы расположены с противоположных сторон модуля. Кристаллы компонентов схемы с контактными площадками: полупроводниковые монолитные интегральные схемы (МИС), конденсаторы, платы тонкопленочных схем, магнитный вентиль и др. - установлены на плату и электрически соединены между собой и с пленочными проводниками. Гибридная интегральная схема приемопередающего модуля содержит один приемный и один передающий каналы. Габаритные размеры известной ГИС составляют 64,5×13,5×6,5 мм [1].
Недостатком данной конструкции гибридной интегральной схемы являются низкие электрические и массогабаритные характеристики. Низкие электрические характеристики обусловлены отсутствием второго приемного канала, наличие которого позволяет формировать две диаграммы направленности, что дает возможность одновременно в режиме приема увеличить угол обзора, повысить точность определения координат цели и повысить дальность обнаружения цели ГИС ППМ АФАР.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, принятая за прототип, содержащая многослойную диэлектрическую плату, в каждом слое которой выполнен топологический рисунок металлизации, а на нижнем слое с внешней стороны выполнена заземляющая металлизация. Диэлектрическая плата установлена и закреплена на металлическом теплоотводящем основании экранной заземляющей металлизацией. С противоположных сторон платы выполнены микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы и электрически соединены между собой через пленочные проводники и навесные компоненты, например кристаллы полупроводниковых приборов (монолитные полупроводниковые интегральные схемы, транзисторы, диоды) и конденсаторов, низкочастотные выводы схемы, цепи питания, платы тонкопленочных схем и др. Часть кристаллов навесных компонентов расположена в индивидуальных углублениях с глубиной, обеспечивающей расположение лицевых поверхностей кристаллов с контактными площадками и поверхности отдельных слоев платы в одной плоскости. Внутрисхемные соединения контактных площадок навесных компонентов между собой, с топологическим рисунком металлизации, а также отдельных частей топологического рисунка металлизации между собой выполнены приваркой круглых или плоских проводников. Из топологического рисунка металлизации и навесных компонентов сформирован, по меньшей мере, один приемный и один передающий канал. Плата закрыта диэлектрической крышкой [2].
Недостатками данной конструкции гибридной интегральной схемы являются низкие электрические и массогабаритные характеристики.
Техническим результатом изобретения являются улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки, а также повышение ее технологичности.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена в виде многослойной платы с навесными компонентами, установленной и закрепленной на металлическом теплоотводящем основании и закрытой диэлектрической крышкой. Микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы электрически соединены между собой через пленочные проводники топологического рисунка металлизации и навесные компоненты. При этом каждый слой платы выполнен на диэлектрической подложке и, по крайней мере, с одной стороны имеет топологический рисунок металлизации пленочных проводников, а сторона нижнего слоя, расположенная на теплопроводящем основании, имеет экранную заземляющую металлизацию. Часть кристаллов навесных компонентов расположена в углублениях на лицевой стороне платы с глубиной, обеспечивающей расположение в одной плоскости поверхности платы и лицевых поверхностей кристаллов с контактными площадками. Внутрисхемные электрические соединения выполнены приваркой круглых или плоских проводников. Схема представляет собой приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, имеющий два приемных и один передающий каналы. Остальные кристаллы навесных компонентов расположены на поверхности многослойной платы и имеют одинаковую высоту. Диэлектрические подложки многослойной платы выполнены из керамики, топологический рисунок металлизации выполнен по толстопленочной технологии. В качестве навесных компонентов использованы гибридно-монолитная схема усилителя мощности, монолитные полупроводниковые интегральные схемы, а именно: аттенюаторы, фазовращатели, переключатель, согласующие усилители, малошумящие усилители, схемы управления, коммутатор, устройство защитное. Тонкопленочная схема делителя мощности сигнала и схемы внутренних соединений расположены на тонкопленочных платах, которые размещены в углублениях многослойной платы. Глубина углублений и толщины тонкопленочных плат обеспечивают расположение лицевых поверхностей плат в одной плоскости с лицевыми поверхностями соединяемых через них кристаллов, расположенных на поверхности многослойной платы. При этом расстояние между кристаллами, контактные площадки которых подлежат соединению проводниками, а также расстояние между тонкопленочными платами и соединяемыми с ними кристаллами менее или равно 0,15 мм. А расстояние между кристаллами монолитных полупроводниковых интегральных схем, соединяемых через тонкопленочные платы схем внутренних соединений, равно или менее 1,5 мм. Первый приемный канал образован последовательным соединением контактных площадок кристаллов монолитных полупроводниковых интегральных схем и тонкопленочной платы делителя мощности сигнала и одним концом соединен с микрополосковым входным СВЧ-выводом, а другим концом через переключатель с микрополосковым выходным СВЧ-выводом. Второй приемный канал образован последовательным соединением контактных площадок кристаллов монолитных полупроводниковых интегральных схем, электрически соединен одним концом с первым каналом через тонкопленочную плату делителя мощности сигнала и другим концом с микрополосковым выходным СВЧ-выводом. Передающий канал образован последовательным электрическим соединением переключателя, кристаллов монолитных полупроводниковых схем и гибридно-монолитной схемы усилителя мощности. Переключатель соединен с микрополосковым входным СВЧ-выводом, а гибридно-монолитный усилитель мощности с микрополосковым выходным СВЧ-выводом. Расстояния от кристаллов монолитных интегральных схем до краев углублений равно или менее 0,15 мм. В многослойной плате выполнено сквозное отверстие, в котором установлена гибридно-монолитная схема усилителя мощности, высота которой обеспечивает расположение ее лицевой поверхности в одной плоскости с лицевой поверхностью кристалла монолитной полупроводниковой интегральной схемы, соединяемой с ней. Микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы расположены на отдельных тонкопленочных платах и установлены по два с двух противоположных сторон многослойной платы, на металлическом теплоотводящем основании в специальных выемках, глубина которых обеспечивает расположение в одной плоскости лицевых поверхностей тонкопленочных плат с лицевой поверхностью многослойной платы. В металлическом основании между двумя отдельными тонкопленочными платами с микрополосковыми входными и выходными СВЧ-выводами выполнены, по меньшей мере, два крепежных отверстия. Крышка выполнена выпуклой, на ее внутреннюю поверхность методом толстопленочной технологии нанесена экранная заземляющая металлизация, а на наружной поверхности выполнены низкочастотные выводы с контактными площадками, которые электрически соединены с топологическим рисунком многослойной платы.
Для повышения технологичности конструкции схемы размер углубления в многослойной плате для размещения тонкопленочной платы-делителя мощности сигнала и размер отверстия для размещения гибридно-монолитной схемы усилителя мощности в направлении, перпендикулярном направлению присоединения СВЧ-выводов к кристаллам, больше размера тонкопленочной платы и размера гибридно-монолитной схемы на величину от 0,5 до 1,5 мм.
Выполнение диэлектрических слоев многослойной платы керамическими позволяет применить толстопленочную технологию для нанесения топологического рисунка металлизации с последующими высокотемпературными (до 400°С) отжигом и спеканием слоев многослойной платы, что позволяет снизить трудоемкость изготовления и тем самым повысить технологичность конструкции гибридной интегральной схемы.
Выполнение топологического рисунка металлизации по толстопленочной технологии позволяет снизить трудоемкость изготовления многослойной платы и тем самым повысить технологичность конструкции гибридной интегральной схемы.
Применение в качестве навесных компонентов монолитных полупроводниковых интегральных схем (МИС), например: аттенюаторов, фазовращателей, переключателей, согласующих усилителей, малошумящих усилителей, усилителей мощности, схем управления, коммутаторов - позволяет существенно снизить паразитные параметры схемы (индуктивность и емкость) за счет сокращения длины внутрисхемных соединений и тем самым улучшить электрические характеристики схемы, а также массогабаритные характеристики за счет выполнения значительной части схемы в составе кристаллов навесных компонентов, имеющих малые размеры.
Введение в состав гибридной интегральной схемы тонкопленочной платы с пленочной схемой делителя мощности позволяет разделить мощность входного сигнала с малыми потерями мощности и тем самым улучшить электрические характеристики схемы.
Расположение кристаллов навесных компонентов и плат с условием их максимально плотной компоновки в верхнем слое многослойной платы, а именно с расстоянием от кристаллов полупроводниковых приборов до краев углублений, равным или менее 0,15 мм, позволяет сократить длину соединений, а значит, улучшить электрические характеристики за счет уменьшения паразитных характеристик.
Расположение и установка (закрепление) части кристаллов и плат одинаковой высоты, контактные площадки которых подлежат непосредственному соединению, на поверхности многослойной платы на расстоянии, равном или менее 0,15 мм, друг от друга обеспечивает короткие внутрисхемные соединения с малыми паразитными параметрами, что улучшает электрические характеристики.
Установка гибридно-монолитной схемы усилителя мощности, расположенного в сквозном отверстии многослойной платы, на металлическом основании таким образом, что обеспечивается расположение поверхности соединяемых кристаллов монолитных полупроводниковых интегральных схем и лицевой поверхности гибридно-монолитной схемы усилителя мощности в одной плоскости, обеспечивает интенсивный теплоотвод от кристалла и короткие соединительные проводники, что улучшает электрические характеристики схемы.
Расположение тонкопленочной платы делителя мощности сигнала в углублении многослойной платы с такой глубиной углубления, что высота части тонкопленочной платы делителя мощности сигнала, выступающей над поверхностью многослойной платы, обеспечивает расположение в одной плоскости лицевых сторон тонкопленочной платы и кристаллов навесных компонентов, установленных на поверхности многослойной платы и непосредственно электрически соединяемых между собой и расположенных от платы на расстоянии, равном или менее 0,15 мм, что обеспечивает короткие соединительные проводники с малыми паразитными параметрами и тем самым улучшает электрические характеристики схемы.
Расположение микрополосковых входных и выходных СВЧ-выводов по два с двух противоположных сторон на отдельных тонкопленочных платах, установленных на металлическом теплоотводящем основании в специальных выемках, глубина которых обеспечивает расположение в одной плоскости лицевых поверхностей плат с лицевой поверхностью многослойной платы, обеспечивает короткие соединительные проводники, а значит, улучшает электрические характеристики схемы.
Выполнение в металлическом основании между двумя отдельными тонкопленочными платами с микрополосковыми входными и выходными СВЧ-выводами, по меньшей мере, двух крепежных отверстий позволяет повысить массогабаритные характеристики за счет экономии площади схемы, расходуемой на крепление.
Расположение диэлектрической выпуклой крышки с нанесенной на нее внутреннюю поверхность методом толстопленочной технологии экранной заземляющей металлизации, выполнение на ее наружной поверхности низкочастотных выводов с контактными площадками, электрически соединенных с топологическим рисунком многослойной платы, повышает технологичность конструкции схемы за счет обеспечения удобства подключения к контактным площадкам и улучшает электрические характеристики схемы за счет экранировки схемы металлизацией внутренней поверхности крышки и ее заземление.
Выполнение размера углубления в многослойной плате для посадки тонкопленочной платы делителя мощности сигнала, а также размера отверстия для посадки гибридно-монолитной интегральной схемы усилителя мощности в направлении, перпендикулярном направлению присоединения СВЧ-выводов, больше размера тонкопленочной платы и размера кристалла на величину 0,5-1,5 мм, что облегчает посадку и крепление платы и гибридно-монолитной интегральной схемы усилителя мощности и тем самым повышает технологичность конструкции схемы.
Введение специальных тонкопленочных плат внутрисхемных соединений для электрического соединения контактных площадок кристаллов монолитных полупроводниковых интегральных схем, высота которых обеспечивает расположение их лицевых поверхностей в одной плоскости с лицевыми поверхностями соединяемых кристаллов монолитных полупроводниковых схем, а расстояние между соединяемыми кристаллами равно или менее 1,5 мм, обеспечивает возможность более плотной компоновки кристаллов монолитных полупроводниковых интегральных схем и тем самым улучшает массогабаритные характеристики и, кроме того, повышает технологичность схемы за счет простоты соединения, т.к. топология тонкопленочных плат внутрисхемных соединений выполняется с учетом удобства подключения каждого кристалла (т.е. удобства соединения контактных площадок кристаллов и тонкопленочных плат).
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 и 2 представлен фрагмент предлагаемой гибридной интегральной схемы, где:
- многослойная диэлектрическая плата 1;
- навесные компоненты 2;
- металлическое теплоотводящее основание 3;
- диэлектрическая крышка 4;
- микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы 5;
- топологический рисунок металлизации 6;
- диэлектрическая подложка 7;
- экранная заземляющая металлизация 8;
- углубление 9;
- контактные площадки кристаллов 10;
- внутрисхемные соединения 11;
- приемные каналы 12 и 13;
- передающий канал 14;
- гибридно-монолитная интегральная схема усилителя мощности 15;
- монолитные полупроводниковые интегральные схемы 16;
- тонкопленочная схема делителя мощности сигнала 17;
- схемы внутренних соединений 18;
- тонкопленочные платы 19;
- переключатель 20;
- сквозное отверстие 21;
- специальные выемки 22;
- крепежные отверстия 23.
На Фиг.3 представлена диэлектрическая крышка 4 гибридной интегральной схемы, где:
- экранная заземляющая металлизация 24;
- низкочастотные выводы 25;
- контактные площадки на крышке 26.
напыленный
напыл
гальванич
гальванич
гальванич
2
Пример. Гибридная интегральная схема приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона содержит многослойную, например восьмислойную, диэлектрическую плату 1. Диэлектрическая подложка 7 каждого слоя выполнена из низкотемпературной керамики (LTCC) марки «Du Poun» 951 размером 30×16×1,0 мм. Топологический рисунок металлизации 6 выполнен с применением пасты 614D. Толщина каждого слоя платы 1 равна 0,125 мм. Многослойная диэлектрическая плата 1 спаяна припоем ПСрОС - 3-58 с металлическим теплоотводящим основанием 3, которое выполнено из сплава МД - 50 (50% меди и 50% молибдена) и имеет покрытие Н1Зл3 (1 мкм никеля и 3 мкм золота, осажденных гальванически). Нижний слой платы 1, расположенный на металлическом теплоотводящем основании 3, имеет экранную заземляющую металлизацию 8, выполненную с применением пасты 614D. Микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы 5 выполнены пятидесятиомными на отдельных поликоровых тонкопленочных платах 19 размером 5×4×0,5 мм по тонкопленочной технологии со структурой металлизации микрополосковых линий и экранной заземляющей металлизации Сr(100 Ом/мм) - Сu(1 мкм) - Сu(3 мкм) - Ni(0,8 мкм) - Аu(3 мкм). Пленочные проводники платы 1 выполнены в составе топологического рисунка металлизации 6. В качестве навесных компонентов 2 в гибридной интегральной схеме использованы:
- гибридно-монолитная интегральная схема усилителя мощности (ГМИС) 15 М42230-2 АПНТ43810.024ТУ размером 3×3,5×1,1 мм;
- монолитные арсенидгаллиевые полупроводниковые интегральные схемы (МИС) 16: аттенюатр М44712 (АПНТ.434820.002ТУ) с размерами 2,4×1,4×0,1 мм, фазовращатель М44149 (АПНТ.434830.019ТУ) с размерами 4,3×2,2×0,1 мм, фазовращатель М44146-2 АПНТ.434830.009ТУ с размерами 2,4×1,8×0,1 мм, переключатель М44224-2 (АПНТ.434830.096ТУ) с размерами 1,9×1,4×0,1 мм, согласующий усилитель М421304-1,2 (АПНТ434810.062ТУ) с размерами 0,92×1,26×0,1 мм, малошумящий усилитель на транзисторах М421283-1 (АПНТ434810.022ТУ) с размерами 2,12×1,12×0,1 мм, малошумящий усилитель на транзисторах М421283-2 (АПНТ434810.022ТУ) с размерами 2,12×1,12×0,1 мм, схема управления типа драйвер (ГПКФ.431438.005ТУ) с размерами 2,4×1,8×0,1 мм, коммутатор (ГПКФ.431432.004ТУ) с размерами 2,4×1,8×0,1 мм, устройство защитное М44417 (АПНТ434820.014ТУ) с размерами 0,82×1,12×0,1 мм;
- конденсатор керамический КРПГ.757761.002ТУ с размерами 0,65×0,65×0,3 мм.
Пленочная схема делителя мощности сигнала 17 расположена на тонкопленочной плате 19, выполненной на поликоровой подложке, размером 8,5×4×0,25 мм. Схемы внутренних соединений 18 расположены на тонкопленочных платах 19, выполненных на поликоровой подложке, размером 3,7×0,9×0,25 мм. Микрополосковые входные и выходные СВЧ-выводы 5 расположены на отдельных тонкопленочных платах 19, выполненных на поликоровой подложке, размером 5×4×0,5 мм, которые закреплены на теплопроводящем основании 3 при помощи припоя ПСрОС - 3-58 в специальных выемках 22, глубина которых равна 0,52 мм.
Расположенный в углублении 9 в многослойной плате 1 кристалл МИС 16 драйвера или коммутатора меньше размера углубления 9 на 0,1 мм в плане и по глубине на 25 мкм. Углубления 9 в многослойной плате 1 для размещения кристаллов МИС 16 драйверов или коммутатора имеют размеры 2,5×1,9×0,25 мм. Углубления 9 в многослойной плате 1 для размещения тонкопленочных плат 19 схем внутренних соединений 18 имеют размеры 3,8×1,0×0,125 мм. Углубление 9 в многослойной плате 1 для размещения тонкопленочной платы 19 делителя мощности 17 имеет размеры 9,7×4,1×0,125 мм.
Размер отверстия 21 в многослойной плате 1 в направлении присоединения СВЧ-выводов ГМИС равен 3,6 мм, что превышает на 0,1 мм размер ГМИС (3,5 мм), в направлении, перпендикулярном направлению присоединения СВЧ-выводов, размер отверстия 21 составляет 4,2 мм, что превышает на 1,2 мм размер ГМИС (3,0 мм).
В составе схемы выполнен передающий канал 14 из следующих МИС 16, а именно: переключателя 20, согласующего усилителя, фазовращателя, согласующего усилителя, фазовращателя, согласующего усилителя, ГМИС усилителя мощности 15, электрически соединенных между собой проволочными внутрисхемными соединениями 11, и два приемных канала 12 и 13. Канал 12 состоит из МИС 16, а именно: устройство защитное (М44417), двух малошумящих усилителей (М421283-1 и М421283-2), тонкопленочной платы 19 делителя мощности сигнала 17 (КРПГ.758785.366), из МИС 16, а именно: двух аттенюаторов, согласующего усилителя, двух фазовращателей, согласующего усилителя. Канал 13 состоит из МИС 16, а именно: двух фазовращателей, согласующего усилителя, двух аттенюаторов, согласующего усилителя. Второй приемный канал 13 соединен с микрополосковым входным СВЧ-выводом 5 и через пленочную схему делителя мощности сигнала 17 с первым приемным каналом 12.
Кристаллы монолитных полупроводниковых схем 16 и тонкопленочных плат 19, которые подлежат непосредственному электрическому соединению внутрисхемными соединениями 11, установлены на поверхности многослойной платы 1 или в углублениях в ней на расстоянии 0,1 мм друг от друга.
Гибридно-монолитная интегральная схема 15 усилителя мощности (М42230-2 АПНТ43810.024ТУ) установлена и закреплена при помощи припоя ПСрОС-3-58 на металлическом основании 3, расположена в сквозном отверстии 21 многослойной платы 1.
В металлическом теплоотводящем основании 3 выполнены специальные выемки размером 5,2×4,2×0,52 мм по две с двух противоположных сторон многослойной платы 1, в которых установлены тонкопленочные платы 19 с микрополосковыми входными и выходными СВЧ-выводами 5. Между двумя отдельными тонкопленочными платами 19 с микрополосковыми входными и выходными СВЧ-выводами 5 в металлическом теплоотводящем основании 3 выполнены два крепежных отверстия 23 диаметром 2,4 мм.
Диэлектрическая крышка 4 выполнена выпуклой, например, из керамики ВК-94-1 аЯО.027.002ТУ. Крышка 4 установлена и закреплена клеем ТЭК-1 ТСО.028.040ТУ на периферийной части поверхности многослойной платы 1. На внутреннюю поверхность крышки 4 методом толстопленочной технологии пастой ПСтМ-1 ТСО.029.003ТУ с дополнительным покрытием Н1Зл3 нанесена экранная заземляющая металлизация 24, на ее наружной поверхности выполнены низкочастотные выводы 25 с контактными площадками 26, которые электрически соединены с топологическим рисунком металлизации 6 многослойной платы 1 со структурой металлизации, указанной выше. Тонкопленочные платы 19 схем внутрисхемных соединений 18 упрощают соединение кристаллов МИС 16 и облегчают выполнение внутрисхемных соединений 11 и тем самым повышают технологичность конструкции гибридной интегральной схемы. Высота тонкопленочных плат 19 схем внутренних соединений 18, выступающая над многослойной платой 1, равна 0,125 мм, что обеспечивает расположение примерно в одной плоскости лицевых поверхностей этих тонкопленочных плат 19 и кристаллов монолитных полупроводниковых схем 16, имеющих высоту 0,1 мм. Изготовленный приемопередающий модуль имеет размеры 41×16,8×5 мм и массу 17 г.
Устройство работает следующим образом. Сигнал со входа гибридной интегральной схемы приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки поступает в приемный канал 12, проходит через защитное устройство и поступает на вход МИС 16 (малошумящие усилители), которые обеспечивают высокую чувствительность приемных каналов 12 и 13. После предварительного усиления сигнал делится СВЧ-делителем мощности сигнала 17 на два равных сигнала, каждый из которых проходит через МИС 16 (аттенюаторы) и МИС 16 (фазовращатели). Аттенюаторы и фазовращатели формируют амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики двух независимых приемных каналов 12 и 13. Согласующие усилители необходимы для стабилизации характеристик фазовращателей за счет согласования их дискретных входных и выходных сопротивлений. Наличие двух приемных каналов 12 и 13 позволяет одновременно формировать две амплитудно- и две фазочастотные характеристики схемы.
Для реализации функции передачи сигнала сформированный в задающем генераторе сигнал поступает через переключатель прием/передача 20 в передающий канал 14 гибридной интегральной схемы приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона на МИС 16 (согласующий усилитель). Согласующий усилитель согласует выходное сопротивление переключателя 20 с входным сопротивлением фазовращателя, что повышает стабильность дискретов ступенчатого фазовращателя. МИС 16 (согласующий усилитель), расположенная перед ГМИС 15 (усилитель мощности), позволяет усилить передаваемый сигнал до уровня необходимого для работы внешнего выходного усилителя мощности в режиме насыщения. Две МИС 16 (фазовращатели) формируют фазочастотные характеристики передающего канала 14.
Использование данной конструкции гибридной интегральной схемы приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона предполагает их объединение в полотна (или модули) из 1600 шт. гибридных интегральных схем. При этом применение предложенной конструкции гибридных интегральных схем облегчает их монтаж и подключение.
Источники информации
1. 3-Vs Reviw. The Advanced Semiconductor Magazine, 26 May 2006 (Новости СВЧ-техники, 2006, №6).
2. Климачев И.И., Иовдальский В.А. ГИС СВЧ-Конструирование и технология. М.: Техносфера, 2006 г., с.229.