ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ
HYBRID MICROWAVE-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно гибридным интегральным схемам СВЧ и предназначено для радиоэлектронных устройств различного назначения, в том числе радиолокационных станции с фазированными антенными решетками (ФАР).
Основными требованиями предъявляемыми к гибридной интегральной схеме (ГИС) СВЧ и, особенно в последнем случае ее применения являются высокие электрические характеристики и прежде всего выходная мощность и коэффициент усиления.
А одним из условий, определяющих стабильный режим работы гибридной интегральной схемы и соответственно высоких электрических характеристик является обеспечение эффективного отвода тепла от тепловыделяющих компонентов гибридной интегральной схемы СВЧ.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации и выемками, в которых с помощью связывающего вещества закреплены полупроводниковые кристаллы, причем поверхность кристаллов с контактными площадками лежит в одной плоскости с поверхностью платы, а контактные площадки кристаллов электрически соединены с топологическим рисунком металлизации [1].
В которой с целью улучшения электрических характеристик и повышения плотности монтажа, выемки в диэлектрической плате выполнены в виде углублений, глубина которых выбрана превышающей на 10-30 мкм толщину кристаллов, закрепленных на дне углублений, а зазоры между стенками каждого углубления и кристаллом выбраны равными 20-100 мкм.
Недостатком данной интегральной схемы СВЧ является недостаточно эффективный отвода тепла от полупроводниковых кристаллов и тем более мощных.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ, содержащая металлизированную с двух сторон диэлектрическую плату с рисунком металлизации на лицевой поверхности и, по меньшей мере, с одной монтажной площадкой, расположенной на электро- и теплопроводящих элементах, размещенных в отверстиях платы, теплоотводящее основание, скрепленное с металлизацией обратной стороны платы, и бескорпусные электронные приборы, закрепленные связующим веществом на монтажной площадке и соединенные с рисунком металлизации.
В которой с целью повышения эффективности отвода тепла, снижения массогабаритных характеристик и паразитных электрических характеристик, монтажную площадку размещают в металлизированном углублении, при этом расстояние от монтажной площадки до лицевой стороны платы выбирают равным суммарной толщине бескорпусного полупроводникового электронного прибора и связующего вещества [2].
В данной гибридной интегральной схеме по сравнению с первым аналогом несколько повышена эффективность отвода тепла.
Более того, упрощено заземление элементов гибридной интегральной схемы СВЧ.
Однако недостатком и данной гибридной интегральной схемы СВЧ является недостаточно эффективный отвод тепла от полупроводниковых кристаллов и тем более мощных.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ для приемопередающих модулей, выполненных по многослойной технологии низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC), содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой расположен топологический рисунок металлизационного покрытия, а на обратной стороне - экранное заземляющее металлизационное покрытие.
Диэлектрическая подложка расположена обратной стороной на металлическом теплоотводящем основании и соединена с ним, на лицевой стороне диэлектрической подложки выполнено, по меньшей мере, одно углубление, дно которого выполняет функцию монтажной площадки.
В дне углубления, выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, заполненное электро- и теплопроводящим материалом. На дне углубления (монтажной площадке) расположен, по меньшей мере, один активный тепловыделяющий компонент, контактные площадки которого соединены с топологическим рисунком металлизационного покрытия проволочными соединениями.
При этом все элементы гибридной интегральной схемы соединены электрически [3 - прототип].
Многоступенчатые полости в LTCC, предназначенные для монтажа активных тепловыделяющих компонентов, позволяют значительно сократить размеры модуля в целом.
Однако данная гибридная интегральная схема:
во-первых, изначально предназначена для приемопередающих модулей, работающих с небольшими мощностями,
во-вторых, тепловой контакт между активным тепловыделяющим компонентом и теплоотводящим металлическим основанием посредством шариков, выполненных из припоя, однозначно не является эффективным для отвода тепла.
Техническим результатом изобретения является улучшение электрических характеристик гибридных интегральных схем СВЧ и в том числе мощных путем повышения эффективности отвода тепла.
Указанный технический результат достигается гибридной интегральной схемой СВЧ, содержащей диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой расположен топологический рисунок металлизационного покрытия, а на обратной стороне - экранное заземляющее металлизационное покрытие, при этом диэлектрическая подложка расположена обратной стороной на металлическом теплоотводящем основании и соединена с ним, на лицевой стороне диэлектрической подложки выполнено, по меньшей мере, одно углубление, в дне которого выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, заполненное электро- и теплопроводящим материалом, при этом упомянутое углубление предназначено для расположения, по меньшей мере, одного активного тепловыделяющего компонента, контактные площадки которого соединены с топологическим рисунком металлизационного покрытия проволочными соединениями, при этом глубина углубления обеспечивает расположение лицевых поверхностей активного тепловыделяющего компонента и диэлектрической подложки в одной плоскости, все элементы гибридной интегральной схемы соединены электрически.
В которую
дополнительно введена теплорассеивающая пластина с коэффициентом теплопроводности не менее 250 Вт/(м×град) и расположена непосредственно на дне упомянутого углубления,
-3
а активный тепловыделяющий компонент расположен на противоположной - лицевой стороне теплорассеивающей пластины, при этом последняя выполнена с заданными геометрическими размерами, толщиной (0,025-0,5)×10 м, размером в плане превышающим соответствующий размер активного тепловыделяющего компонента,
а сквозное отверстие заполнено электро- и теплопроводящим материалом с коэффициентом теплопроводности 100-430 Вт/(м×град) и расположено в плане равномерно,
перепад температуры ∆t по высоте от активного тепловыделяющего компонента до обратной стороны металлического теплоотводящего основания, толщина теплорассеивающей пластины h, отношение площади сквозного отверстия в дне углубления ко всей его площади W, коэффициент теплопроводности теплорассеивающей пластины X, удельная плотность теплового потока между теплорассеивающей пластиной и обратной стороной металлического теплоотводящего основания q, площадь теплорассеивающей пластины S в плане находятся в следующей полиномиальной зависимости:
1
2
-7
3
-11
4
P=-455,646+0,444586×λ-0,000335923×λ+1,54809·×10×λ-2,9823×10×λ,
2
2
-7
3
-11
4
Р=377,843-0,375365×λ+0,000285492×λ-1,30761×·10×λ+2,49428×10×λ,
3
2
-5
-8
3
-12
4
Р=-88,6036+0,0878182×λ-6,72438·10×λ+3,04692×10×λ-5,72084·×10×λ,
4
-6
2
-9
3
-13
4
Р=16,5167-0,00944878×λ+7,77748×10×λ-3,47195·10×λ+6,20848×10×λ,
5
-7
2
-11
3
-15
4
P=0,128092-0,000196569×λ+1,6179×10×λ-6,3764×10×λ+9,63112×10×λ,
6
-6
2
-9
3
-13
4
Р=-8,4941+0,00848523×λ-7,42837×10×λ+3,11324×10×λ-5,00756×10×λ,
7
-6
2
-9
3
-13
4
Р=14,8724-0,00938909×λ+8,25044×10×λ-3,45956×10×λ+5,55552×10×λ,
8
-6
2
-10
3
-14
4
P=-1,99507+0,00124401×λ-1,08972×10×λ+4,55367×10×λ-7,28519·×10×λ,
9
-6
2
-10
3
-14
4
Р=2,19877-0,001372×λ+1,20243×10×λ-5,02695×10×λ+8,04568×10×λ,
10
-6
2
-9
3
-13
4
Р=9,31721-0,00927111×λ+8,12386·10×λ-3,40783×10×λ+5,48631×10×λ.
Диэлектрическая подложка может быть выполнена однослойной либо многослойной.
Активный тепловыделяющий компонент выполнен в виде, по меньшей мере, одного кристалла мощного диода либо мощного транзистора СВЧ, либо интегральной схемы, например, усилителя мощности СВЧ.
Теплорассеивающая пластина выполнена из алмаза с металлизационным покрытием, при этом металлизационное покрытие на лицевой ее стороне может быть выполнено в виде топологического рисунка пленочных проводников, через которые контактные площадки активного тепловыделяющиего компонента могут быть соединены с топологическим рисунком металлизационного покрытия диэлектрической подложки.
На лицевой стороне теплорассеивающей пластины может быть выполнено дополнительно углубление, на дне которого расположен активный тепловыделяющий компонент.
Раскрытие сущности изобретения.
Заявленные существенные признаки гибридной интегральной схемы СВЧ и их совокупность, а именно
наличие в гибридной интегральной схеме СВЧ теплорассеивающей пластины, с коэффициентом теплопроводности не менее 250 Вт/(мхград), с заданными геометрическими размерами и расположение ее непосредственно на дне углубления, и расположение активного тепловыделяющего компонента на лицевой стороне теплорассеивающей пластины, обеспечат:
во-первых, увеличение площади теплового контакта с активным тепловыделяющим компонентом,
во-вторых, расширение теплового потока и более равномерное растекание теплового потока, и, соответственно, снижение плотности удельного теплового потока.
И как следствие того и другого - повышение эффективности отвода тепла и соответственно - улучшение электрических характеристик.
Заполнение сквозного отверстия (отверстий) в дне углубления электро- и теплопроводящим материалом с коэффициентом теплопроводности 100-430 ВТ/(м×град), равно как
и расположение этих отверстий равномерно, равно как
когда перепад температуры Δt по высоте от активного тепловыделяющего компонента до обратной стороны металлического теплоотводящего основания, толщина теплорассеивающей пластины h, отношение площади отверстия (отверстий) в дне углубления ко всей его площади W, коэффициент теплопроводности теплорассеивающей пластины λ, удельная плотность теплового потока между теплорассеивающей пластиной и обратной стороной металлического теплоотводящего основания q, площадь теплорассеивающей пластины S в плане находятся в указанной полиномиальной зависимости, обеспечат оптимизацию:
во-первых, геометрических размеров теплоотводящей системы (теплорассеивающей пластины, углубления в диэлектрической подложке с дном, отверстия (отверстий) в нем, заполненного (заполненных) электро- и теплопроводящим материалом),
во-вторых, соотношение электро- и теплопроводящего материала в диэлектрической подложке в %, выраженное через отношение площади отверстия (отверстий) в дне углубления (углублении) ко всей его площади W, что иллюстрируется и подтверждено фиг.4.
И как следствие того и другого - повышение эффективности отвода тепла и соответственно - улучшение электрических характеристик - выходной мощности и коэффициента усиления.
Выполнение теплорассеивающей пластины из алмаза (частный случай выполнения) в совокупности с наличием на ее лицевой стороне дополнительно углубления и расположение активного тепловыделяющего компонента на его дне, и когда его глубина обеспечивает расположение лицевых поверхностей активного тепловыделяющего компонента и диэлектрической подложки в одной плоскости обеспечат:
во-первых, максимальное достижение эффективности отвода тепла вследствие того, что алмаз обладает лучшей теплопроводностью среди известных на сегодня аналогичных материалов,
во-вторых, сокращение длины соединительных проводников.
И как следствие того и другого - максимальное достижение технического результата - максимальное улучшение электрических характеристик характеристик - выходной мощности и коэффициента усиления.
-3
-3
Выполнение теплорассеивающей пластины толщиной менее 0,025×10 м и более 0,5×10 м нецелесообразно, в первом случае вследствие ее хрупкости, во втором - отсутствия дальнейшего повышения эффективности рассеивания тепла.
Заполнение отверстия (отверстий) в дне углубления электро- и теплопроводящим материалом с удельной теплопроводностью 100-430 Вт/(м×град) является оптимальным для обеспечения максимального достижения технического результата, что рассчитано теоретически и подтверждено экспериментально и иллюстрируется фиг.5.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дан общий вид заявленной гибридной интегральной схемы СВЧ, где
- диэлектрическая подложка - 1,
- топологический рисунок металлизационного покрытия - 2,
- экранное заземляющее металлизационное покрытие - 3,
- металлическое теплоотводящее основание - 4,
- по меньшей мере, одно углубление - 5 на лицевой стороне диэлектрической подложки,
- дно углубления - 6,
- по меньшей мере, одно сквозное отверстие - 7 в дне углубления,
- электро- и теплопроводящий материал - 8 в сквозном отверстии,
- по меньшей мере, один активный тепловыделяющий компонент - 9,
- контактные площадки - 10 активного тепловыделяющего компонента,
- проволочные соединения - 11,
- теплорассеивающая пластина - 12, расположенная непосредственно на дне углубления,
- металлизационное покрытие - 13, на лицевой стороне теплорассеивающей пластины 12 в случае ее выполнения из алмаза и дополнительное углубление - 14 на ее лицевой стороне с дном - 15.
На фиг.2 дан частный случай выполнения гибридной интегральной схемы СВЧ, когда теплорассеивающая пластина 12 выполнена из алмаза с металлизационным покрытием 13.
На фиг.3 дан частный случай выполнения гибридной интегральной схемы СВЧ, когда теплорассеивающая пластина 12 выполнена из алмаза с металлизационным покрытием 13 и с углублением 14 на лицевой ее стороне.
На фиг.4 дана зависимость перепада температуры Δt по высоте от активного тепловыделяющего компонента до обратной стороны металлического теплоотводящего основания от отношения площади отверстия (отверстий) в дне углубления ко всей его площади W, где кривая 1 соответствует коэффициенту теплопроводности электро- и теплопроводящего материала 100 Вт/(м×град), кривая 2 - 200 Вт/(м×град), кривая 3 - 300 Вт/(м×град) (при коэффициенте теплопроводности теплорассеивающей пластины из алмаза 600 Вт/(м×град).
-3
-3
-3
-3
-3
На фиг.5. дана зависимость перепада температуры ∆t по высоте от активного тепловыделяющего компонента до обратной стороны металлического теплоотводящего основания от отношения площади отверстия (отверстий) в дне углубления ко всей его площади W, в зависимости от толщины теплорассеивающей пластины h, где кривая 1 соответствует толщине теплорассеивающей пластины, равной 0,025×10 м, кривая 2 - 0,05×10 м, кривая 3 - 0,1×10 м, кривая 4 - 0,2×10 м, кривая 5 - 0,5×10 м.
вых.
у
На фиг.6 (а и б) дана зависимость от рабочей полосы частот выходной мощности Р (фиг.6а) и коэффициента усиления К (фиг.6б) активного тепловыделяющего компонента, например предварительного усилителя мощности (ПУМ М42230-2 АПНТ 43810.24 ТУ), при этом:
вых.
у
кривые 1 (Р и К) соответствуют средним конструкционным и технологическим параметрам ГИС (примеры 1-3),
кривые 2 - (примеры 4-6),
кривые 3 - (примеры 7-9).
Заявленная интегральная схема СВЧ работает следующим образом.
Тепло, выделяемое в процессе работы активным тепловыделяющим компонентом, например, мощным транзистором СВЧ, рассеивается теплорассеивающей пластиной с значительным расширением теплового потока и тем самым значительно повышает эффективность отвода тепла и как следствие - улучшение электрических характеристик - выходной мощности и коэффициента усиления.
Конкретное выполнение заявленной гибридной интегральной схемы СВЧ рассмотрены на примере гибридной интегральной схемы приемопередающего модуля фазированной антенной решетки.
Пример 1.
-3
-3
На лицевой стороне диэлектрической подложки 1 из LTCC марки «Du Pont 951», размером (30×16×0,625)×10 м, например, из пяти слоев, толщиной каждый, равный 0,125×10 м выполнены топологический рисунок металлизационного покрытия 2, на обратной стороне - экранное заземляющее металлизационное покрытие 3, из металлизационной пасты 6142D посредством метода толстопленочной технологии.
Диэлектрическая подложка расположена обратной стороной на металлическом теплоотводящем основании 4, выполненном из сплава МД - 50 и соединена с ним припоем ПСр-3-58.
На лицевой стороне диэлектрической подложки выполнено, по меньшей мере, одно углубление 5,
В дне углубления 6, выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие 7, заполненное электро- и теплопроводящим материалом 8, например, пастой 6142D, удельная теплопроводность которой 250-300 Вт/(м×град).
-3
Теплорассеивающая пластина 12, выполнена, из МД-50 с коэффициентом теплопроводности 250 Вт/(м×град) с заданными геометрическими размерами, при этом толщиной 0,37×10 м, размером в плане, превышающим соответствующий размер активного тепловыделяющего компонента 9 и расположена непосредственно на дне углубления 6.
На лицевой стороне теплорассеивающей пластины 12 расположен, по меньшей мере, один активный тепловыделяющий компонент 9, например, предварительный усилитель мощности (ПУМ) в виде гибридной монолитной интегральной схемы предварительного усилителя мощности (ПУМ М42230-2 АПНТ 43810.24 ТУ), контактные площадки 10 которого соединены с топологическим рисунком металлизационного покрытия 2 проволочными соединениями 11.
При этом перепад температуры ∆t по высоте от активного тепловыделяющего компонента до обратной стороны металлического теплоотводящего основания, толщина теплорассеивающей пластины h, отношение площади отверстий в дне углубления (углублений) ко всей ее площади W, коэффициент теплопроводности теплорассеивающей пластины λ, удельная плотность теплового потока между теплорассеивающей пластиной и обратной стороной металлического теплоотводящего основания q, площадь стороны теплорассеивающей пластины S в плане находятся в указанной в формуле изобретения полиномиальной зависимости.
Пример 2.
2
-6
-6
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы гибридной интегральной схемы СВЧ и когда теплорассеивающая пластина 12 выполнена из алмаза, а на ее лицевой стороне выполнено металлизационное покрытие 13 из титана толщиной (соответствующей сопротивлению пленки 150 Ом/м), - палладия (0,2×10 м) - золота (3,0×10 м) посредством метода тонкопленочной технологии (частный случай).
Пример 3.
2
-6
-6
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы гибридной интегральной схемы СВЧ и когда теплорассеивающая пластина 12 выполнена из алмаза, а на ее лицевой стороне выполнено металлизационное покрытие 13 из титана толщиной (соответствующей сопротивлению пленки 150 Ом/м), - палладия (0,2×10 м) - золота (30×10 м) посредством метода тонкопленочной технологии, и когда на ее лицевой стороне выполнено дополнительно углубление 14 на дне 15 которого расположен упомянутый активный тепловыделяющий компонент 9 (частный случай).
Примеры 4-5.
Аналогично примерам (1 и 2 и 3) изготовлены образцы гибридной интегральной схемы СВЧ, но при других значениях толщины теплорассеивающей пластины из алмаза и типа электро- и теплопроводящего материала (его удельной теплопроводности).
На изготовленных образцах интегральной схемы СВЧ измерены зависимость выходной мощности (фиг.6а) и коэффициента усиления (фиг.6б) в рабочей полосе частот (8-12 ГГц) и мощности входного сигнала 30 мВт, при этом
вых.
у
кривые 1 (Р и К) соответствуют средним конструкционным и технологическим параметрам ГИС (примеры 1-3), и рабочей частоте 10 ГГц
кривые 2 - (примеры 4-6),
кривые 3 - (примеры 7-9).
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы, образцы имеют примерно:
для сплава МД-50 (пример 1-3) выходную мощность (1,05-1,1) Вт и коэффициент усиления (17,2-17,5) дБ,
для алмаза CVD (пример 4-6) - выходную мощность (1,1-1,14) Вт и коэффициент усиления (17,5-17,8) дБ,
для алмаза монокристаллического (пример 7-9) - выходную мощность (1,23-1,27) Вт и коэффициент усиления (18,2-18,4) дБ.
В отличие от образца прототипа (пример 10), где имеем выходную мощность порядка 0,92 Вт и коэффициент усиления порядка 15,9 дБ.
Таким образом, заявленная интегральная схема СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом увеличение выходной мощности коэффициента усиления примерно на 11,5 процента.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №1667571 МПК H01L 23/10, приоритет 02.06.1989, опубл. 27.11.1996.
2. Авторское свидетельство №1694021 МПК H01L 23/00, приоритет 28.07.1989.
3. Новости СВЧ-техники. Информационный сборник, 2006, №4, с 4.