ОБЪЕМНЫЙ МИКРОБЛОК ВАКУУМНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ЛОГИЧЕСКИХ СВЧ-СИСТЕМ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
BULK MICROBLOCK OF VACUUM INTEGRATED CIRCUITS OF LOGIC MICROWAVE RETURN WAVE SYSTEMS

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в производстве электровакуумных микроблоков логических СВЧ-систем обратной волны сверхвысоконадежных ЭВМ, способных эксплуатироваться в экстремальных условиях.
Ключевые слова: микропрофиль, микрополость, микроблок, СВЧ-переход, логический элемент, миниатюризация.
Известны полупроводниковые интегрально-оптические объемные структуры с волноводными соединениями, представленные в книге [Свечников Г.С. Элементы интегральной оптики. М.: Радио и связь, 1987. - 104c.], где на рис.6г, стр.23 показаны объемные кремниевые структуры с планарными (2D) соединениями, где присутствуют потери, обусловленные втягиванием электромагнитных полей в структуры.
Предлагаемые варианты соединений неприемлемы для решения грядущей задачи конструирования вакуумных СВЧ-микроблоков, когда взаимодействие электромагнитных полей и излучений должны быть без потерь.
В этой же книге на стр.60, на рис.36/14 приведен полупроводниковый объемный многоуровневый микроблок с террасовидным переходом инжекционного полупроводникового лазера с двойной гетероструктурой. Однако объемные многоуровневые структуры, основанные на технологии полупроводниковой микроэлектроники, с применением множества ингредиентов, являются дорогостоящими, что исключает их применение для получения вакуумных приборов на основе объемных ИС. Кроме того, недостатки, о которых сказано относительно предыдущего предложения, также относятся к недостаткам и этого примера.
Наиболее близкими по технической сущности решаемых задач к заявляемому изобретению являются объемные микроблочные микросхемы в совокупности с их диэлектрическим носителем: несимметричная полосковая линия; коаксиальная линия и Т-переход между ними, описанные в книге [Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ - элементная база аналоговой и цифровой радиоэлектроники. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат лит., 1987. - 112 с.], где приведено множество "многоэтажных" (многослойных - так принято в микроэлектронике) микроблоков с "межэтажными" (межслойными) соединениями - переходами, см. рис.2.1-2.10, стр.32, 34, 35, 37, 38, 40, 41, 44, 45. Топологические структуры расположены на подложках-носителях толщинами 0,5-2,0 мм.
Однако предлагаемые объемные микроблочные схемы с соединениями и переходами непригодны для создания логически полной системы элементов для ЭВМ на базе вакуумных ИС, поскольку существуют различного рода неоднородности на пути передачи СВЧ-энергии с одного слоя на другой диэлектрика большой толщины и веса, к тому же диэлектрические носители из-за поглощения ими СВЧ-энергии при его нагревании в процессе работы прибора втягивают в себя электромагнитные поля автоколебательных устройств с протяженным взаимодействием электронных пучков с этими полями, а горячие электроны при этом разрушают токопроводящие топологические структуры, что делает невозможным миниатюризацию вакуумных устройств и приводит к фундаментальному научно-технологическому [1] ограничению-пределу в развитии миниатюризации электронного приборостроения по причине возрастания потерь электромагнитной энергии в диэлектрическом носителе, в результате чего топологические токопроводящие пленки разрушаются - это обусловлено конструктивными трудностями и необходимостью обеспечения эффективного взаимодействия физических полей и излучений, зависящих от решения вопросов конструирования и технологии изготовления [Фундаментальные пределы в радиоэлектронике и смежных областях // ТИИЭР. - 1981. - Т.69. - №2. - С.3-7].
Таким образом, существующие схемы и конструкции переходов для перевода, например, СВЧ-энергии посредством полосков сквозь материал диэлектрического носителя неэффективны из-за значительного затухания, при затягивании ее в носитель, с одной стороны, с другой - токопроводящие микрополоски требуют для себя дополнительной площади для своего размещения, что существенно снижает уровень как планарной интегральности, так и объемной, в то время, когда авиационная и ракетно-космическая техника выдвинули жесткие требования на надежность и массогабаритные параметры РЭА, на своевременность получения информации, ее достоверность и высокое качество.
Задачей изобретения является создание микроблочных объемных конструкций интегральных схем логических СВЧ-систем обратной волны, вакуумных микросхем СВЧ путем использования базовых плавных переходов передачи электромагнитной энергии между слоями автоколебательных ИС с протяженным взаимодействием электронных пучков с электромагнитными полями с их минимальными потерями с целью уменьшения в объемах перспективных электровакуумных систем.
Для получения такого технического результата был разработан микропрофиль структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы и способ его изготовления [2]. Предложенным изобретением решена задача создания типового компоновочного конструктива микропрофиля структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы с повышенным уровнем интеграции и уменьшением потерь СВЧ-энергии в диэлектрическом носителе (фиг.1).
Микропрофиль структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы содержит расположенные на расстоянии (с зазором) друг от друга пленочные элементы рабочей топологии, сопряженной с поверхностью диэлектрического носителя топологических структур, в теле которого выполнена симметрично совмещенная с рабочей топологией микрополость с образованием над ней нависающих кромок пленочных элементов рабочей топологии и углом между ними и стенками микрополости заданной величины, микрополость в диэлектрическом носителе выполнена сквозной и с углом β между ее стенкой - образующей - и нависающей кромкой пленочного элемента рабочей топологии, выбранным из диапазона 90°<β≤135°.
Недостатком данного технического решения является невозможность передачи СВЧ-энергии без потерь с одного слоя вакуумной ИС на другой при сопряжении слоев со сторон, противоположных топологическим токопроводящим структурам.
Для конструирования микроблочных объемных конструкций из планарных ЗС автором был разработан еще один микропрофиль (фиг.2) [3]. Такой микропрофиль принципиально отличается от предыдущего скрученной гранью, у которой образующая изменяет первоначальный угол β между токопроводящим микрополоском и гранью на угол β′ на изгибе до законцовки. Такой конструктив микропрофиля позволяет вместе с конструктивом микропрофиля, где угол β постоянный, разработать межслойные вертикально сквозные полые переходы (фиг.3 и 4), которые чрезвычайно необходимы для конструирования микроблочных объемных конструкций, конструкций систем обратной волны [4-6] и [др.] для высоконадежных ЭВМ, в которых нуждаются системы управления летательных объектов техники.
В предлагаемом микроблоке содержатся координатно размещенные, в одном случае клинообразный вертикальный переход, в другом - террасовидный вертикальный переход с расположенными симметрично друг под другом ИС, включающие свои полые профили с пленочными элементами рабочих топологий, сопряженных с поверхностями диэлектрических носителей (технически оправданными толщинами 70-100 мкм), в теле которых выполнены симметрично совмещенные с рабочими топологиями вертикально сквозными полостями с образованием над ними нависающих кромок пленочных элементов рабочих топологий (микрополосков), где типовой угол β переходит в угол β′, изменяющийся в диапазоне 135°≤β′≤150°. Угол β′ между образующей микропрофиля и нависающей кромкой над ней топологических токопроводящих структур образует скрученный микропрофиль, смотрите на с.635-661 справочник [Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Под. ред. P.P.Варламова. М.: «Сов. радио», 1972. - 856 с.].
5
Необходимо отметить, что в мировой практике существует тенденция («Электроника и информационные технологии» в книге [Хартман У. Очарование нанотехнологии / У.Хартман; пер. с нем. - 2-е изд., испр. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 173c.]) использования кремниевой (самой дорогой технологии) технологии и размещения на площади в 64 мм до 540 миллионов элементов, идет работа по освоению еще больших площадей кремниевых пластин. Об интегральности по третьей координате нет речи. При послойном размещении вдоль третьей координаты плат с топологическими структурами и предлагаемыми межслойными переходами ИС, взяв в набор максимальную каждую толщину 100 мкм, по вертикали, перспектива возрастания коэффициента интегральности до 5·10 станет реальностью, включая все вместе взятые топологические структуры ИС и переходов в одном кубическом сантиметре (фиг.5). Возникнет возможность оценить уровень миниатюризации быстродействующих опто- и радиоэлектронных систем и определить области применения таких системных устройств.
При этом вакуумные интегральные системы, например, объемом в один кубический сантиметр будут иметь, в перспективе, одну общую магнитную систему, что весьма важно, когда большую роль играет объем и вес отдельных изделий и объектов техники в целом.
Предлагаемое изобретение характеризуется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - микропрофиль: 1 - диэлектрический носитель, 2 -токопроводящая пленка, 3 - микрополость, 4 - образующая, Δ - кромка, L -зазор, β - угол, h - высота микрополости;
на фиг.2 - микропрофиль: 1 - диэлектрический носитель, 2 -токопроводящая пленка, 3 - микрополость, 4 - образующая, Δ - кромка, L -зазор, β - угол постоянный, β′ - угол измененный, h - высота микрополости;
на фиг.3 - волноводный переход межслойный типа "клин": 1, 2 -диэлектрический носитель, 3, 4 - микронолости, 5, 6 - токопроводящие пленки, 7 - соединение, АВ - ребра микропрофилей, γ - угол наклона токопроводящей пленки;
на фиг.4 - волноводный переход межслойный типа "терраса": 1, 2 -диэлектрический носители, 3, 4 - микрополости, 5, 6 - токопроводящие пленки, АВ - ребра микропрофилей, γ - угол наклона токопроводящей пленки, h - толщина диэлектрического носителя;
на фиг.5 - объемный микроблок вакуумных интегральных схем логических СВЧ-систем обратной волны (модель из ЗС типа "встречные штыри"): 1, 2 - диэлектрические носители, 3, 4 - токопроводящие пленочные элементы рабочей топологии, 5 - микрополость перехода типа "клин", 6 - микрополость перехода типа "терраса", h - толщина диэлектрических носителей. На модели показаны также формы межслойных вакуумных СВЧ-переходов.
Предлагаемая модель объемного микроблока вакуумных интегральных схем логических СВЧ-систем обратной волны (см. фиг.5) содержит диэлектрические носители 1 и 2, пленочные элементы 3 и 4 рабочей топологии, которые предназначены для несения определенных электрических зарядов и эффективного взаимодействия с электромагнитным полем окружающей среды. В диэлектрических носителях 1 и 2 толщинами h, выбранными из размерного ряда 70-100 мкм (в зависимости от прочностных параметров), выполнены вертикально сквозные микрополости: 5 - микрополость СВЧ-перехода типа "клин", 6 - микрополость СВЧ-перехода типа "терраса". Каждая планарная интегральная структура содержит вертикально сквозные СВЧ-микропрофили, образующие вертикально сквозные СВЧ-микрополости, с образованием над ними нависающих кромок токопроводящих пленочных элементов рабочей топологии и углами между ними и стенками микрополостей заданной величины, микрополости в диэлектрических носителях выполнены вертикально сквозными и с углами β-постоянный (см. фиг.1) и β′ - переменный между их стенками - образующими - и нависающими кромками токопроводящих пленочных элементов рабочих топологий (см. фиг.2), выбранными: в первом случае из диапазона 90°<β≤135°, во втором случае из диапазона 135°≤β′≤150°, причем микропрофили, в местах межслойных соединений в контакт пленочными элементами 3 и 4, образуют конструкции типа "клин" и "терраса". Платы сопряжены соединением 7 в технически оправданных местах.
Предлагаемая модель объемного микроблока вакуумных интегральных схем позволяет создавать практически со всеми тонко- и толстопленочными элементами полную систему логических элементов. Данную типовую конструкцию модели микроблока можно применять при проектировании и изготовлении вакуумных логических элементов СВЧ-диапазона, а также в создании интегральных оптических систем.
На примерах реализации модели можно описать работу микроблоков ИС двух логических элементов.
Примеры реализации
1
2
п
п
Фиг.6 - объемный микроблок из вакуумных СВЧ-ИС ЗС "Триггер": а): 1, 2 - однослойные планарные вакуумные микросхемы, 7, 8 - микрополости типа клин и терраса соответственно; b): 2 - микросхема нижняя, f и f - СВЧ-частоты ЗС, а и b - направления перемещения СВЧ-волн, Вх. - вход микросхемы, Вых. - выход микросхемы, Э1 и Э2 - направления излучений электронных потоков; с): 1 - микросхема верхняя, 3 - вертикально сквозной СВЧ-переход типа клин, 4 - вертикально сквозной СВЧ-переход типа терраса, 5 - токопроводящие пленки, 6 - соединение. Возможны и несколько иные микроблочные конструкции СВЧ-схемы триггера (запоминающего устройства) сконструированного из двух ключей.
1
2
1
2
Работа триггера с кодировкой информации 1 - наличие сигнала, 0 - отсутствие такового. В исходном состоянии триггер генерирует колебания одной из частот f или f. При подаче на вход устройства радиоимпульса достаточной амплитуды и длительности, с частотой, близкой к частоте генерации устройства в исходном состоянии, совершается переключение триггера. Амплитуда, необходимая для переключения, зависит от длительности входящего радиоимпульса. Стабильность работы достигается тем, что генерация частоты f во второй секции одной системы обратной волны препятствует развитию колебаний частоты f во второй секции другой за счет предварительной модуляции пучка и наоборот.
1
2
1вх
2вх
п
п
1
2
п
п
вых
1
2
1
2
Фиг.7 - объемный микроблок из вакуумных СВЧ-ИС ЗС логический элемент "ИЛИ - И": а): 1, 2 - микросхемы верхняя и нижняя, b): 2 -микросхема нижняя, f и f - СВЧ-частоты ЗС, с и d - направления движения СВЧ-волн, F и F - СВЧ-входы, Э1 и Э2 - направления излучений электронных потоков; с): 1 - микросхема верхняя, f и f - СВЧ-частоты ЗС, Э3 и Э4 - направления электронных потоков, F - выход микроблока; d): 1 - микросхема верхняя, 2 - микросхема нижняя, 3, 4 - токопроводящие пленки, L и L - зазор межполосковый, Δ и Δ - кромки нависающие.
1
2,
1
2
2
1
1
Четыре вакуумных СВЧ-ключа соединены в конструкции симметрично. Конкретная функция принятой кодировки, выполняемой данным логическим элементом, допустим 0 - частота f, 1 - частота f или наоборот. При сохранении заданной кодировки функция логического элемента меняется изменением рабочих частот секций f на f и f на f. Существование двух генераторных секций с частотой f (вторая и третья системы обратной волны) обеспечивает наличие выходного сигнала при подаче входного хотя бы на один вход микроблока, при этом совершится функция "ИЛИ". При подаче сигнала на другой вход микроблока кодировка функции "ИЛИ" изменится на "И".
Предлагаемая конструкция модели микроблока ИС с межслойными щелевыми, вертикально сквозными переходами с заданным координатно-позиционным расположением в диэлектрических носителях в слоях позволяют создавать объемные (3D) вакуумные интегральные схемы приборов систем обратной волны. Модель микроблочной конструкции вакуумных ИС позволяет получать полную систему логических элементов высоконадежных ЭВМ для систем управления навигации движущихся объектов техники. Радиоимпульсное аналого-цифровое представление информации превосходит по надежности и качеству цифровое.
ЛИТЕРАТУРА
1. Синицын Н.И. Возможности вакуумной микроэлектроники на пути к построению СВЧ-вакуумных интегральных схем. / Н.И.Синицын, Ю.В.Гуляев, Н.Д. Девятков и [др.] // Радиотехника, 1999. М.. С.8-18.
2. Патент RU 2404481 С1. Микропрофиль структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы и способ его изготовления / Подвигалкин В.Я. 2010. Бюл. №32.
3. Заявка №2011131616 от 27.07.2011. Микропрофиль структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы и способ его получения / В.Я.Подвигалкин.
4. А.С. СССР №1522992. СВЧ триггер. / Голант М.Б., Гриценко А.В., Ефимов B.Н, Захарченко Ю.Ф., Синицын Н.И. // 1989.
5. А.С. СССР №1600572. СВЧ триггер / Голант М.Б. и [др.] // 1990.
6. А.С. СССР №1600573. СВЧ триггер / Голант М.Б. и [др.] // 1990.