ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
HYBRID MICROWAVE INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции гибридных интегральных схем СВЧ-диапазона длин волн.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона [1], содержащая диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой и экранной заземляющей металлизацией на обратной сторонах. Топологический рисунок металлизации содержит, по крайней мере, одну монтажную площадку для расположения, по крайней мере, одного кристалла навесного компонента - активного полупроводникового прибора, например транзистора. Кристалл расположен на монтажной площадке и закреплен на ней связующим веществом. Контактные площадки навесного компонента - кристалла активного полупроводникового прибора соединены плоскими балочными (ленточными) проводниками с пленочными проводниками топологического рисунка непосредственно или через другие навесные компоненты, например конденсаторы. Остальные внутрисхемные соединения выполнены разваркой проволочными проводниками.
Недостатком данной конструкции гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона является: недостаточно высокие электрические характеристики, что связано с применением проволочных внутрисхемных соединений, обладающих большими паразитными параметрами (индуктивностью и емкостью) и низкой технологичностью, что связано с невозможностью выполнения всех внутрисхемных соединений в едином технологическом цикле.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, на диэлектрической подложке с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне, содержащем пленочные проводники и посадочные площадки, и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне, которой расположены кристаллы навесных компонентов: активных - полупроводниковых приборов и пассивных - конденсаторов, имеющие контактные площадки, по крайней мере, на лицевой стороне, и накрыты пленочным полимерным носителем, на котором расположены плоские пленочные соединительные проводники. Плоские пленочные соединительные проводники соединены с контактными площадками активных и пассивных навесных компонентов и с топологическим рисунком металлизации через отверстия, выполненные в пленочном полимерном носителе [2].
Недостатками данной гибридной интегральной схемы является увеличение потери мощности сигнала из-за наличия полимерного носителя, что ухудшает электрические характеристики. Кроме того, предусматривается индивидуальное подключение каждого кристалла полупроводниковых приборов плоскими балочными выводами на полимерном носителе и монтаж на подложку, что снижает технологичность конструкции схемы.
Техническим результатом изобретения является улучшение электрических характеристик и повышение технологичности гибридной интегральной схемы.
Технический результат достигается тем, что гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона содержит диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой и экранной заземляющей металлизацией на обратной сторонах; кристаллы навесных компонентов: активных - полупроводниковых приборов и пассивных - конденсаторов, расположенные на лицевой стороне подложки, и одни из выводов которых соединены с топологическим рисунком металлизации, на лицевой поверхности подложки расположен пленочный полимерный носитель, на наружной стороне которого выполнены плоские пленочные внутрисхемные соединительные проводники, которые соединены с контактными площадками активных и пассивных навесных компонентов и с топологическим рисунком металлизации через сквозные отверстия, выполненные в полимерном носителе. Толщина полимерного носителя выполнена от 5 до 100 мкм, а диэлектрическая проницаемость полимера - от 1,5 до 8,0. В пленочном полимерном носителе вдоль пленочных проводников топологического рисунка металлизации и на расстоянии от него не более 1 мм, а также под внутрисхемными соединительными проводниками выполнены дополнительные отверстия с плотностью от 10 до 90% общей площади полимерного носителя.
Дополнительные отверстия там, где на полимерном носителе нет внутрисхемных соединительных проводников, могут быть выполнены в виде окон, открывающих поверхность диэлектрической подложки.
Расстояние между соседними отверстиями или окнами может быть равно или больше толщины полимерного носителя.
Кристаллы навесных компонентов могут быть расположены в углублениях диэлектрической подложки, глубина которых обеспечивает расположение их лицевых поверхностей в одной плоскости с лицевой стороной диэлектрической подложки.
Дополнительные отверстия и окна в полимерном носителе могут быть выполнены глухими, при этом толщина дна отверстия или окна равна или более 1 мкм.
Выполнение пленочного полимерного носителя из полимера с диэлектрической проницаемостью от 1,5 до 8,0 позволяет использовать ряд полимерных материалов. Ограничение диэлектрической проницаемости снизу величиной 1,5 определяется тем, что материалы с меньшими диэлектрическими проницаемостями мало влияют на электрические характеристики схемы, а величиной 8,0 сверху - тем, что диэлектрическая проницаемость большинства используемых пленочных полимерных материалов имеет меньшую величину [3].
Ограничение толщины пленочного полимерного носителя, равной от 5 до 100 мкм, определяется тем, что пленки полимерного пленочного носителя менее 5 мкм изготовить потребителю сложно. Толщина полимерного носителя более 100 мкм увеличивает длину внутрисхемных соединений, и, тем самым, увеличивается их паразитная индуктивность, и ухудшаются электрические характеристики схемы.
Выполнение на пленочном полимерном носителе всех внутрисхемных соединительных проводников позволяет исключить проволочные соединительные проводники из конструкции схемы, и, тем самым, улучшить электрические характеристики, и повысить технологичность схемы.
Выполнение дополнительных отверстий в пленочном полимерном носителе под плоскими пленочными соединительными проводниками, расположенными на пленочном полимерном носителе, и вдоль пленочных проводников топологического рисунка металлизации, а также в непосредственной близости от него, на расстоянии не более 1 мм, позволяет снизить влияние полимерного носителя на потери мощности проходящего сигнала и, тем самым, улучшить электрические характеристики гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона.
Плотность расположения дополнительных отверстий в пленочном полимерном носителе менее 10% от общей площади не дает заметного улучшения электрических характеристик схемы.
Плотность расположения дополнительных отверстий в пленочном полимерном носителе более 90% от общей площади не позволяет сохранить жесткость пленочного полимерного носителя и, вследствие этого, осложняет совмещение рисунка внутрисхемных соединений с топологическим рисунком металлизации.
Выполнение в отдельных областях полимерного носителя, не имеющих внутрисхемных соединений, над пленочными проводниками топологического рисунка металлизации окон, открывающих до 90% площади поверхности диэлектрической подложки с топологическим рисунком металлизации, позволяет снизить влияние материала полимерного носителя на проходящий сигнал и, тем самым, улучшить электрические характеристики схемы.
Дополнительные отверстия там, где на полимерном носителе нет внутрисхемных соединительных проводников, могут быть выполнены в виде окон, открывающих поверхность диэлектрической подложки, что позволяет снизить влияние материала пленочного полимерного носителя на проходящий сигнал и, тем самым, улучшает электрические характеристики.
Для большей жесткости конструкции пленочного полимерного носителя, а также для обеспечения надежного сцепления плоских пленочных соединительных внутрисхемных проводников с пленочным полимерным носителем расстояние между соседними отверстиями или окнами равно или больше толщины полимерного носителя.
Кристаллы навесных компонентов могут быть расположены в углублениях в диэлектрической подложке, глубина которых обеспечивает расположение их лицевых поверхностей в одной плоскости с лицевой поверхностью диэлектрической подложки, что облегчает совмещение плоских пленочных соединительных внутрисхемных проводников с топологическим рисунком металлизации и, тем самым, повышает технологичность схемы, а кроме того, уменьшает длину плоских пленочных соединительных внутрисхемных проводников и, тем самым, улучшает электрические характеристики схемы.
Выполнение дополнительных отверстий и окон глухими с толщиной дна, равной более 1 мкм, позволяет сохранить жесткость конструкции пленочного полимерного носителя, облегчить совмещение плоских пленочных соединительных внутрисхемных проводников с топологическим рисунком металлизации и, тем самым, повышает технологичность схемы.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлен фрагмент предложенной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, где:
- диэлектрическая подложка 1;
- топологический рисунок металлизации 2;
- экранная заземляющая металлизация 3;
- кристаллы активных навесных компонентов 4;
- кристаллы пассивных навесных компонентов 5;
- выводы кристаллов навесных компонентов 6;
- пленочный полимерный носитель 7;
- плоские пленочные соединительные внутрисхемные проводники 8;
- контактные площадки кристаллов навесных компонентов 9;
- сквозные отверстия в пленочном полимерном носителе 10;
- дополнительные отверстия 11.
На Фиг.2 представлен фрагмент предложенной гибридной интегральной схемы СВЧ диапазона, в которой дополнительные отвестия выполнены в виде окон, где:
- диэлектрическая подложка 1;
- топологический рисунок металлизации 2;
- экранная заземляющая металлизация 3;
- пленочный полимерный носитель 7;
- плоские пленочные соединительные внутрисхемные проводники 8;
- дополнительные отверстия 11;
- окна 12.
На Фиг.3 представлен фрагмент предложенной гибридной интегральной схемы СВЧ диапазона, в которой кристаллы навесных компонентов расположены в углублениях диэлектрической подложки, где:
- диэлектрическая подложка 1;
- топологический рисунок металлизации 2;
- экранная заземляющая металлизация 3;
- кристаллы активных навесных компонентов 4;
- кристаллы пассивных навесных компонентов 5;
- выводы кристаллов навесных компонентов 6;
- пленочный полимерный носитель 7;
- плоские пленочные соединительные внутрисхемные проводники 8;
- контактные площадки кристаллов навесных компонентов 9;
- сквозные отверстия в пленочном полимерном носителе 10;
- дополнительные отверстия 11;
- углубление диэлектрической подложки 13.
На Фиг.4-10 представлены графики изменения передаточной характеристики моста Ланге гибридной интегральной схемы СВЧ диапазона, где:
- передаточные характеристики моста Ланге S12 и S13;
- график зависимости передаточной характеристики моста Ланге без полиимидного покрытия Δ - S12 и  - S13;
х
- график зависимости передаточной характеристики моста Ланге с полиимидным покрытием по всей площади  - S12 и + -S13;
о
- график зависимости передаточной характеристики моста Ланге с полиимидным покрытием 50% площади .
Пример 1.
Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, например балансного усилительного каскада входного малошумящего усилительного модуля. В состав модуля входит семь усилительных каскадов. ГИС содержит диэлектрическую подложку 1, выполненную из поликора (керамика ВК - 100), например, размером 12×15×0,5 мм с топологическим рисунком металлизации 2, на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией 3 на обратной ее стороне. Структура металлизации 2 и 3 одинакова: Cr (0,02 мкм) напылен. - Cu (1 мкм) напылен. - Cu (3 мкм) гальванич. - Ni (0,8 мкм) гальванич. - Au (3 мкм) гальванич. Кристаллы навесных компонентов: активных полупроводниковых приборов 4, например транзисторов 3П612А-5 (АЕЯР4321.50.157 ТУ), и пассивных 5 - конденсаторов, например «Емкости, сосредоточенные на полупроводниковой подложке» ТС7.088.005-22 (ТС0.707.001 ТУ), имеющие металлизационные контактные площадки 9 со структурой Тi (0,02 мкм) напылен. - Pd (0,2 мкм) напылен. - Au (3 мкм) гальваничес. Плоские пленочные внутрисхемные соединительные проводники 8, имеющие структуру металлизации Cr (0.02 мкм) напыленный - Cu (1 мкм) напыленная - Au (8 мкм) гальванически наращенное, причем в местах выполнения соединений с пленочных соединительных проводников удалены (стравлены) слои хрома и меди.
Соединения выполняются, например, контактной сваркой на установке «Контакт 3А» при комнатной температуре. Кристаллы навесных компонентов устанавливаются на посадочные площадки приклеиванием с помощью электропроводящего клея ЭЧЭ - С (ЫУО.028.052 ТУ). В качестве пленочного полимерного носителя 7 используется пленка полиимидная ПМ-ИС-100 (ТУ 6-19-051-533-85) толщиной 100 мкм. Диэлектрическая проницаемость материала (ПМ-1) полиимидной пленки равна 3,9 [3]. Дополнительные отверстия 11 в полимерном пленочном носителе 7 выполнены диаметром 0,3 мм с расстоянием между отверстиями 100 мкм. Плотность расположения дополнительных отверстий 11 в пленочном полимерном носителе 7 составляет 50% от общей площади пленочного полимерного носителя 7 в областях расположения внутрисхемных соединений и с окнами 12, открывающими проводники топологического рисунка металлизации 2, величина окон 12 выбрана такой, что окно 12 заканчивается на расстоянии 1 мм от топологического рисунка 2. Кристаллы транзистора 3П612А-5, имеющие размеры 0,5×0,5×0,1 мм установлены в металлизированные углубления размером 0,7×0,7×0,12 мм, конденсаторы размером 0,65×0,65×0.3 мм установлены в углубления размером 0,85×0,85×0,33 мм.
Проведена оценка влияния наличия носителя 7 из полиимида с диэлектрической проницаемостью 3,9 на передаточную характеристику одного из элементов схемы, а именно моста Ланге, в зависимости от толщины носителя 7 и плотности заполнения дополнительными отверстиями 11 и окнами 12. Компьютерное моделирование электрических характеристик моста Ланге проводилось с использованием программы Microwave Office (AWR Design Environment). В состав каждой ГИС усилительного каскада входят два моста Ланге. Результаты представлены на Фиг.4-10.
Пример 2. Толщина полиимидного носителя 5 мкм (Фиг.4).
При нанесении слоя на всю поверхность моста Ланге его передаточная характеристика изменяется (ухудшается) на 3%. При нанесении слоя полиимида на 50% площади моста Ланге его передаточная характеристика изменяется на 1.7%.
Это ухудшение вызывает увеличение потерь мощности в каждом плече моста Ланге и ухудшение суммирования мощности из-за увеличения разбалансирования амплитуды и фазы сигнала.
Пример 3.
Толщина полиимидного носителя 10 мкм (Фиг.5).
При нанесении слоя на всю поверхность моста Ланге его передаточная характеристика изменяется (ухудшается) на 5%. При нанесении слоя полиимида на 50% площади моста Ланге его передаточная характеристика изменяется на 2.5%.
Пример 4.
Толщина полиимидного носителя 20 мкм (Фиг.6).
При нанесении слоя на всю поверхность моста Ланге его передаточная характеристика изменяется (ухудшается) на 7%. При нанесении слоя полиимида на 50% площади моста Ланге его передаточная характеристика изменяется на 3.7%.
Пример 5.
Толщина полиимидного носителя 50 мкм (Фиг.7).
При нанесении слоя на всю поверхность моста Ланге его передаточная характеристика изменяется (ухудшается) на 8,35%. При нанесении слоя полиимида на 50% площади моста Ланге его передаточная характеристика изменяется на 5.1%.
Пример 6.
Толщина полиимидного носителя 100 мкм (Фиг.8).
При нанесении слоя на всю поверхность моста Ланге его передаточная характеристика изменяется (ухудшается) на 7,45%. При нанесении 5 мкм слоя полиимида на 50% площади моста Ланге его передаточная характеристика изменяется на 4.23%. При нанесении слоя полиимида на 10% площади моста Ланге его передаточная характеристики изменяется на 1.28%.
Полученные результаты изменения передаточной характеристики моста Ланге при изменении толщины носителя из полиимида сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Толщина полиимида (мкм)
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Передаточная характеристика (%)
3.1
4.9
7
7.9
8.3
8.35
8.25
8.1
7.9
7.7
7.4
График на Фиг.9 показывает, что наилучший результат получен при толщине 5 мкм.
Результаты изменения передаточной характеристики моста Ланге при изменении плотности заполнения дополнительными отверстиями и окнами площади носителя из полиимида толщиной 50 мкм приведены в таблице 2.
Таблица 2
Плотность заполнения (%)
10
20
25
40
50
60
70
80
90
Передаточная характеристика (%)
1.7
2.6
3.1
4.3
5.1
6
6.7
7.4
8.35
График на Фиг.10 показывает, что покрытие полиимидом должно быть минимальным.
Устройство работает следующим образом.
При подаче сигнала на вход усилительного балансного каскада, сигнал делится на две части направленным ответвителем (мостом Ланге), усиливается при прохождении через каждый из транзисторов 4, а затем складывается в другом направленном ответвителе. Усиленный сигнал выходит с выхода усилительного каскада.
При этом в предложенной конструкции гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, по сравнению с прототипом, улучшены электрические характеристики: уменьшены потери мощности проходящего сигнала за счет снижения влияния полимерного носителя на проходящий сигнал, и уменьшена паразитная индуктивность схемы за счет использования всех плоских соединительных внутрисхемных соединительных проводников, а также повышена технологичность за счет выполнения всех плоских внутрисхемных соединительных проводников в едином технологическом цикле и возможности сборки в едином технологическом цикле на одном оборудовании в автоматизированном режиме.
Источники информации
1. Патент РФ №2314595, МПК H01L 21/84, приоритет 10.01.2006 г. / Способ изготовления гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона. // В.А.Иовдальский, Ю.И.Молдованов, В.Г.Моргунов, В.Г.Виноградов.
2. Г.Я.Гуськов, Г.А.Блинов, А.А.Газаров. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1986 г. - С.176 (с.109-110).
3. М.Ю.Кацнельсон, Г.А.Бадаев. Пластические массы. Свойства и применение. Справочник, Ленинград, «Химия», 1978 г., с.370.