МОЩНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
POWERFUL HYBRID INTEGRAL CIRCUIT OF SHF RANGE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции мощных гибридно интегральных схем СВЧ-диапазона.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая металлическое теплопроводящее основание с выступом. На выступе металлического основания установлен и закреплен электро- и теплопроводящим веществом, по меньшей мере, один кристалл полупроводникового прибора. Две диэлектрические подложки с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне установлены и закреплены экранной заземляющей металлизацией с двух сторон от выступа на металлическом основании. Контактные площадки кристалла полупроводникового прибора электрически соединены с топологическим рисунком металлизации [1].
Недостатками данной конструкции являются низкие электрические и тепловые характеристики, обусловленные низкой теплопередачей от кристалла полупроводникового прибора к охлаждаемому металлическому основанию.
Известна мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая металлическое теплопроводящее основание с выступом. На выступе металлического основания установлен и закреплен электро- и теплопроводящим веществом, по меньшей мере, один кристалл полупроводникового прибора. Диэлектрическая подложка с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне имеет по центру отверстие для выступа. Подложка установлена и закреплена экранной заземляющей металлизацией на металлическом основании. Контактные площадки кристалла полупроводникового прибора электрически соединены с топологическим рисунком металлизации [2].
Недостатками данной конструкции являются низкие электрические и тепловые характеристики, обусловленные низкой теплопередачей от кристалла полупроводникового прибора к охлаждаемому металлическому основанию и длинными соединительными проводниками.
Техническим результатом изобретения является улучшение тепловых и электрических характеристик.
Технический результат достигается тем, что мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона содержит электро- и теплопроводящее основание с выступом, диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне, разделенную, по меньшей мере, на две части, каждая из которых установлена на теплопроводящем основании с противоположных сторон выступа вплотную к нему, на выступе установлен и закреплен, по меньшей мере, один кристалл активного полупроводникового прибора, контактные площадки которого электрически соединены с топологическим рисунком металлизации, высота выступа выполнена такой, что лицевые поверхности кристаллов и диэлектрической подложки расположены в одной плоскости, выступ электро- и теплопроводящего основания выполнен в виде металлизированной алмазной вставки, расположенной и закрепленной в углублении основания, при этом глубина углубления h выбрана такой, что обеспечивается минимальная разность температур Δt (°C) кристалла активного полупроводникового прибора и обратной стороны электро- и теплопроводящего основания:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3
3
6
9
где λ - удельная теплопроводность алмаза (коэффициент теплопроводности Вт/(м×град)), Q - мощность кристалла активного полупроводникового прибора (Вт), полиномиальные коэффициенты - А=-17,44331; А=31,36052; А=-22,21548; А=19,01102; А=-995,19516; A=-4,10308×10; A=-1,56933×10; A=4,81737×10; A=-1,6359×10, что соответствует глубине углубления h от 0,001 до 0,8 мм, а толщина дна углубления выбрана равной или более 0,2 мм.
Электро- и теплопроводящее основание может быть выполнено из металлизированного алмаза с толщиной слоя металлизации от 0,001 до 0,01 мм.
Выполнение диэлектрической подложки из двух частей, каждая из которых установлена на теплопроводящем основании с противоположных сторон выступа вплотную к нему, позволяет сократить длину электрических соединений контактных площадок кристалла с топологическим рисунком металлизации и, тем самым, уменьшить их паразитные индуктивности, а значит улучшить электрические характеристики схемы.
Выполнение выступа электро- и теплопроводящего основания в виде металлизированной алмазной вставки, которая расположена и закреплена в углублении основания, позволяет улучшить теплоотвод от кристалла полупроводникового прибора за счет уменьшения теплового сопротивления теплопроводящего основания и, тем самым, улучшить тепловые и, как следствие, электрические характеристики схемы.
Выполнение вставки высотой, обеспечивающей расположение в одной плоскости лицевых поверхностей кристаллов и частей диэлектрической подложки, также позволяет сократить длину электрических соединений, и тем самым, уменьшить их паразитные индуктивности, а значит улучшить электрические характеристики схемы.
Выбор глубины углубления h такой, что обеспечивается минимальная разность температур Δt (°C) кристалла активного полупроводникового прибора и обратной стороны электро- и теплопроводящего основания:
,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3
3
6
9
где λ - удельная теплопроводность алмаза (коэффициент теплопроводности Вт/(м×град)), Q - мощность кристалла активного полупроводникового прибора (Вт), полиномиальные коэффициенты - А=-17,44331; А=31,36052; А=-22,21548; А=19,01102; А=-995,19516; A=-4,10308×10; А=-1,56933×10; A=4,81737×10; A=-1,6359×10, позволяет оптимизировать глубину углубления в зависимости от удельной теплопроводности алмаза и мощности кристалла активного полупроводникового прибора и, таким образом, обеспечить снижение температуры кристалла активного полупроводникового прибора, и, тем самым, улучшить тепловые и электрические характеристики схемы.
Ограничение глубины углубления 0,001 мм объясняется затруднением его обнаружения на поверхности основания и возможностью точной установки вставки в углубление, а 0,8 мм отсутствием эффективности снижения нагрева кристалла.
Ограничение толщины дна углубления объясняется необходимостью сохранения прочности электро- и теплопроводящего основания.
Выполнение электро- и теплопроводящего основания из металлизированного алмаза позволяет дополнительно уменьшить тепловое сопротивление электро- и теплоотводящего основания и, тем самым, снизить нагрев кристалла активного полупроводникового прибора, а значит улучшить тепловые и электрические характеристики схемы.
Ограничение толщины металлизации электро- и теплопроводящего основания выполненного из металлизированного алмаза 0,001 мм объясняется необходимостью сохранения электрической проводимости, а 0,01 мм увеличением трудоемкости изготовления.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1, 2 и 3 представлены фрагменты предлагаемой мощной гибридной интегральной схемы, где:
- электро- и теплопроводящее основание 1;
- выступ электро- и теплопроводящего основания 2;
- диэлектрическая подложка 3;
- топологический рисунок металлизации 4;
- экранная заземляющая металлизация 5;
- кристалл активного полупроводникового прибора 6;
- контактные площадки кристалла 7;
- металлизированная алмазная вставка 8;
- электрические соединения 9;
- углубление в основании 10;
- электро- и теплопроводящее основание выполненное из металлизированного алмаза 11;
- металлизация основания 12.
На фиг.4 Представлена зависимость разности температур кристалла прибора и обратной стороны основания от глубины углубления 10 в основании 1, выполненного из сплава МД-50.
На фиг.5 Представлена зависимость разности температур кристалла прибора и обратной стороны основания от глубины углубления 10 в основании 11, выполненного из металлизированного 12 алмаза.
Пример 1
2
Мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона функционально является усилителем мощности. Электро- и теплопроводящее основание 1 с выступом 2, схемы выполнено из сплава МД-50 (50% меди и 50% молибдена) толщиной 1 мм. Две части диэлектрической подложки 3 из поликора толщиной 0,5 мм имеют топологический рисунок металлизации 4 на лицевой стороне и экранную заземляющую металлизацию5 на обратной стороне, со структурой металлизации Cr (100 Ом/мм) (напыленный) - Cu 1,2 мкм (напыленная) - Cu 3 мкм (гальванически осажденная) - Ni 0,8 мкм (гальваническ.) - Au 3 мкм (гальваническ.), расположены и закреплены пайкой припоем золото-кремний эвтектического состава на основании 1 вплотную к выступу. На выступе 2 основания 1 расположен и закреплен пайкой припоем золото-олово эвтектического состава, кристалл 6 транзистора «Принц 4-105» КРПГ4321.53.016 мощностью 5 Вт имеет размеры 0,9×3,0×0,1 мм. Контактные площадки кристалла 6 соединены с топологическим рисунком металлизации 4 плоскими золотыми проводниками 9 толщиной 8 мкм. Выступ 2 электро- и теплопроводящего основания 1 выполнен в виде металлизированной алмазной вставки 8 из поликристаллического (CVD) алмаза размером 1,0×0,8×10 мм со структурой металлизации 0,5 мкм Ni (химически осажденный) - 3 мкм Аи(гальванически осажденное). Части диэлектрической подложки 3 установлены на расстоянии 20 мкм от вставки 8. Расстояние от вставки 8 до края углубления 10 равно 50 мкм. Вставка 8 расположена в углублении 10 глубиной 0,4 мм и выступает над поверхностью основания 1 на 0,4 мм. Толщина кристалла 6 составляет 0,1 мм. Таким образом высота выступа 2 (вставки 8) с установленным на него кристаллом 6 равна толщине поликоровой подложки 3, что обеспечивает расположение лицевых поверхностей частей подложки 3 и кристалла 6 в одной плоскости. На основании предлагаемой полиномиальной формулы проведен многофакторный анализ зависимости температуры нагрева кристалла 6 транзистора для случая, когда выделяемая мощность принята равной 10 Вт, а температура обратной стороны основания 1 равной 0°С. Исходные данные для анализа:
, при Q=10 Вт;
(для МД-50).
Результаты представлены в таблице 1 и проиллюстрированы графиками на фиг.4, где Δt (числ. расчет) разность температур кристалла прибора и обратной стороны основания, рассчитанная с использованием численных методов [3]. При расчете мощность транзистора составляет 10 Вт, поскольку на лучших зарубежных арсенидгаллиевых транзисторах достигнута такая выходная мощность. На отечественных аналогичных транзисторах достигнута мощность 5 ВТ.
- разность температур кристалла прибора и обратной стороны основания, рассчитанная по предлагаемой формуле.
Анализ зависимости разности температур кристалла прибора 6 и обратной стороны основания 1от глубины углубления 10 и теплопроводности алмаза представленной на фиг 4 показывает, что при мощности выделяемой кристаллом 6 транзистора 10 Вт и глубине углубления 0.4 мм и теплопроводности алмаза 1000 Вт/(М×°К) разность температур кристалла прибора и обратной стороны основания составляет 15°С. В зависимости от теплопроводности алмаза и глубины углубления 10 разность температур кристалла прибора и обратной стороны основания изменяется от 12 до 22,5°С.
Для транзистора в примере 1, имеющего мощность 5 Вт разность температур составляет 7°С.
Пример 2
Мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, такая же как в примере 1, но основание 11 выполнено из металлизированного 12 алмаза. Структура металлизации основания 1 и вставки 8 аналогична приведенной в примере 1 для вставки 8.
Исходные данные для анализа:
осн
с
, при Q=10 Вт, λ=λ (алмаз).
Результаты анализа представлены в таблице 1 и проиллюстрированы графиками на фиг.5, где Δt (числ. расчет) разность температур кристалла прибора и обратной стороны основания, рассчитанная с использованием численных методов [3].
разность температур кристалла прибора и обратной стороны основания, рассчитанная по предлагаемой формуле.
Электро- и теплопроводящего основания 1 выполнено из металлизированного алмаза. В зависимости от теплопроводности алмаза и глубины углубления 10 разность температур кристалла 6 и обратной стороны основания 11 изменяется от 9 до 17°С. При теплопроводности алмаза 1000 Вт/(М×К) разность температур 12°С. По сравнению с первым примером достигнуто дополнительное снижение температуры нагрева кристалла 6 транзистора - для мощности 10 Вт на 3°С, а для 5 Вт на 1,5°С.
Для транзистора в примере 2,имеющего мощность 5 Вт разность температур составляет 5,5°С.
Пример 3
Мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, такая же как в примере 1, но основание 1 выполнено из сплава МД-50 с выступом из того же материала, выполненного в виде вставки.
Таблица 3
h, мм
0,001
0,02
0,2
0,4
0,6
0,8
Δt, °C (числ. расчет)
28
26,92
26,25
25,87
25,69
25,61
Из таблицы 3 видно, что Δt изменяется от 25,61 до 28°С в зависимости от глубины углубления для транзистора мощностью 10 Вт. При глубине углубления равной 0.4 мм и мощности транзистора 10 Вт. Δt равно 26°С. Для транзистора мощностью 5 Вт разность температур больше на 7°С, чем во 2-м примере и на 5,5°С больше чем в 1-м примере.
Устройство работает следующим образом. При работе транзистора выделяется тепло, которое способствует нагреву транзистора и, как следствие, вызывает ухудшение электрических характеристик схемы. Тепло от транзистора передается через выступ 2 к основанию 1.
Снижение теплового сопротивления выступа 2 и самого основания 1 путем замены материала на металлизированный алмаз, обладающий уникальной теплопроводностью, обеспечивает снижение температуры нагрева кристалла транзистора и, как следствие, улучшение тепловых и электрических характеристик схемы.
Уменьшение расстояния между каждой частью диэлектрической подложки 3 и выступом 2 позволяет уменьшить длину соединений и, таким образом, уменьшить их паразитные индуктивности, а, значит, улучшить электрические характеристики.
В настоящее время за рубежом появились арсенидгаллиевые транзисторы с выходной мощностью до 100 Вт и более, что повышает эффективность применения предлагаемой конструкции мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона. [4].
Источники информации
1. Астахов П.Н., Гармаш С.В., Кищинский А.А., Крылов Б.В., Свистов Е.А. Принципы конструирования и параметры широкополосных транзисторных СВЧ-усилителей мощности, разрабатываемые в ФГУП «ЦНИРТИ». / Электронная техника, Сер.1, СВЧ-техника, Вып.2 (482), 2003 г. С.83-88.
2. Климачев И.И., Иовдальский В.А. ГИС СВЧ. Основы технологии и конструирования. М.: Техносфера, 2006 г. (с.156-157).
3. В.П.Ильин. Численные методы решения задач электрофизики М.: «Наука», 1985 г.
4. Информационный сборник «Новости СВЧ-техники» М.О. г.Фрязино www.istok-mw.ru выпуск 4, 2007 г. с.18