СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ СВЧ-ДИАПАЗОНА
METHOD FOR MANUFACTURING HYBRID MICROWAVE INTEGRATED CIRCUITS

Изобретение относится к области электронной техники, а именно, к способам изготовления гибридных интегральных схем, например, генераторного модуля СВЧ-диапазона.
Известен способ изготовления мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, включающий изготовление многослойной диэлектрической подложки, нанесение на каждый из диэлектрических слоев металлизационного покрытия топологического рисунка и экранной заземляющей металлизации на обратной стороне нижнего слоя многослойной диэлектрической подложки, совмещение сквозных отверстий диэлектрических слоев, спекание и отжиг, расположение и закрепление многослойной диэлектрической подложки экранной заземляющей металлизации на электро- и теплопроводящее основание, расположение и закрепление в каждом сквозном отверстии активного тепловыделяющего компонента с обеспечением расположения их лицевых сторон в одной плоскости, электрическое соединение контактных площадок активного тепловыделяющего компонента с топологическим рисунком металлизации многослойной диэлектрической подложки. При этом одну часть отдельных диэлектрических слоев подложки изготавливают со сквозным отверстием, сечением соразмерным активному тепловыделяющему компоненту с превышением не более 0,5 мм, другую часть - с меньшим сечением при соотношении их площади сечения 1,4-10 соответственно, сквозные отверстия последних заполняют материалом металлизационного покрытия, а при формировании последовательности многослойной диэлектрической подложки с ее лицевой стороны располагают отдельные диэлектрические слои с большим сечением, с обратной стороны-с меньшим [Патент РФ №2521222, приоритет 18.01.2013 г., МКИ H01L 27/13, «Способ изготовления мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона» авторы Иовдальский А.А., Дудинов К.В., Калашников Ю.Н., Кудрова Т.С.]. Несмотря на то, что за счет формирования в объеме многослойной подложки встроенной системы теплоотвода достигается улучшение отвода тепла от тепловыделяющего компонента и, таким образом, улучшаются электрические характеристики, однако это увеличивает трудоемкость. Таким образом, недостатками данного технического решения являются низкая технологичность, а также недостаточно высокие электрические и массогабаритные характеристики.
Известен способ изготовления мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона [Патент РФ №2536771, приоритет 09.07.2013 г., МПК H01L 25/16, «Способ изготовления мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона», авторы Иовдальский В.А., Калашников Ю.Н., Дудинов К.В., Кудрова Т.С.], включающий изготовление отдельных диэлектрических слоев заданной последовательности многослойной печатной платы, по крайней мере, с одним сквозным отверстием, нанесение заданного топологического рисунка металлизационного покрытия на каждый из отдельных диэлектрических слоев и экранной заземляющей металлизации на обратной стороне нижнего слоя многослойной печатной платы, формирование многослойной диэлектрической платы (подложки) посредством расположения отдельных диэлектрических слоев с обеспечением формирования, по меньшей мере, одного сквозного отверстия в подложке (плате), последующее спекание и отжиг, расположение и закрепление подложки (платы) экранной заземляющей металлизацией на электро- и теплопроводящее основание, закрепление сформированного активного тепловыделяющего компонента в одном сквозном отверстии подложки (платы), соединение электрически контактных площадок активного тепловыделяющего компонента с топологическим рисунком металлизационного покрытия подложки (платы), контроль электрических характеристик гибридной интегральной схемы. При изготовлении отдельных диэлектрических слоев многослойной диэлектрической подложки сквозные отверстия изготавливают с определенным сечением. При нанесении металлизационного покрытия топологического рисунка и экранной заземляющей металлизации одновременно заполняют материалом металлизационного покрытия одно сквозное отверстие и дополнительные сквозные отверстия. При формировании многослойной диэлектрической подложки (платы) отдельные диэлектрические слои (платы) располагаются определенным образом, первую их часть изготавливают с одним сквозным отверстием, соразмерным располагаемому в нем активному компоненту, вторую часть - с другим сечением, при этом в последней части выполнены дополнительные сквозные отверстия, а формирование активного тепловыделяющего компонента осуществляют непосредственно в одном сквозном отверстии многослойной диэлектрической подложки.
Недостатками данного технического решения являются технологическая сложность изготовления многослойной диэлектрической подложки из рекомендуемого к использованию материала, выполненного посредством низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTTC), которая предполагает целый ряд сложных технологических операций с использованием длительных термических отжигов при температуре до 900°С (в течение до 28 часов при температуре до 869°С), что затрудняет изготовление ГНС [Л.В. Ляпин, В.А. Иовдальский. Многослойные керамические платы ГИС СВЧ-диапазона на основе LTTC. / Учебное пособие. Под научной редакцией А.А. Борисова. М.: Изд. «КУРС», 2020 г. - 192 с. (См. страницу 104-107, а также Рис. 3.71)], а также недостаточно высокие электрические и массогабаритные характеристики, связанные с неоптимальным использованием материала и объема многослойной платы и металлического корпуса.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение технологичности, улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, включающий изготовление отдельных диэлектрических слоев заданной последовательности многослойной печатной платы, по крайней мере, с одним сквозным отверстием, изготовление заданного топологического рисунка металлизационного покрытия, по меньшей мере, на лицевой стороне каждого из отдельных диэлектрических слоев и экранной заземляющей металлизации на обратной стороне, по крайней мере, нижнего слоя многослойной печатной платы, формирование, по меньшей мере, одного сквозного отверстия в многослойной печатной плате посредством расположения отдельных диэлектрических слоев с одновременным совмещением их сквозных отверстий, последующее их соединение, размещение и закрепление по меньшей мере одного навесного компонента на лицевой поверхности верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, электрическое соединение, по крайней мере, одного контакта каждого навесного компонента с топологическим рисунком металлизационного покрытия многослойной платы; контроль электрических характеристик гибридной интегральной схемы; совмещение диэлектрических слоев многослойной платы проводят по штифтам и базовым отверстиям, а соединение слоев платы проводят препрегом, при формировании заданного топологического рисунка металлизационного покрытия на верхнем диэлектрическом слое многослойной платы на его обратной стороне изготавливают экранную заземляющую металлизацию, по меньшей мере, часть отверстий в многослойной плате выполняют металлизированными, компоненты схемы, по крайней мере, коаксиальный диэлектрический резонатор, генераторный и управляющий компоненты, образующие генератор, управляемый напряжением, располагают на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, при формировании верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, под топологическим рисунком металлизации с генераторным, управляющим компонентами и коаксиальным диэлектрическим резонатором, составляющую СВЧ-часть схемы генератора, с обратной стороны верхнего слоя многослойной платы удаляют экранную заземляющую металлизацию, изготавливают диэлектрический резонатор, по меньшей мере, с одним выходом коаксиального вывода на торцевой поверхности и металлизацией на боковой поверхности, часть топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, имеющего в своем составе емкостные связи, располагают на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, обращенной к активным генераторному и управляющему компонентам, и электрически соединяют соединительными проводниками с пленочными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, причем, емкостные связи выполняют в виде зазоров, формируют проводники топологического рисунка проводников, расположенных на верхнем диэлектрическом слое многослойной платы и соединяемые с ними проводники на торцевой поверхности диэлектрического резонатора таким образом, чтобы они совпадали между собой по месту расположения, причем, соединение проводников топологического рисунка, расположенных на торцевой поверхности диэлектрического резонатора, с пленочными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, осуществляют путем присоединения верхних концов соединительных проводников к нижним концам проводников топологического рисунка на торце диэлектрического резонатора, формируют геометрию соединительных проводников, коаксиальный диэлектрический резонатор устанавливают металлизацией боковой поверхности непосредственно на металлизированную площадку топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, при этом, нижние концы соединительных проводников, подлежащих соединению, совмещают с проводниками топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, резонатор закрепляют и электрически соединяют с металлизированной площадкой топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы; соединяют нижние концы соединительных проводников с проводниками топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, а металлизированную площадку топологического рисунка, с закрепленным диэлектрическим резонатором, соединяют с экранной заземляющей металлизацией обратной стороны нижнего слоя многослойной печатной платы через металлизированные отверстия, многослойную плату устанавливают и закрепляют на дне металлического корпуса с крышкой и электрически соединяют с дном, а герметизацию корпуса осуществляют присоединением крышки.
Раскрытие сущности изобретения. Проведение совмещения диэлектрических слоев многослойной платы по штифтам и базовым отверстиям, и проведение соединения слоев платы препрегом (склеивающими листами из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой в полуотвержденном состоянии, их прессованием в специальной оснастке, плавлением и отверждением), при этом происходит склеивание слоев платы в монолит, что позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления многослойной платы и всей интегральной схемы за счет уменьшения времени процесса соединения слоев и температуры нагрева и, тем самым, повысить технологичность. Кроме того, для повышения производительности на специализированной оснастке может производится одновременное прессование нескольких пакетов, плат, собираемых на одни и те же штифты и разделяемых промежуточными плитами, что дополнительно повышает технологичность.
Нанесение экранной заземляющей металлизации на верхнем диэлектрическом слое многослойной платы на его обратной стороне при формировании заданного металлизационного покрытия топологического рисунка позволяет экранировать низкочастотную часть схемы генератора, управляемого напряжением, защитить ее от электромагнитных полей других частей схемы, и, тем самым, улучшить электрические характеристики схемы.
Выполнение, по меньшей мере, части отверстий в многослойной плате металлизированными позволяет соединять через них элементы топологических рисунков металлизации отдельных слоев многослойной платы и экранной заземляющей металлизации обратной стороны верхнего слоя многослойной платы с экранной заземляющей металлизацией обратной стороны нижнего слоя многослойной платы, осуществляя их заземление короткими соединениями, и, тем самым, улучшить их электрические характеристики.
Расположение на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, компонентов схемы, по крайней мере, коаксиального диэлектрического резонатора, например КДР 60×4,5×4,0 производства ООО «Керамика», генераторного, например биполярного транзистора BFP420RF, и управляющего, например варакторного диода BBY55, компонентов, образующих генератор, управляемый напряжением, и соединение их выводов электрически с топологическим рисунком металлизации верхнего диэлектрического слоя позволяют облегчить их монтаж и, тем самым, позволяет снизить трудоемкость изготовления схемы.
Удаление с обратной стороны верхнего слоя многослойной платы экранной заземляющей металлизации, под топологическим рисунком металлизации верхнего слоя многослойной платы с генераторным, управляющим компонентами и коаксиальным диэлектрическим резонатором, составляющую СВЧ-часть схемы генератора, позволяет снизить паразитную емкость топологического рисунка схемы генератора, управляемого напряжением и, тем самым, улучшить электрические характеристики схемы.
Изготовление диэлектрического резонатора, по меньшей мере, с одним выходом коаксиального вывода на торцевой поверхности и металлизацией на боковой поверхности, и расположение части топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, имеющего в своем составе емкостные связи, выполненные в виде зазоров на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, обращенной к генераторному и управляющему компонентам, и электрическое соединение их соединительными проводниками с пленочными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, позволяет уменьшить площадь проводников топологического рисунка металлизации и площадь СВЧ части генератора и, тем самым, уменьшить его паразитные индуктивности и емкости, а значит улучшить электрические и массогабаритные характеристики.
Формирование проводников топологического рисунка, расположенных на верхнем диэлектрическом слое многослойной платы, и соединяемые с ними проводники на торцевой поверхности диэлектрического резонатора таким образом, чтобы они совпадали между собой по месту расположения, уменьшает их длину и длину соединительных проводников, а значит уменьшает их паразитные емкости и индуктивности, и, тем самым, улучшает электрические характеристики, и, кроме того, облегчает их совмещение и соединение соединительными проводниками, а значит сокращает трудоемкость изготовления схемы.
Соединение проводников топологического рисунка, расположенных на торцевой поверхности диэлектрического резонатора, с пленочными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, осуществляют путем присоединения верхних концов соединительных проводников к нижним концам проводников топологического рисунка на торце диэлектрического резонатора, и формированием геометрии соединительных проводников, удобной для совмещения и соединения, устанавливание коаксиального диэлектрического резонатора металлизацией боковой поверхности непосредственно на металлизированную площадку топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, совмещение нижних концов соединительных проводников, подлежащих соединению, с проводниками топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, закрепление резонатора и электрическое соединение с металлизированной площадкой топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, а затем соединение нижних концов соединительных проводников с проводниками топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы, облегчает их установку, совмещение и соединение и, тем самым, снижает трудоемкость изготовления схемы.
Соединение металлизированной площадки топологического рисунка, с закрепленным диэлектрическим резонатором, с экранной заземляющей металлизацией обратной стороны нижнего слоя многослойной печатной платы через металлизированные отверстия, установка многослойной платы и закрепление на дне металлического корпуса с крышкой и электрическое соединение с дном, позволяют осуществить эффективное заземление элементов и компонентов короткими проводниками (через металлизированные отверстия) и, тем самым улучшить электрические характеристики схемы.
Осуществление герметизации корпуса присоединением крышки позволяет исключить влияние внешних элекромагнитных полей и, тем самым улучшить электрические характеристики схемы и защитить схему от коррозии.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид фрагмента гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, а фиг. 2 ее разрез, где:
- отдельные диэлектрические слои - 1;
- многослойной печатной платы - 2;
- сквозные отверстия в диэлектрических слоях - 3;
- топологический рисунок металлизационного покрытия - 4;
- экранная заземляющая металлизации - 5;
- сквозное отверстие в многослойной печатной плате - 6;
- навесные компоненты - 7;
- контакты навесных компонентов - 8;
- металлизированные отверстия в многослойной печатной плате - 9;
- коаксиальный диэлектрический резонатор - 10;
- генераторный компонент - 11;
- управляющий компонент - 12;
- генератор, управляемый напряжением - 13;
- выход коаксиального вывода на торцевой поверхности - 14;
- металлизация на боковой поверхности диэлектрического резонатора - 15;
- емкостные связи - 16;
- соединительные проводники - 17;
- емкостные связи в виде зазоров - 18;
- металлизированная площадка топологического рисунка верхнего слоя многослойной платы для установки и закрепления коаксиального диэлектрического резонатора - 19;
- металлический корпус - 20;
- крышка металлического корпуса - 21.
На фиг. 3 представлен коаксиальный диэлектрический резонатор с частью проводников топологического рисунка на торцевой поверхности, выходом коаксиального вывода резонатора и соединительными проводниками. На фиг. 4 представлен разрез части схемы с металлизированными отверстиями в многослойной плате и с сформированной геометрией соединительных проводников.
На фиг. 5 приведена структурная схема технологического процесса способа изготовления гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона.
Пример практической реализации способа изготовления гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона. Изготавливают отдельные диэлектрические слои (1) заданной последовательности многослойной печатной платы (2) из четырех слоев материала Ro4003 толщиной 0,2 мм, имеющего с обеих сторон металлизацию из меди толщиной 18 мм, например, с двумя сквозными отверстиями (3) размером 1 мм, изготавливаемых пробивкой штампом, которые используют в качестве технологических базовых отверстий для совмещения диэлектрических слоев многослойной платы по штифтам.
При этом, для снижения трудоемкости изготовления многослойные печатные платы изготавливают групповым методом по нескольку штук в составе топологического рисунка каждого слоя. При этом, в многослойной подложке образуется не одно, а несколько сквозных отверстий (6), по меньшей мере два, из которых, могут быть использованы для размещения в них штифтов для совмещения и соединения отдельных слоев (1) или слоев подложек с группой многослойных плат, подлежащих разделению на отдельные многослойные платы после окончания их изготовления [В.А. Иовдальский. Конструкция и технология микрополосковых плат ГИС СВЧ-диапазона. / Учебное пособие. Под научной редакцией д.т.н., ген. директора АО «НПП «Исток» им. А.И. Шокина А.А. Борисова., Москва изд. «КУРС»,2018 г., 175 С., (смотри стр. 4-50].
2
Формируют заданный топологический рисунок металлизационного покрытия (4) на каждом из отдельных диэлектрических слоев (1) и экранную заземляющую металлизацию на обратной стороне нижнего и верхнего слоев (1) многослойной платы (2), методом фотолитографии с использованием пленочного фоторезиста, а затем покрывают гальванически золотом толщиной 3 мкм. Формируют два сквозных отверстия (6) в многослойной печатной плате (2), посредством расположения отдельных диэлектрических слоев (1) с одновременным совмещением их сквозных отверстий (3) с использованием штифтов и последующего их соединения препрегом, размещаемого между слоями (1) многослойной печатной платы (2). Пакеты слоев укладывают между металлическими плитами и устанавливают в пресс, где под воздействием нагрева и давления смола склеивающих прокладок плавится и отверждается. Происходит склеивание пакета слоев (1) многослойной печатной платы (2) в монолит. Для повышения производительности труда (снижения трудоемкости изготовления), на специализированной оснастке может производиться одновременное прессование нескольких пакетов, собираемых на одни и те же штифты и разделяемые промежуточными плитами [Г.В. Мылов, A.M. Медведев, П.В. Семенов, П.Н. Константинов. Научные основы проектирования межсоединений на печатных платах. / Москва, изд. «Горячая линия-Телеком», 2016 г. (смотрираздел «Прессование слоев в многослойную структуру». Стр. 10-11, рис. 1.8)]. По меньшей мере, часть отверстий (6) в многослойной плате (2) выполняют металлизированными. Для этого поверхность многослойной платы (2) покрывают лаком, прошивают в ней отверстия сверловкой или прошивкой лазером, активируют металлизируемую поверхность высаживанием палладия на металлизируемую поверхность обработкой в растворе хлористого палладия (PdCl), а затем проводят химическое высаживание меди из раствора химического меднения на активированную поверхность, затем удаляют лак с поверхности многослойной платы. Навесные компоненты схемы, образующие генератор, управляемый напряжением, располагают и закрепляют на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя (1) многослойной платы (2). А электрическое соединение, по крайней мере, одного их контакта (8) с проводниками топологического рисунка осуществляют пайкой или сваркой. При формировании верхнего диэлектрического слоя (1) многослойной платы (2) под СВЧ частью схемы генератора (13) удаляют экранную заземляющую металлизацию (5) методом фотолитографии.
Изготавливают коаксиальный диэлектрический резонатор, по меньшей мере, с одним выходом коаксиального вывода на торцевой поверхности и металлизацией на боковой поверхности [В.М. Коломин, В.Н. Рыбкин, В.А. Иовдальский, И.А. Соколов. Диэлектрические резонаторы для изделий электронной техники СВЧ-диапазона. /Учебное пособие под научной редакцией С.В. Щербакова директора по научной работе АО «НПП «Исток» им. А.И. Шокина, зав. кафедрой №143 РТУ МИРЭА, Москва изд. «КУРС», 2021 г., 149 с.]. Изготавливают часть топологического рисунка проводников (4) генератора (13), управляемого напряжением, имеющего в своем составе емкостные связи (16), выполненные в виде зазоров (18) шириной 100 мкм, между выходом (14) коаксиального резонатора и проводниками (4) топологического рисунка металлизации, на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, обращенной к генераторному (11) и управляющему (12) компонентам. Эту часть топологического рисунка проводников (4) на торцевой поверхности диэлектрического резонатора (10) изготавливают на этапе изготовления резонатора (10) из того же материала, что и выход коаксиального вывода резонатора и металлизации (15) на боковой поверхности из того же материала и по той же технологии в едином технологическом процессе. Для этого используют проводниковые пасты на основе серебра, например, паста ППС-2-2 ЭПО.035.018 ТУ, которые являются относительно дешевыми и обеспечивают получение проводников с максимальной проводимостью, а для их нанесения используют толстопленочную технологию [См. Л.В. Ляпин, В.А. Иовдальский. Многослойные керамические платы ГИС СВЧ-диапазона на основе LTCC. /Учебное пособие под научной редакцией А.А. Борисова д.т.н., генерального директора АО «НПП «Исток» им. А.И. Шокина, Москва, изд. «КУРС»,2020 г.,191 с., (Смотри стр. 29)], и формируют проводники топологического рисунка, расположенного на верхнем диэлектрическом слое (1) многослойной платы (2) и соединяемые с ними проводники (4) на торцевой поверхности диэлектрического резонатора таким образом, чтобы они совпадали между собой по месту расположения. А их соединение осуществляют соединительными проводниками (17) из отожженной медной позолоченной (3 мкм) фольги толщиной 15 мкм. Соединительные проводники (17) присоединяют пайкой микропаяльником припоем ПОС-61 или сваркой расщепленным электродом к проводникам части топологического рисунка (4) на торце диэлектрического резонатора, как указано на фиг. 1 и фиг. 3. Формируют геометрию соединительных проводников, таким образом, чтобы концы соединительных проводников (17) совпадали с местами присоединения к проводникам топологического рисунка (4) на верхнем слое многослойной платы (2) (см. фиг. 1 и фиг. 4). Облуживают припоем ПОС-61 металлизированную площадку (19) топологического рисунка верхнего слоя (1) многослойной платы (2), на нее устанавливают коаксиальный диэлектрический резонатор (10) металлизацией боковой поверхности (15) с облуженной припоем ПОС61 частью присоединяемой к металлизированной площадке (19), нижние концы соединительных проводников (17), подлежащие соединению, совмещают с проводниками топологического рисунка верхнего слоя (1) многослойной платы (2). Пайкой микропаяльником закрепляют и электрически соединяют резонатор с металлизированной площадкой (19). При этом металлизированную площадка (19) топологического рисунка (4) с закрепленным на ней диэлектрическим резонатором (10) соединяют с экранной заземляющей металлизацией (5) обратной стороны нижнего слоя (1) многослойной платы (2) через металлизированные отверстия (9), по меньшей мере, частично заполненные припоем. Соединяют электрически нижние концы соединительных проводников (17) с проводниками топологического рисунка верхнего слоя (1) многослойной платы (2) пайкой припоем ПОС-61 или сваркой расщепленным электродом. Далее проводят установку и закрепление платы на дне металлического корпуса (20), изготовленного из сплава АМГ пайкой припоем ПОСК50-18 ГОСТ21931-76. Завершают изготовление присоединением крышки методом пайки перевернутой крышкой (21) припоем ПОИнЗО ТУ48-0220-40-90 и контролем электрических характеристик.
Таким образом, использование предложенного способа изготовления гибридной интегральной схемы позволяет повысить технологичность и обеспечить улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы.