СВЧ коммутационная плата из высокоомного кремния на металлическом основании
MICROWAVE SWITCHING BOARD FROM HIGH-RESISTANCE SILICON ON A METAL BASE

Заявленное изобретение относится к конструкции коммутационной платы из кремния с удельным сопротивлением не менее 10 кОм·см, расположенной на металлическом основании и может быть использовано при изготовлении СВЧ усилителей мощности, применяемых в системах дистанционного зондирования земли и высокочастотных радиолиниях.
Из уровня техники известен способ размещения микроволновых полупроводниковых компонентов и интегральных схем (см. US5063177A, опубл. 05.11.1991). Изобретение относится к коммутации монолитных СВЧ интегральных микросхем и передаче энергии на ВЧ частотах. Кремниевая плата используется в качестве пассивного элемента для передачи энергии на высоких частотах. Кремниевая плата обладает высокой теплопроводностью. Методом анизотропного травления в плате формируются углубления под кристаллы микросхем и металлизированные отверстия. Углубления под кристаллы выполнены с высокой точностью.
Среди недостатков следует отметить большие потери в проводниковых микрополосках при распространении энергии на высоких частотах. Также конструкция имеет недостаточную прочность из-за хрупкости кремния.
Из уровня техники известен наиболее близкий к предлагаемому решению аналог, раскрывающий микрополосковую линию и содержащее ее микрополосковое устройство (см. US6445345B1, опубл. 03.09.2002).
В изобретение описывается микрополосковая линия с малыми потерями. Микрополосковая линия выполнена в диэлектрической подложке, соединенной с металлической пластиной для заземления. В металлической пластине в местах под микрополосками сформированы воздушные прослойки, позволяющие снизить потери энергии в проводниковых полосках при распространении СВЧ сигнала.
Недостатками указанного в качестве наиболее близкого аналога решения являются:
– воздушная прослойка формируется в металлической пластине, при постоянной толщине диэлектрической пластины. Конструкция позволяет изменять комбинированную диэлектрическую проницаемость микрополосковой линии передачи в узких пределах.
– в изобретении описывается пластины, теплопроводность материала которых в сотни раз меньше, чем теплопроводность кремния.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение омических потерь при распространении энергии СВЧ, обечение возможности варьировать в более широких пределах комбинированную относительную диэлектрическую проницаемость микрополосковой линии передачи, устранение перегрева СВЧ кристаллов и линий передач, сформированных на плате, обеспечение сохранения конструкционной прочности пластины из кремния и возможности изготовления коммутационной платы групповым методом.
Технический результат достигается посредством создания СВЧ коммутационной платы из высокоомного кремния на металлическом основании, состоящей из монокристаллической кремниевой платы ориентации (100), с удельным сопротивлением не менее 10 кОм·см и металлического основания, на лицевой стороне кремниевой платы выполнено не менее двух полостей-колодцев разной глубины, на дне которых сформированы электропроводящие отверстия, на лицевой стороне сформированы полоски микрополосковых линий передачи из металла с малым электросопротивлением разной толщины, с обратной стороны кремниевой платы сформированы методом жидкостного анизотропного травления воздушные пазы разной глубины, идущие параллельно полоскам, области заземленных контактов на лицевой стороне соединены с металлическим экраном тыльной стороны платы с помощью электропроводящих отверстий,  контакты, предназначенные для сварки или пайки находятся за габаритами полостей-колодцев и пазов, на тыльной стороне кремниевой платы везде, кроме пазов, выполнен металлический экран с малым удельным электросопротивлением, тыльная сторона кремниевой платы полностью, кроме пазов покрыта припоем, металлическое основание имеет покрытие из металла с низким электросопротивлением и соединено с кремниевой платой пайкой.
Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими фигурами:
Фиг.1 – Лицевая сторона кремниевой платы;
Фиг.2 – Тыльная сторона кремниевой платы;
Фиг.3 – Разрез кремниевой платы;
Фиг.4 – Фрагмент разреза кремниевой платы с основанием.
Позиции на фигурах обозначают следующее:
1 – металлическое основание;
2 – проводящее покрытие;
3 – припой;
4 – металлический экран тыльной стороны кремниевой платы;
5 – кремниевая плата;
6 – полосок микрополосковой линии передачи;
7 – воздушная полость (паз);
8 – сквозные металлизированные отверстия с контактными площадками;
9 – полости-колодцы под кристаллы;
10 – сквозные металлизированные отверстия в полостях.
Заявленное изобретение относится к конструкции коммутационной платы из кремния с удельным сопротивлением не менее 10 кОм·см, расположенной на металлическом основании и может быть использовано при изготовлении бортовых усилителях мощности космического назначения в диапазоне частот от L до Ka.
СВЧ коммутационная плата из высокоомного кремния на металлическом основании содержит:
– металлическое основание с покрытием высокой электропроводности;
– припаянную к основанию кремниевую плату со сформированными методом анизотропного травления разной глубины полостями под кристаллы на лицевой стороне и воздушными пазами на тыльной;
– металлизированные отверстия разной длины с контактными площадками, сформированные в полостях и на плате;
– металлические полоски разной ширины, сформированные на лицевой стороне кремниевой пластины;
– проводящий экран, сформированный на тыльной стороне кремниевой пластины везде, кроме мест, где сформированы пазы с воздушной прослойкой;
– припой соединяющий кремниевую плату с основанием.
В предпочтительном варианте материалом основания является ковар.
Потери в микрополосковой линии передачи необходимо уменьшать до минимума. Известно, что потери при передаче включают потери в диэлетрическом материале, из которого изготовлена плата, омические потери полоскового проводника и потери излучения от полоскового проводника. Диэлектрические потери высокоомного кремния становятся заметными на высоких частотах. Потери на излучение становятся заметными также на высоких частотах.
Таким образом, в области частот до 10 ГГц для линий передачи большой мощности определяющим являются омические потери в полосках.
Основной эффект, позволяющий уменьшить омические потери при передачи энергии достигается использованием материалов диэлекрических подложек, имеющих малую относительную диэлектрическую проницаемость. Применение таких подложек позволяет сделать полоски более широкими и тем самым уменьшить омические потери.
k
в
Создание в кремниевой пластине вытравленных анизотропно пазов позволяет уменьшить толщину кремниевой пластины с диэлектрической проницаемостью Ε = 11,67 и увеличить воздушную прослойку с диэлектрической проницаемостью Ε = 1 между границей кремния и проводящим покрытием.
эфф
В этом случае комбинированный слой диэлектрика можно представить как два последовательно соединенных конденсатора. Исходя из этого комбинированную диэлектрическую проницаемость Ε можно оценить из формулы:
эфф
k
в
k
в
k
в
в
k
-1
Ε= (d+d) × Ε× Ε×( Ε× d + Ε× d);
эфф
Таким образом, подставляя Εв формулы расчета полосковой линии можно увеличить ширину полосков и тем самым уменьшить омические потери, возникающие при распространении СВЧ сигнала.
k
в
эфф
Например, при толщине кремниевой пластины равной 0,38 мм, d=0,05 мм, а d= 0,33 мм Ε= 1,13.
Кремний имеет коэффициент теплопроводности 120 Вт/м·К, он в 5 раз выше поликоровой керамики и более чем в 200 раз превышает теплопроводность СВЧ ламинатов Rogers. Это позволяет использовать кремниевые платы в усилителях мощности для передатчиков.
Металлическое основание придает изделию необходимую механическую прочность.
Вывод контактных площадок за пределы утоненных мест пластины позволяет проводить монтаж проводников традиционными методами пайки или сварки.
Кремниевая плата изготавливается на стандартном технологическом оборудовании, используемом при производстве микросхем по групповой технологии.
В результате работы по созданию СВЧ коммутационной платы на высокоомном кремнии были получены параметры, позволяющие утверждать, что на частотах до 10 ГГц данная технология по СВЧ характеристикам превосходит технологию СВЧ многослойных печатных плат, а именно материал Rogers RO4350. Потери в СВЧ линиях в высокоомном кремнии меньше, чем потери в СВЧ ламинате Rogers RO4350.
Теплопроводность высокоомного кремния превышает в разы теплопроводность плат из СВЧ ламинатов, LTCC и поликора, что может быть широко использовано для усилителей мощности. Технология позволяет создавать в платах высокоомного кремния колодцы для кристаллов и переходные металлизированные отверстия.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает:
- малые омические потери при распространении энергии СВЧ за счет широких полосков;
- изменение соотношений толщины кремниевой платы и воздушной прослойки позволяет варьировать в более широких пределах комбинированную относительную диэлектрическую проницаемость микрополосковой линии передачи;
– высокая теплопроводность кремния, позволяет устранить перегрев СВЧ кристаллов и линий передач, сформированных на плате;
– конструкционная прочность пластины из кремния при утонении не ухудшается за счет формировании полостей-колодцев и пазов внутри пластины, и для увеличения прочности конструкции соединяется с металлическим основанием. Для уменьшения механических нагрузок, возникающих при пайке и сварке места контактов вынесены за пределы утоненных мест кремниевой пластины.
– возможность изготовления коммутационной платы групповыми методами по стандартным технологиям, применяемым в технологии изготовления микросхем.