МОЩНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
POWER HYBRID MICROWAVE INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции мощных гибридных интегральных схем СВЧ-диапазона.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона [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.], содержащая металлическое теплопроводящее основание с выступом. На выступе металлического основания установлен и закреплен электро- и теплопроводящим веществом, по меньшей мере, один кристалл полупроводникового прибора. 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, так что поверхность кристалла находится в одной плоскости с поверхностями металлизации диэлектрических подложек. Контактные площадки кристалла полупроводникового прибора электрически соединены с топологическим рисунком металлизации. Это позволяет наилучшим образом согласовать СВЧ порты (входы и выходы) тонкого кристалла с микрополосковыми линиями топологического рисунка достаточно толстых подложек, обеспечивающих передачу и дальнейшее преобразование большой СВЧ мощности. Недостатками данной конструкции являются низкие тепловые и, как следствие, электрические характеристики, обусловленные низкой теплопередачей от кристалла полупроводникового прибора к охлаждаемому металлическому основанию из-за дополнительного последовательного теплового сопротивления выступа, а также недостаточной теплопроводности металлов с низким коэффициентом теплового линейного расширения, пригодных в качестве материалов для основания гибридной интегральной схемы.
Следует отметить, что в настоящее время все большее применение в качестве теплопроводящих подложек, особенно в силовых полупроводниковых приборах, находят новые перспективные композиционные материалы на основе карбида кремния и алмаза, обладающие высокой теплопроводностью и малым коэффициентом линейного расширения, однако трудно поддающиеся механической обработке. Изготовление теплопроводящих оснований с выступами (для выравнивания поверхностей кристаллов и микрополосковых плат в одной плоскости) из таких материалов затруднительно.
Известна мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, описанная в патенте РФ (RU №2498455), отличающаяся, от выше приведенной тем, что в качестве выступа используется металлизированная алмазная вставка (теплопроводность алмаза лучшая среди известных материалов), заглубленная в основание на оптимальную глубину, при которой обеспечивается наилучшее отведение тепла от кристалла полупроводникового прибора, поверхность которого находится в одной плоскости с поверхностями металлизации диэлектрических подложек. Недостатками данной конструкции являются повышенная трудоемкость изготовления металлизированных алмазных вставок и сборки электро- и теплопроводящего основания в целом.
Широко известна конструкция гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, описанная в ряде публикаций [Гармаш С.В., Кищинский А.А., Радченко А.В. «Квазимонолитный транзисторный усилитель диапазона 8-18 ГГц с выходной мощностью 2 Вт», материалы 19 Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Вебер, 2009 г; Datasheet amplifier X-band TC1075G, Assembly Diagram, TRANSCOM, www.transcominc.com.tw] и являющаяся прототипом заявленного технического решения. Конструкция представляет собой электропроводное основание из теплопроводящего материала с низким коэффициентом теплового линейного расширения, на котором установлены диэлектрические подложки (как правило из алюмооксидной керамики) с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне, а между ними дискретные компоненты в виде кристаллов (транзисторы, монолитные интегральные схемы, диоды, однослойные СВЧ-конденсаторы), монтируемые методом термозвуковой микросварки. Для этой конструкции, ввиду отсутствия выступов на основании, характерны довольно тонкие диэлектрические подложки. Так, с точки зрения наилучшего согласования микрополосковых линий подложек с кристаллами полупроводниковых приборов нужна минимальная длина проводников соединения, обеспечивающая минимальную паразитную индуктивность, для чего толщина подложек должна быть соизмерима с толщиной кристаллов, так чтобы поверхности кристаллов и подложек располагались в одной плоскости. Но поскольку, в настоящее время, толщина мощных кристаллов не превышает 100 мкм, использование столь тонких подложек привело бы к большим потерям в проводниках микрополосковых линий подложек, что повлекло бы в свою очередь к снижению КПД и максимальной мощности гибридной интегральной схемы. Поэтому, на практике, для Х-диапазона, наиболее часто встречается применение подложек толщиной 250 мкм, как компромиссный вариант. Недостатками этой конструкции являются повышенные потери мощности в микрополосковых линиях тонких диэлектрических подложек, а также повышенная паразитная индуктивность соединений микрополосковых линий с разновысотными элементами внутри самой гибридной интегральной схемы так и с другими внешними схемами.
Задачей разработанного технического решения является снижение потерь мощности в микрополосковых линиях диэлектрических подложек и снижение паразитной индуктивности соединений микрополосковых линий с кристаллами полупроводниковых приборов в конструкции мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона с теплопроводящим основанием без выступов.
Поставленная задача достигается тем, что мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона содержит электропроводное основание из теплопроводящего материала с низким коэффициентом теплового линейного расширения, на котором установлены электрически соединенные методом термозвуковой микросварки диэлектрические подложки (с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне) и дискретные компоненты (полупроводниковые приборы и однослойные СВЧ-конденсаторы в виде кристаллов), расположенные между ними, при этом, по меньшей мере, две диэлектрические подложки, между которыми расположен, по меньшей мере, один кристалл полупроводникового прибора, скошены по плоскостям в направлении кристалла полупроводникового прибора так, что изменение толщин этих диэлектрических подложек от их сторон, примыкающих к кристаллу, до противоположных составляет более чем в два раза.
Изобретение поясняется чертежами
На фиг. 1 представлен фрагмент предлагаемой мощной гибридной интегральной схемы.
На фиг. 2 представлена практическая реализация мощной гибридной интегральной схемы усилителя X диапазона.
Фрагмент мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона (фиг. 1) содержит электропроводное основание 1 из теплопроводящего материала с низким коэффициентом теплового линейного расширения, на котором установлены электрически соединенные методом термозвуковой микросварки диэлектрические подложки 2 (с топологическим рисунком металлизации 3 на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией 4 на обратной стороне) и дискретные компоненты (кристалл полупроводникового прибора 5 и однослойные СВЧ-конденсаторы 6 в виде кристаллов), расположенные между ними (подложками 2). При этом две диэлектрические подложки 2, между которыми расположен кристалл полупроводникового прибора 5 с однослойными СВЧ-конденсаторами 6, скошены по плоскостям в направлении кристалла полупроводникового прибора 5 так, что изменение толщин этих диэлектрических подложек 2 от их сторон, примыкающих к кристаллу 5, до противоположных составляет более чем в два раза.
Мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона работает следующим образом. На входы схемы поступают сигналы, которые проходят соответствующие преобразования и поступают на ее выходы. Выделяющаяся, при работе кристалла полупроводникового прибора 5 и диэлектрических подложек 2 (с топологическим рисунком металлизации 3), теплота поглощается теплопроводящим основанием 1. Ввиду отсутствия выступов на основании 1, минимизация длин электрических соединений разновысотных элементов схемы между собой и внешними подключениями осуществляется применением диэлектрических подложек 2 со скосами (с переменной толщиной)
Пример мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона (фиг. 2).
Мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона функционально является усилителем мощности, содержащим входной синфазный делитель мощности с четвертьволновым трансформатором, к выходам которого подключены входы усилителей. Выходы усилителей, в свою очередь, подключены к входам выходного сумматора. Делитель и сумматор, в микрополосковом исполнении, изготовлены на подложках из поликора, имеющих скос в направлении сторон, примыкающих к кристаллам усилителей. Топологии делителя и сумматора рассчитаны с учетом переменной толщины подложек (скоса), и при этом идентичны. После формирования топологического рисунка металлизации лицевой стороны стандартными процессами тонкопленочной технологии, обратная сторона подложек сошлифовывается под углом 3 градуса, и затем на ней формируется экранная металлизация. Возле кристаллов 5 толщина подложек 2 составляет 0,2 мм, возрастая до 0,5 мм у противоположных сторон.
Конструктивно мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона представляет собой электропроводное основание 1, выполненное из алюмоматричного композиционного материала AlSiC7 толщиной 3 мм, покрытого гальваническим олово-висмутом, на котором при помощи токопроводящего клея ЭКС-2 на расстоянии 4,5 мм друг от друга установлены два 10-ваттных кристалла усилителей Х-диапазона 5 (TC1075G Transcom) с однослойными СВЧ-конденсаторами 6, так что входы обоих кристаллов 5 оказываются с одной стороны, а выходы - с другой (противоположной). К этим сторонам кристаллов усилителей 5, с зазором 40-50 мкм, примыкают диэлектрические подложки 2 с топологическим рисунком металлизации 3 на лицевой стороне и экранной металлизацией 4 на обратной, закрепленные на основании 1 пайкой в инертной среде. Для улучшения технологичности пайки на обратную сторону подложек 2, поверх экранной металлизации 4, дополнительно нанесен слой гальванического олово-висмута толщиной 20 мкм. Диэлектрические подложки 2 скошены в направлении сторон, примыкающих к кристаллам усилителей 5. Контактные площадки кристаллов усилителей 5, однослойные СВЧ-конденсаторы 6 и рисунок металлизации лицевой стороны 3 диэлектрических подложек 2 соединены между собой методом термозвуковой микросварки. (При длине скоса подложек, примыкающих к кристаллам усилителей, равной 5,8 мм, и перепаде толщин в 0,3 мм, отклонение от параллельности относительно плоскости основания составляет 3 градуса, что не является препятствием для термозвуковой микросварки).
Сравнительные измерения вышеприведенного усилителя с имеющимися образцами аналогичного усилителя, изготовленного в соответствии с рекомендованной монтажной схемой технического описания на кристалл усилителя TC1075G (amplifier X-band TC1075G, Assembly Diagram, Datasheet, TRANSCOM, www.transcominc.com.tw), и отличающегося от вышеприведенного только тем, что делитель и сумматор изготовлены на поликоровых подложках толщиной 0,25 мм (без скоса), показали, что при равных условиях (входная импульсная мощность Рвх=0,5 Вт, длительность импульсов tи=50 мкс, период повторения Т=250 мкс, напряжение питания Uпит=8 В) выходная импульсная мощность усилителя с подложками со скосами составила 17,3 Вт, а усилителя с подложками без скосов 15,8 Вт. Также, отдельно проведенные сравнительные измерения параметров микрополосковых линий подложек с делителями и сумматорами образцов сравниваемых усилителей показали, что потери мощности микрополосковых линий делителя и сумматора на подложках со скосом на треть меньше потерь мощности в микрополосковых линиях на подложках без скосов. Таким образом, заявленная конструкция мощной интегральной схемы СВЧ-диапазона при сохранении достоинств, присущих прототипу (возможность применения в качестве основания современных материалов с высокой теплопроводностью, но сложных для механической обработки), по сравнению с ним имеет повышенную мощность благодаря сниженным потерям в проводниках микрополосковых линий. Наличие диэлектрических подложек со скосами уменьшает паразитную индуктивность соединений микрополосковых линий с элементами схемы, что улучшает электрические параметры (согласование, диапазон рабочих частот) и дает возможность на теплопроводном основании без выступов создавать сложные мощные интегральные схемы СВЧ-диапазона с разновысотными и многопортовыми (несколько входов и выходов) кристаллами полупроводниковых приборов.