MICROWAVE INTEGRATED CIRCUIT
Интегральная схема СВЧ

Изобретение относится к электронной технике, а именно интегральным схемам СВЧ и может быть широко использовано в электронной технике СВЧ, в частности в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками (ФАР).
Основными характеристиками интегральной схемы СВЧ и особенно в последнем случае ее применения являются выходная мощность, коэффициент полезного действия (КПД) и массогабаритные характеристики.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены пассивные элементы, в том числе шунтирующие - конденсаторы и резисторы, копланарные линии передачи и выводы и установлены активные элементы, диэлектрическая плата установлена лицевой стороной на металлическое основание, в котором выполнена выемка.
В которой с целью улучшения электрических характеристик активные элементы установлены на диэлектрическую плату лицевой стороной, а на лицевой стороне диэлектрической платы в местах соединения шунтирующих элементов и в местах отвода тепла от активных элементов выполнены металлические столбы сечением и высотой 40-50 мкм, посредством которых диэлектрическая плата установлена лицевой стороной на металлическое основание, а выемка в металлическом основании выполнена только под активными элементами [Патент 2258330 РФ. СВЧ интегральная схема /Темнов A.M. и др. // Бюл. - 2005. - № 22].
Наличие и указанное расположение упомянутых металлических столбов в интегральной схеме СВЧ позволило:
во-первых, практически полностью исключить проволочные соединения и тем самым максимально уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие, повысить воспроизводимость и надежность интегральной схемы СВЧ,
во-вторых, отвести тепло от активных элементов кратчайшим путем и тем самым улучшить отвод тепла и, как следствие, улучшить электрические характеристики и повысить надежность интегральной схемы СВЧ.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы, либо пассивные элементы, линии передачи, выводы и навесные активные элементы, при этом элементы соединены электрически, интегральная схема СВЧ заземлена.
В которой с целью улучшения электрических характеристик, повышения надежности, снижения массогабаритных характеристик диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной? равной 100-200 мкм, которая имеет металлизационное покрытие, при этом металлизационное покрытие выполнено в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, при этом упомянутые слои выполнены одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя, заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия, а навесные активные элементы выполнены на кристалле толщиной 100 мкм [Патент РФ 2474921 /Интегральная схема СВЧ /Темнов А.М. и др. // Бюл. - 2013. - № 4].
Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками нашла широкое применение в усилителях и генераторах СВЧ, различных преобразовательных схемах СВЧ, в том числе в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых входит множество (порядка тысячи) идентичных элементов.
Однако вышеуказанные преимущества данной интегральной схемы СВЧ в ряде случаев ее применения (мощного усилителях СВЧ, мощного переключателя СВЧ, мощного защитного устройства СВЧ) являются недостаточными, когда требуется:
во-первых, более эффективный отвод тепла,
во-вторых, значительное повышение воспроизводимости электрических характеристик,
в-третьих, значительное снижение массогабаритных характеристик.
Это обусловлено как минимально возможной толщиной кристалла активного элемента, которая составляет порядка 100 мкм, так и точностью и качеством его монтажа на диэлектрическую подложку.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, выполненную из алмаза, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено металлизационное покрытие, при этом элементы интегральной схемы соединены и заземлены согласно ее электрической схемы.
В которой, с целью улучшения электрических характеристик и повышения воспроизводимости и надежности, снижения массогабаритных характеристик, уменьшения трудоемкости изготовления, на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния, при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно, в упомянутой диэлектрической подложке и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия, посредством которых интегральная схема заземлена. [Патент 2556271 РФ. Интегральная схема СВЧ /Темнов A.M. и др. //Бюл. - 2015. - № 19] - прототип.
Недостатки данной интегральной схемы СВЧ (прототипа) заключаются в недостаточно высоких электрических характеристиках - выходной мощности и коэффициента полезного действия в ряде случае ее применения, обусловленные, прежде всего, свойствами слоя кристаллического полуизолирующего кремния, а именно:
во-первых, невысокими изолирующими свойствами, приводящими к появлению утечек тока между элементами интегральной схемы СВЧ,
во-вторых, низкой теплопроводностью, не обеспечивающей эффективный отвод тепла от активных элементов.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение электрических характеристик - выходной мощности, коэффициента полезного действия, повышение воспроизводимости и надежности интегральной схемы СВЧ.
Указанный технический результат достигается заявленной интегральной схемой СВЧ, содержащей
- диэлектрическую подложку из алмаза,
- на обратной стороне которой выполнено металлизационное покрытие,
- элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы,
- в диэлектрической подложке из алмаза выполнены сквозные металлизированные отверстия, посредством которых интегральная схема заземлена,
- элементы интегральной схемы выполнены монолитно и соединены согласно ее электрической схемы.
В которой
- активные и пассивные элементы, линии передачи и выводы выполнены планарно на лицевой стороне диэлектрической подложки из алмаза,
- при этом каждый активный элемент заглублен в диэлектрическую подложку из алмаза на толщину его эпитаксиальной структуры соответственно,
- при этом активные и пассивные элементы, линии передачи и выводы выполнены с обеспечением единой планарной плоскости.
Диэлектрическая подложка выполнена из поликристаллического CVD алмаза.
Металлизационное покрытие выполнено в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов титан-никель-золото.
Интегральная схема СВЧ выполнена в виде приемопередающего модуля или любого полупроводникового устройства на основе нитрид-галлиевых и кремниевых эпитаксиальных структур.
Линия передачи выполнена в виде микрополосковой линии передачи.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленной интегральной схемы СВЧ, а именно когда:
- активные и пассивные элементы, линии передачи и выводы выполнены планарно на лицевой стороне диэлектрической подложки из алмаза,
при этом каждый активный элемент заглублен в диэлектрическую подложку из алмаза на толщину его эпитаксиальной структуры,
при этом активные и пассивные элементы, линии передачи и выводы выполнены с обеспечением единой планарной плоскости.
Это обеспечивает:
Во-первых, расположение эпитаксиальной структуры каждого активного элемента в объеме диэлектрической подложки из алмаза и тем самым:
а) исключение утечек тока между активными элементами интегральной схемы СВЧ благодаря высоким изолирующим свойствам диэлектрической подложки из алмаза,
б) значительное увеличение эффективности отвода тепла от активных элементов благодаря высокой теплопроводности диэлектрической подложки из алмаза.
Эффективность отвода тепла, исходя из теплопроводности материала эпитаксиальной структуры каждого активного элемента и его конструкционной толщины по сравнению с прототипом, увеличена примерно на шестьдесят процентов.
И, как следствие, этого - улучшение электрических характеристик - выходной мощности и коэффициента полезного действия и повышение надежности интегральной схемы СВЧ.
Во-вторых, высокую планарность конструкции интегральной схемы СВЧ и тем самым возможность применения современных технологических методов электронной техники (фотолитографии, проекционной и электронной литографий, молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии и др.) при ее изготовлении и тем самым высокую точность - прецизионность изготовления и, как следствие, повышение воспроизводимости электрических характеристик.
Итак, заявленная интегральная схема СВЧ в полной мере обеспечивает заявленный технический результат, а именно - улучшение электрических характеристик - выходной мощности и коэффициента полезного действия, повышение воспроизводимости и надежности.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1а, б дана заявленная интегральная схема СВЧ, частный случай ее выполнения в виде приемопередающего модуля СВЧ (на фиг. 1а - разрез интегральной схемы СВЧ в плоскости А-А, на фиг. 1б - топология интегральной схемы СВЧ), где:
- диэлектрическая подложка из алмаза - 1,
- металлизационное покрытие - 2,
- активные и пассивные элементы - 3 и 4 соответственно,
- линии передачи - 5,
- выводы - 6,
- сквозные металлизированные отверстия - 7.
На фиг. 2 дана ее электрическая схема.
На фиг. 3 (кривые а, б) даны зависимости от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента полезного действия интегральной схемы СВЧ - приемопередающего модуля СВЧ соответственно.
Пример выполнения заявленной интегральной схемы СВЧ.
Пример рассмотрен для частного случая выполнения интегральной схемы СВЧ - приемопередающего модуля СВЧ, содержащего в передающем канале - усилитель мощности с активным элементом 3 - в виде мощного многозатворного полевого транзистора с барьером Шотки на нитриде галлия, включенного по схеме с общим истоком, а в приемном канале - ограничитель мощности с активным элементом 3 - в виде PIN диода на кремнии согласно его топологии и электрической схемы (фиг. 1, 2 соответственно).
На лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки из алмаза 1 выполнены монолитно - активные элементы 3 - в виде мощного многозатворного полевого транзистора с барьером Шотки (ПТШ) на нитриде галлия и PIN диода на кремнии, пассивные элементы 4 - в виде индуктивности, емкости и сопротивления, микрополосковые линии передачи 5, выводы 6.
При этом упомянутые активные элементы 3 - ПТШ и PIN диод выполнены планарно на лицевой стороне диэлектрической подложки из алмаза 1 и каждый заглублен в диэлектрическую подложку из алмаза на толщину его эпитаксиальной структуры, равную 1 и 2 мкм соответственно.
Упомянутые пассивные элементы 4, линии передачи 5 и выводы 6 выполнены так же планарно на лицевой стороне диэлектрической подложки из алмаза 1.
При этом активные элементы 3 - ПТШ и PIN диод и пассивные элементы 4, линии передачи 5 и выводы 6 выполнены с обеспечением единой планарной плоскости.
При этом элементы интегральной схемы СВЧ соединены линиями передачи 5 в виде микрополосковых отрезков с разными волновыми сопротивлениями согласно ее электрической схемы.
В диэлектрической подложке из алмаза 1 выполнены сквозные металлизированные отверстия 7, посредством которых интегральная схема СВЧ заземлена согласно ее электрической схемы.
На обратной стороне диэлектрической подложки из поликристаллического CVD алмаза 1 толщиной 100 мкм выполнено сплошное металлизационное покрытие 2 в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов титан-никель-золото общей толщиной 3 мкм.
При этом все указанные элементы интегральной схемы СВЧ выполнены посредством методов тонкопленочной технологии (фотолитографии, проекционной литографии, электронной литографии, молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии и др.), обеспечивающих изготовление:
во-первых, всех элементов интегральной схемы СВЧ в едином технологическом цикле, прецизионно.
во-вторых, активных и пассивных элементов, линий передачи, выводов в единой планарной плоскости.
Работа заявленной интегральной схемы СВЧ.
Работа интегральной схемы СВЧ рассмотрена на примере описанного выше приемопередающего модуля СВЧ, содержащего в передающем канале - усилитель мощности с активным элементом 3 - в виде мощного многозатворного полевого транзистора с барьером Шотки на нитриде галлия, включенного по схеме с общим истоком, в приемном канале - ограничитель мощности с активным элементом 3 - в виде PIN диода на кремнии. Схема содержит цепи согласования по входу между каскадами и по выходу. Согласование осуществляется с помощью пассивных элементов 4 - согласующих конденсаторов (Сс) и линии передачи (L) 5 в виде микрополосковых отрезков. Для развязки между каскадами по постоянному току и подачи питания используются развязывающие конденсаторы (Ср) 4. Для блокировки источников питания используются блокировочные конденсаторы (Сбл) 4. Интегральная схема СВЧ - приемопередающий модуль питается от двух источников питания. Один положительной полярности питает цепь стока полевого транзистора с барьером Шотки 3, второй отрицательной полярности обеспечивает необходимое напряжение смещения на его затворах.
При подаче на вход приемопередающего модуля СВЧ входной мощности на его выходе получается усиленный сигнал в диапазоне частот 9-11 ГГц.
На идентичных образцах заявленной интегральной схемы СВЧ - приемопередающего модуля СВЧ были измерены:
- зависимость от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента полезного действия приемопередающего модуля СВЧ (фиг. 3 кривые а, б соответственно),
Оценка надежности упомянутых образцов проводилась по методике ЭТ-361 путем ускоренных испытаний.
а
При этом коэффициент ускорения определяется по формуле при Е=0,8 эВ:
где:
а
Е - энергия активации,
осн.н
Т - температура номинального режима,
осн.ф
Т - температура форсированного режима.
Оценка показывает, что выигрыш по надежности - более 50 процентов (%).
Из представленных зависимостей фиг. 3 (кривые а, б) видно, что выходная мощность и коэффициент полезного действия в рабочей полосе частот имеют резонансный характер и равны примерно (5-6) Вт и (45-50) процентов соответственно для упомянутых (идентичных) образцов приемопередающего модуля (фиг. 3 кривые а, б) соответственно.
Таким образом, заявленная интегральная схема СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом повышение примерно:
- выходной мощности и коэффициента полезного действия на 10 процентов,
- воспроизводимости на 50-60 процентов,
- надежности на 50-60 процентов.
Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками - выходной мощностью и коэффициентом полезного действия, высокими воспроизводимостью и надежностью особенно востребуема в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых, как указано выше, входит множество (более тысячи) идентичных элементов типа упомянутых приемопередающих модулей.