КОРПУС МОЩНОЙ ГИБРИДНОЙ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ
CASE OF POWERFUL HYBRID ULTRA-HIGH FREQUENCY INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении мощных гибридных СВЧ интегральных схем повышенной надежности, герметизируемых шовно-роликовой или лазерной сваркой.
К важным требованиям, предъявляемым к корпусу мощной СВЧ интегральной схемы, относятся:
- герметичность и надежность с точки зрения защиты от воздействия окружающей среды, отрицательно влияющей на параметры прибора;
- эффективный отвод тепла от тепловыделяющих элементов схемы с целью получения максимально допустимой выходной СВЧ мощности;
- обеспечение долговечности работы полупроводникового СВЧ прибора при работе в режиме высоких уровней мощности;
- минимальные массогабаритные характеристики.
Известен корпус для мощной гибридной интегральной схемы (ГИС), содержащий теплоотводящее основание и рамку с СВЧ вводами, выполненные из бескислородной жесткой меди, и крышку, выполненную из ковара [1].
В данном корпусе, как правило, допускается сборка пассивных и активных элементов схемы с помощью клея, так как из-за большого рассогласования коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) материалов пассивных и активных элементов схемы пайка традиционными припоями золото-олово, золото-германий и золото-кремний недопустима.
Известен герметичный корпус для интегральной схемы, содержащий металлическое основание и металлическую крышку с прямоугольными сквозными вырезами для размещения СВЧ выводов в виде микрополосковых линий передачи на диэлектрической подложке. Данный корпус может быть использован только для маломощных приборов, так как основание изготовлено из ковара, обладающего низкой теплопроводностью. Кроме того, расположение СВЧ выводов в вырезах металлической крышки исключает возможность надежной герметизации прибора шовно-роликовой или лазерной сваркой [2].
Известен корпус мощного СВЧ-полупроводникового прибора [3] (прототип), состоящий из теплоотводящего основания, выполненного из меди, к которому припаяны высокотемпературным припоем компенсатор из псевдосплава МД-50 и рамка из пластичной меди, в стенках которой размещены СВЧ вводы.
Недостатком данной конструкции является большая величина неплоскостности опорной поверхности основания, обусловленная большой разницей в КЛТР меди и псевдосплава МД-50, из которых изготовлены основание и термокомпенсатор, спаянные высокотемпературным припоем по плоскости, что ухудшает отвод тепла от прибора, отрицательно сказывается на его СВЧ параметрах, снижает надежность прибора при циклических изменениях температуры, а монтаж активных и пассивных компонентов прибора допускается проводить при температуре не более 350°С, в то время как для подавляющего большинства полупроводниковых приборов посадку кристаллов осуществляют припоем золото-кремний при температуре до 450°С.
К существенному недостатку конструкции корпуса-прототипа следует отнести и невозможность герметизации прибора высокопроизводительной шовно-роликовой сваркой, поскольку медь не поддается сварке.
Техническим результатом изобретения является обеспечение герметизации корпуса шовно-роликовой сваркой, повышение температуры монтажа активных и пассивных компонентов интегральной схемы припоями до 450°С и снижение неплоскостности опорной поверхности теплоотводящего основания корпуса.
Указанный технический результат обеспечивает конструкция корпуса мощной гибридной СВЧ интегральной схемы, включающая теплоотводящее основание и рамку с СВЧ вводами, соединенные высокотемпературным припоем, в которой теплоотводящее основание выполнено из псевдосплава молибден - медь с выступом, предназначенным для монтажа пассивных и активных компонентов ГИС и имеющим размеры, соответствующие внутренним размерам рамки, выполненной из отожженного никеля, причем разница в размерах выступа и соответствующих внутренних размеров рамки не превышает оптимальной толщины припоя.
Технических решений, содержащих совокупность признаков, сходную с отличительной, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленных технических решений критерию новизны.
Согласно техническим условиям Яе0.021.105 ТУ псевдосплавы на основе молибден - медь имеют высокую теплопроводность и КЛТР, близкий к КЛТР керамики. Эти материалы широко используются в электронной промышленности и допускают монтаж полупроводниковых кристаллов на эвтектический припой золото-кремний при температурах до 450°С без возникновения напряжений, достаточных для разрушения пластин из керамики и полупроводниковых кристаллов.
В месте спая рамки, выполненной из отожженного никеля, с теплоотводящим основанием из псевдосплава молибден - медь, благодаря повышенной пластичности рамки механические напряжения в спаянном соединении, возникающие из-за разницы в КЛРТ материалов рамки и основания, оказываются недостаточными для изгиба спаянных рамок с основанием. Релаксация напряжений происходит в отожженном пластичном никеле. В результате после пайки неплоскостность опорной поверхности теплоотводящего основания из псевдосплава молибден - медь остается практически такой же, как у основания до пайки.
В мощной гибридной СВЧ интегральной схеме наличие зазора между выступом, предназначенным для монтажа пассивных и активных элементов ГИС, существенно увеличивает КСВ выходного тракта схемы из-за дополнительного несогласованного по волновому сопротивлению участка тракта, равному удвоенной величине высоты выступа. Этот зазор образуется из-за разницы в размерах выступа и соответствующих внутренних размеров рамки. При размерах выступа и соответствующих внутренних размеров рамки с разницей, не превышающей оптимальной толщины припоя, припой полностью заполняет зазор [4], исключая дополнительную «паразитную» индуктивность, вносимую удвоенной высотой выступа, и несогласованный по волновому сопротивлению участок в СВЧ тракте.
Сущность заявленного технического решения поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлено основание из высокотеплопроводного псевдосплава молибден - медь с выступом, предназначенном для монтажа пассивных и активных элементов ГИС и имеющим размеры а, в, с. Опорная поверхность А имеет размеры е, д.
1
1
На фиг. 2 представлена рамка с внутренними размерами a и в. Внешние размеры рамки е, д соответствуют внешним размерам основания. На боковых стенках рамки выполнены отверстия для вводов.
На фиг. 3 представлен собранный корпус, состоящий из теплоотводящего основания 1, которому высокотемпературным припоем, например ПСр-72В ТУ 48-1-329-89, припаяна рамка 2, в сквозных отверстиях которой размещены СВЧ вводы, вводы питания и управления 3, 4. Корпус загерметизирован посредством шовно-роликовой приварки никелевой крышки 5 к рамке 2.
1
1
На фиг. 4 представлено место пайки в случае, когда разница в размерах а-а и в-в превышала оптимальную толщину припоя. Виден зазор между пьедесталом и рамкой.
1
1
На фиг. 5 представлено место пайки в случае, когда разница в размерах а-а и в-в не превышала оптимальную толщину припоя. Зазор между пьедесталом и рамкой отсутствует, поскольку полностью заполнен припоем.
Были собраны образцы корпусов с размерами основания из псевдосплава 50×30 мм при толщине 1,5 мм и выступа 46×26 мм при высоте 1 мм. Внешние размеры рамки из никеля НП1 (содержание никеля 99,9%) 50×30 мм, внутренние 46×26 при толщине 2 мм.
Пайку проводили припоями при температуре пайки 700°С и припоем ПСр-72В при температуре пайки 820°С.
Основания были изготовлены из псевдосплава МД 50 и МД 30.
⋅
-6⋅
-1
⋅
-6⋅
-1
⋅
-6⋅
-1
У псевдосплава МД-50 КЛТР в направлении прокатки (7,5-8,4)10К и поперек прокатки (9,1-9,9)10К, а у псевдосплава МД 30 (7,1-7,9)10К в любом направлении (Яе0.021.105 ТУ).
Были использованы рамки после термообработки при температуре рекристаллизации никеля 480-640°С и при температуре отжига никеля 750-900°С [5].
После пайки припоем ПСр-72В ТУ 48-1-329-89 была измерена неплоскостность опорной поверхности основания.
Результаты испытаний приведены в таблицах 1-9.
Неплоскостность опорной поверхности корпусов, соответствующих изобретению, после сборки с основанием высокотемпературной пайкой практически не увеличивалась.
Были изготовлены корпуса, в которых за счет допусков на внутренние размеры рамки и размеры выступа разница в размерах составляла 0,2 мм и 0,07 мм. В корпусах были собраны платы с несимметричными полосковыми линиями, соединенными с СВЧ разъемами, и измерены КСВ СВЧ трактов на частоте 20 ГГц. В первом случае зазор между выступом и рамкой не был заполнен припоем и КСВ СВЧ тракта составил 1,4-1,55. Во втором случае (при зазоре 0,07 мм) зазор был полностью заполнен припоем ПСр-72В и КСВ СВЧ тракта составил 1,2-1,25.
Источники информации
1. Colloq. Microwave Packag., London, 14 Apr. 1986. Electron. Div, PGE 12. London, 1986, стр. 7/4.
2. Патент РФ 2012172, МПК Н05K 5/06 от 30.04.1994.
3. Патент РФ 2494494, МПК H01L 23/02 от 27.09.2013.
4. Рот А.  Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., Энергия, 1971, стр. 69.
5. Справочник металлурга. Т. 2, стр. 448. М., .Машиностроение, 1976 г.