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 длин волн.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации. На лицевой стороне диэлектрической подложки выполнено углубление для расположения кристалла полупроводникового прибора. Два кристалла полупроводниковых приборов соединены параллельно, при этом один из кристаллов полупроводникового прибора расположен в углублении диэлектрической подложки, а второй расположен над первым, своей обратной стороной над лицевой стороной первого, причем внешние концы однофункциональных выводов соединены между собой и с топологическим рисунком металлизации [1].
Недостатком данной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона является низкий теплоотвод от кристаллов полупроводниковых приборов и низкая механическая прочность.
Известна гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне. Диэлектрическая подложка обратной стороной расположена на металлическом теплоотводящем основании и соединена с ним экранной заземляющей металлизацией. В диэлектрической подложке выполнено отверстие, а в металлическом теплоотводящем основании со стороны диэлектрической подложки выемка, которые совпадают в плане. Два транзистора в корпусах, соединенные параллельно и взаимно расположенные друг к другу сторонами, на которых выполнены плоские выводы, а один из указанных транзисторов расположен в выемке металлического теплоотводящего основания. Однофункциональные плоские выводы транзисторов соединены между собой и с топологическим рисунком металлизации [2].
Недостатком данного технического решения являются, как и в первом аналоге, низкий теплоотвод и низкие электрические характеристики.
Известна мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, принятая за прототип, содержащая диэлектрическую подложку с топологическим рисунком на лицевой стороне подложки, экранную заземляющую металлизацию на обратной стороне и отверстие. Металлическое теплоотводящее основание, имеющее выступ, соединено с экранной заземляющей металлизацией диэлектрической подложки таким образом, что выступ металлического основания размещен в отверстии диэлектрической подложки. Кристаллы транзисторов, по меньшей мере, два, имеющие плоские балочные выводы на лицевой стороне, попарно соединены однофункциональными плоскими балочными выводами между собой и с топологическим рисунком металлизации. Одни из кристаллов расположены и закреплены в выемке, выполненной на верхней плоскости выступа металлического теплоотводящего основания, сквозной со стороны плоских балочных выводов. Другие расположены и закреплены обратной стороной в канавке, выполненной в металлической хорошо электро- и теплопроводящей пластине. Канавка выполнена сквозной со стороны плоских балочных выводов других кристаллов. Хорошо электро- и теплопроводящая пластина присоединена к верхней поверхности выступа металлического теплопроводящего основания. Выемка и канавка выполнены соразмерными размещаемым в них кристаллам транзисторов. Площадь соединения хорошо электро- и теплопроводящей пластины равна или больше 0,3×0,3 мм. Толщина дна канавки в металлической хорошо электро-теплопроводящей пластине равна 0,1-5,0 мм, а расстояние от боковых сторон кристаллов транзисторов до боковых стенок соответственно выемки и канавки равно или менее 0,3 мм. Расстояние между сторонами кристаллов транзисторов, на которых расположены плоские балочные выводы, равно 0,006-0,5 мм [3].
Недостатками данного технического решения являются низкий теплоотвод, низкие электрические и массогабаритные характеристики.
Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотвода от кристаллов транзисторов, улучшение электрических и массогабаритных характеристик, а также повышение технологичности мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона.
Технический результат достигается тем, что в известной мощной гибридной интегральной схеме СВЧ-диапазона, содержащей диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне, которая расположена обратной стороной на металлическом теплоотводящем основании и соединена с ним экранной заземляющей металлизацией, в диэлектрической подложке выполнено отверстие, и, по меньшей мере, два транзистора, выполненные в виде кристаллов, соединенные параллельно и взаимно расположенные друг к другу сторонами, на которых выполнены плоские балочные выводы, по меньшей мере, один из кристаллов расположен в отверстии диэлектрической подложки, однофункциональные плоские балочные выводы кристаллов транзисторов соединены между собой и одни их них - с топологическим рисунком металлизации, на металлическом теплоотводящем основании выполнен выступ, который совпадает в плане с отверстием в диэлектрической подложке и который расположен в нем, при этом высота выступа обеспечивает расположение его верхней плоскости заподлицо с лицевой стороной диэлектрической подложки, при этом на верхней плоскости выступа металлического теплоотводящего основания выполнена выемка, сквозная со стороны плоских балочных выводов кристаллов транзисторов, соединенных с топологическим рисунком металлизации, по крайней мере, один из кристаллов транзисторов расположен в выемке и закреплен в ней, на верхней плоскости выступа металлического теплоотводящего основания, по крайней мере, с одной стороны кристалла одного из транзисторов выполнена, по меньшей мере, одна монтажная площадка, которая снабжена хорошо теплопроводящей пластиной и соединена с ней, в хорошо теплопроводящей пластине выполнена, по меньшей мере, одна канавка, в которой расположен и закреплен хорошо теплопроводящим связующим веществом, по крайней мере один кристалл другого транзистора, при этом она выполнена сквозной со стороны его плоских балочных выводов, соединенных с топологическим рисунком металлизации и соразмерна ему, ширина выступа металлического теплоотводящего основания и ширина хорошо теплопроводящей пластины равны ширине кристалла транзистора, а толщина дна канавки С и расстояние В от края канавки до ближайшего края пластины выбраны такими, что обеспечивается минимальная разность максимальных температур нагрева кристаллов:
Bmax
где t - максимальная температура нагрева кристалла, расположенного в канавке хорошо теплопроводящей пластины;
Hmax
t - максимальная температура нагрева кристалла, расположенного в выемке выступа металлического теплоотводящего основания, при этом:
;
,
где Q - мощность кристаллов транзисторов равна или менее 10 Вт,
Р(λ) - полиномиальная зависимость, при этом:
0
1
где λ - удельная теплопроводность материала теплопроводящей пластины, Р(x;y) и P(x;y) - полиномы второй степени, зависящие от координат x и y, при этом:
где x равна 1,7-4,6 мм, y равна 0,25-1,65 мм, что соответствует расстоянию B от 0,1 до 3,0 мм, и толщине C от 0,1 до 1,5 мм.
По крайней мере, частично или полностью хорошо теплопроводящая пластина может быть выполнена из материала с высокой электропроводностью, при этом соединение с монтажной площадкой выполнено хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом.
Хорошо теплопроводящая пластина может быть выполнена из диэлектрика, при этом металлизированы поверхность канавки и поверхность места соединения пластины с монтажной площадкой, а соединение выполнено хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом.
Выполнение ширины выступа металлического теплоотводящего основания и ширины хорошо теплопроводящей пластины равными ширине кристалла транзистора позволяет уменьшить длину плоских балочных выводов до их присоединения к топологическому рисунку металлизации, а значит, снизить паразитные параметры схемы и тем самым улучшить ее электрические характеристики.
Выбор толщины дна канавки C и расстояния B от края канавки до ближайшего края пластины такими, что обеспечивается минимальная разность максимальных температур нагрева кристаллов:
позволяет оптимизировать геометрические размеры хорошо теплопроводящей пластины и тем самым улучшить массогабаритные характеристики. То, что Q - мощность кристаллов транзисторов равна или менее 10 Вт, связано с ограничением возможности изготовления более мощных транзисторов СВЧ-диапазона в настоящее время, во всяком случае арсенидгаллиевых ПТШ.
Выбор расстояния В от края канавки до ближайшего края пластины и толщины дна канавки С равными или более 0,1 мм связан с необходимостью обеспечения механической прочности хорошо теплопроводящей пластины.
Выбор расстояния B от края канавки до ближайшего края пластины равным или менее 3 мм и толщины дна канавки C равным или менее 1,5 мм связан с тем, что дальнейшее увеличение B и C не приводит к уменьшению температуры кристаллов транзисторов. Следовательно, улучшаются массогабаритные характеристики предложенной схемы, что подтверждают результаты расчетов, приведенные в таблице примеров расчета.
Обеспечение минимальной разности максимальных температур нагрева кристаллов выравнивает температурные условия работы транзисторов и улучшает электрические характеристики интегральной схемы.
Применение предложенного аналитического (эмпирического) выражения позволяет оптимизировать условия работы транзисторов, за счет оптимизациии геометрических размеров хорошо теплопроводящей пластины в зависимости от теплопроводности λ материала пластины и мощности транзистора и тем самым обеспечить:
- во-первых, улучшение теплоотвода от кристаллов транзисторов;
- во-вторых, улучшение электрических и массогабаритных характеристик схемы.
Применение предложенного аналитического (эмпирического) выражения ф.1 позволяет существенно упростить расчеты по сравнению с применением трехмерных программ для проведения указанной оптимизации и таким образом снизить трудоемкость расчетов, а значит, повысить технологичность схемы.
Выполнение хорошо теплопроводящей пластины из материала с высокой электропроводностью и соединение с монтажной площадкой хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом повышает технологичность схемы.
Выполнение хорошо теплопроводящей пластины из диэлектрика, при условии, что металлизированы поверхность канавки и поверхность места соединения пластины с монтажной площадкой, а соединение выполнено хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом, позволяет использовать материал с большей теплопроводностью и тем самым улучшить теплоотвод от кристаллов транзисторов.
Металлизация поверхности канавки и поверхности места соединения пластины с монтажной площадкой, а также выполнение соединения хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом, повышает технологичность схемы.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлен фрагмент предложенной мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, где:
- диэлектрическая подложка 1;
- топологический рисунок металлизации 2;
- экранная заземляющая металлизация 3;
- металлическое теплоотводящее основание 4;
- отверстие в диэлектрической подложке 5;
- кристаллы транзисторов 6;
- плоские балочные выводы кристаллов транзисторов 7;
- выступ теплоотводящего металлического основания 8;
- выемка на верхней плоскости выступа металлического теплоотводящего основания 9;
- монтажная площадка 10;
- хорошо теплопроводящая пластина 11;
- канавка в хорошо теплопроводящей пластине 12;
- хорошо теплопроводящее связующее вещество 13.
На Фиг.2 представлен фрагмент тепловой осесимметричной модели мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, где заштрихованная область хорошо теплопроводящей пластины 11 - это поле температур, описываемое приведенной полиномиальной зависимостью и условием минимальной разности температур кристаллов 6.
Для определения размеров B и C проводим линию, соединяющую внутренний угол канавки 12, выполненной в хорошо теплопроводящей пластине 11, и внешний угол теплопроводящей пластины 11. На линии выбираем точку «A», имеющую координаты x и y. Положение точки «A» (A0, A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7) определяет геометрические размеры B и C хорошо теплопроводящей пластины 11.
Пример.
В качестве примера выполнения приводим мощную гибридную интегральную схему (ГИС) выходного полукаскада усилителя мощности с рабочим диапазоном 2-4 ГГц. В мощной ГИС выходного полукаскада усилителя мощности попарно складывается мощность шестнадцати полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ), например, "Принц-37В-5" КРПГ 432153.009-010 ТУ (разработанные в ФГУП" НПП "Исток") размером 3×1×0,1 мм. Кристаллы 6, по возможности, подбирают одинаковыми по электрическим параметрам, для чего их выбирают изготовленными в едином технологическом цикле на одной эпитаксиальной структуре. Еще одним условием их одинаковой работы является одинаковость температурных режимов работы, т.е. минимальность разности максимальных температур нагрева кристаллов транзисторов, которая обеспечивается оптимизацией геометрических размеров и материалов конструкции мощной ГИС СВЧ.
Диэлектрическая подложка 1 выполнена, например, из поликора, размером 48×30×0,5 мм. На лицевой стороне подложки 1 выполнен топологический рисунок металлизации 2, например, со структурой Cr-Cu-Ni-Au. Причем, Cr и Cu нанесены вакуумным напылением, a Ni-Au - гальваническим осаждением. На обратной стороне диэлектрической подложки 1 выполнена экранная заземляющая металлизация 3 с той же структурой, что и на лицевой стороне. Диэлектрическая подложка 1 обратной стороной с экранной заземляющей металлизацией 3 закреплена на металлическом теплопроводящем основании 4, выполненном из сплава МД-50 (50% меди и 50% молибдена) с гальваническим покрытием 1 мкм никеля и 3 мкм золота. В диэлектрической подложке 1 выполнено отверстие 5. Кристаллы транзисторов 6 соединены попарно параллельно и взаимно расположены друг к другу лицевыми сторонами, на которых прикреплены сваркой плоские балочные выводы 7, например, из гальванически осажденного золота толщиной 9 мкм. Один из пары кристаллов 6 расположен в отверстии 5 диэлектрической платы 1 в выемке 9 на верхней плоскости выступа 8 металлического теплоотводящего основания 4. Однофункциональные плоские балочные выводы 7 кристаллов транзисторов 6 соединены между собой и с топологическим рисунком металлизации 2 контактной сваркой расщепленным электродом при комнатной температуре с использованием установки "Контакт-3А". На металлическом теплопроводящем основании 4 выполнен выступ 8, который совпадает в плане с отверстием 5 в диэлектрической подложке 1 и который расположен в нем. Высота выступа 8, равная 0,5 мм, что обеспечивает расположение его верхней плоскости заподлицо с лицевой стороной диэлектрической подложки 1.
На верхней плоскости выступа 8 металлического теплопроводящего основания 4 выполнена выемка 9 размером 3,2×1,0×0,1 мм, сквозная со стороны плоских балочных выводов 7 кристаллов транзисторов 6 и соразмерная кристаллу транзистора 6. На верхней плоскости выступа 8 металлического теплопроводящего основания 4 расположена, по меньшей мере, одна монтажная площадка 10 размером, например, 3,5×1,0 мм. Хорошо теплопроводящая пластина 11, выполненная из сплава МД-50, присоединена к монтажной площадке 10 пайкой припоем ПОИН-50 при температуре 145°C. В хорошо теплопроводящей пластине 11 выполнена канавка 12 размером 3,2×1,0×0,12 мм, в которой расположен и закреплен припоем золото-олово при температуре 290°C кристалл транзистора 6. Ширина выступа 8 металлического теплопроводящего основания 4 и ширина хорошо теплопроводящей пластины 11 равны ширине кристалла транзистора 6, т.е. 1 мм. Толщина дна канавки Y и расстояние X от края канавки до ближайшего края пластины выбраны такими, что обеспечивается минимальная разность максимальных температур нагрева обоих кристаллов транзисторов 6. Геометрические размеры хорошо электро- и теплопроводящей пластины 11 ограничиваются положением точки A (A0, A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7). Результаты расчетов, проведенных для всех указанных восьми точек положения точки A на осесимметричной модели фрагмента (см. Фиг.2) представлены в сводной таблице результатов расчета с использованием приведенной в формуле изобретения эмпирической формулы и с применением трехмерной программы расчета.
Сводная таблица примеров расчета координат x и y в зависимости от мощности транзисторов Q и теплопроводности материала хорошо теплопроводящей пластины.
№ точки A
Координаты X (мм), У (мм) точки A
λ, (Вт/мм×К)
Р<sub>0 </sub>(x, y) по ф.|3|
Р<sub>1</sub>(x,y) по ф.|4|
p(λ) по ф.|2|
t<sub>в max</sub>(Q; λ) по ф.|1|; Q=
t<sub>в max</sub> по 3-хм. прогр.; Q=
0,9 Вт;
5 Вт;
10 Вт
0,9 Вт;
5 Вт;
10 Вт
0
1,61
0,16
0,1
4,554
6,242
66,974
66,974
372
744,6
48,2
267
534
0,384
20,809
20,809
115
231,3
16
88
176
2,0
7,675
7,675
42,6
85,3
73
40,5
81
1
1,66
0,21
0,1
3,654
3,324
36,892
36,9
204
409,9
33,7
187
374
0,384
12,31
12,3
68
136,8
11,5
63,8
127,6
2,0
5,316
53
29
59,1
5,7
31,6
63,2
2
1,7
0,25
0,1
3,387
3,114
34,523
34,5
191
383,6
32,1
178,3
356,6
0,384
11,495
11,5
64
127,7
10,5
58,3
116,6
2,0
4,943
49
27
54,9
49
27,2
54,4
3
1,95
0,5
0,1
2,497
1,383
16,323
16,3
90,7
181,4
16,15
89,8
179,5
0,384
6,098
6,1
33,8
67,8
6,18
34,3
68,7
2,0
3,188
3,2
17,7
35,4
3,11
17,3
34,6
4
2,6
1,15
0,1
1,8
0,747
9,268
9,3
51,5
103
9,04
50,2
100,4
0,384
3,745
3,7
20,8
41,6
3,72
20,7
41,4
2,0
2,174
22
12,1
24,2
213
11,8
23,6
5
4,6
1,65
0,1
1,479
0,617
7,653
7,6
42,5
85,03
7,53
41,8
83,64
0,384
3,086
3,1
17,1
34,3
3,09
17,2
34,3
2,0
1,787
1,8
9,9
19,9
1,73
9,6
19,2
6
5,0
2,0
0,1
1,468
0,589
7353
73
40,8
81,7
7,2
39,9
79,8
0,384
3,0
3,0
16,6
33,3
3
16,6
33,2
2,0
1,762
1,8
9,8
19,6
1,72
9,5
19
7
6,0
3,0
0,1
1,467
0,553
7,001
7,0
38,9
77,8
7,0
38,8
77,6
0,384
2,908
2,9
16,1
32,3
2,9
16,1
32,2
2,0
1,743
1,7
9,7
19,4
1,72
9,5
19
№ точки
λ, (Вт/мм×К)
Δt<sub>1</sub>=t<sub>в max</sub>(Q;λ)=t<sub>н max</sub>(Q) по ф.[1]; Q=
Δt<sub>2</sub>=t<sub>в max</sub>-t<sub>н max</sub> по 3-хм. прогр.; Q=
Δ=Δt<sub>1</sub>-Δt<sub>2</sub> Q=
Несоотв = Δ/Δt<sub>2</sub>×100%. Q=
Оценка соответствия
0.9 Вт;
5 Вт;
10 Вт
0,9 Вт;
5 Вт;
10 Вт
0,9 Вт
5 Вт
10 Вт
0,9 Вт
5 Вт
10 Вт
0
0,1
65,374
362,94
726,48
46,6
258
515,88
18,77
104,94
210,6
40
40,7
41
Недостат. соответствие
0,384
19,209
105,94
213,18
14,4
78,94
167,88
4,809
27
45,3
33,4
34,2
27
2,0
6,075
31,54
67,18
5,7
31,44
62,88
0,375
0,1
4,3
6,5
0,3
6,8
1
0,1
35,3
194,94
391,78
32,1
177,94
355,88
3,2
17
35,9
9,96
9,55
10,1
Удовлетв. соответствие
0,384
10,7
58,94
118,68
9,9
54,74
109,48
0,8
4,2
9,2
8
7,67
8,4
20
3,7
19,94
40,98
4,1
22,54
45,08
-0,4
-2,6
-4,1
9,76
11,5
9,1
2
0,1
32,9
181,94
365,48
30,5
169,24
338,48
2,4
12,7
27
7,86
7,5
7,9
Хорошее соответствие
0,384
9,9
54,94
109,58
8,9
49,24
98,48
1,0
5,7
11,1
11,2
11,6
11,3
2,0
3,3
17,94
36,78
3,3
18,14
36,28
0
-0,2
0,5
0
1,1
1,4
3
0,1
14,7
81,64
163,28
14,55
80,69
161,38
0,15
0,95
1,9
1
1,2
1,17
Отличное соответствие
0,384
4,5
24,74
49,68
4,58
25,27
50,58
-0,08
-0,53
-0,9
1,7
2
1,8
2,0
1,6
8,64
17,28
1,51
8,22
16,48
0,09
0,42
0,8
5,96
5,1
4,85
4
0,1
7,7
42,44
84,88
7,435
41,14
82,28
0,265
1,3
2,6
3,56
3,16
3,14
То же
0,384
2,1
11,74
23,48
2,12
11,63
23,28
-0,02
0,11
0,2
0,9
0,9
0,86
2,0
0,6
3,04
6,08
0,53
2,77
5,48
0,07
0,27
06
13,2
9,7
10,9
5
0,1
6
33,44
66,9
5,9
32,76
65,52
0,1
0,68
1,38
1,69
2
2,1
То же
0,384
1,5
8,04
16,174
1,49
8,1
16,18
0,01
-0,06
-0,006
0,6
0,74
0,00
2,0
0,2
0,84
1,74
0,13
0,54
1,08
0,07
0,3
0,66
53,8
55,6
61
6
0,1
5,7
31,74
63,58
5,6
30,84
61,68
0,1
0,9
1,9
1,78
2,9
3,08
0,384
1,4
7,54
15,22
1,4
7,54
15,08
0
0
0,14
0
0
0,93
2,0
0,2
0,74
1,46
0,12
0,44
0,88
0,08
0,3
0,58
66,7
68
66
7
0,1
5,4
29,84
59,67
5,4
29,74
59,48
0
0,1
0,19
0
0,3
0,32
0,384
1,3
7,04
14,18
0,7
7,04
14,08
0,6
0
0,1
85,7
0
0,7
2,0
0,1
0,64
1,28
0,12
0,44
0,88
-0,02
0,2
0,4
16,7
45,5
45
Q=
0,9 Вт
5 Вт
10 Вт
t<sub>н max</sub>(Q) по ф.[1]
1,6
9,06
18,12
В таблице приведены расчеты восьми примеров вариантов расчета и оптимизации при помощи предложенного эмпирического математического выражения. Анализ полученных результатов показывает, что в примерах A0 и A1 результаты расчетов недостаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными с помощью трехмерной программы расчета, поэтому предложенное математическое выражение использовать нецелесообразно. Кроме того, ограничение минимальных размеров B и C равными или более 0,1 мм, связанное с обеспечением прочности и жесткости конструкции, исключает возможность использования вариантов A0 и A1. Таким образом, варианты A0, A1 находятся за пределом указанных ограничений и использоваться не могут. Примеры вариантов A6 и A7 также находятся за пределами указанных ограничений, так как дальнейшее увеличение B и C не приводит к улучшению теплоотвода. Таким образом варианты A0, A1 и A6, A7 находятся за пределом указанных ограничений и использоваться не могут. Варианты примеров реализации A2-A5 лежат в пределах указанных ограничений и иллюстрируют возможность реализации мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона и достижения технического результата улучшения теплоотвода и массогабаритных характеристик, а также повышена технологичность.
Устройство работает следующим образом.
При подаче сигнала на кристаллы одного и другого транзисторов 6, включенных параллельно, происходит усиление мощности входящего сигнала и ее суммирование, при этом в кристаллах одного и другого транзисторов 6 выделяется тепло, которое отводится от кристалла одного из транзисторов через выступ 8 на металлическом теплоотводящем основании 4, а от кристалла другого через хорошо теплопроводящую пластину 11, монтажную площадку 10 и выступ 8 на металлическом теплоотводящем основании 4.
Таким образом, в предложенной мощной гибридной интегральной схеме СВЧ-диапазона по сравнению с прототипом улучшен теплоотвод, электрические и массогабаритные характеристики, а также повышена технологичность.
Источники информации
1. Заявка Японии №1-170037, приоритет 25.12.1987 г., МКИ 4 H01L 23/52.
4
2. Патент ФРГ №3903346 A1, приоритет 04.02.89 г., МКИ H01L 25/12, 23/56, 23/48, H03F 3/60, 3/193, H05K 1/18, 7/02.
3. Патент России №2298255, приоритет 12.04.2007 МПК H01L 25/11