ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР СВЧ
THE ELECTRONIC MICROWAVE FREQUENCY DEVICE

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к монолитным интегральным схемам СВЧ, и может быть использовано в твердотельных модулях СВЧ функционального различного назначения.
Основной задачей при создании современной электронной техники СВЧ и, прежде всего, элементной базы является получение максимально возможной плотности упаковки элементов прибора СВЧ при сохранении или улучшении других технико-экономических характеристик.
Одним из возможных решений указанной задачи является использование обеих сторон исходной подложки - основания для расположения электронных компонентов и рабочих зон - монтажных (контактных) площадок. Когда это допускает конструкция электронного прибора СВЧ либо конструкция электронного устройства СВЧ с использованием этого электронного прибора СВЧ, либо которые предусматривают только поверхностный монтаж.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая корпус, основание и размещенные на нем сосредоточенные пассивные элементы, диэлектрическую плату с отверстием и крышку. В которой с целью уменьшения массогабаритных и электрических характеристик основание выполнено в виде металлизированной со стороны размещения элементов диэлектрической платы, а диэлектрическая плата с отверстиями металлизирована с нижней стороны и соединена с металлизированной стороной основания [1].
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую плату с размещенными на одной ее стороне копланарными линиями, пассивными и активными элементами, установленную на металлическом основании, и выводы.
При этом с целью улучшения характеристик СВЧ и уменьшения массогабаритных характеристик диэлектрическая плата установлена на металлическом основании стороной, содержащей копланарные линии [2].
Данные интегральные схемы СВЧ и особенно последняя отличаются малыми массогабаритными и высокими электрическими характеристиками и широко применяются в современной электронной технике СВЧ.
Однако данные интегральные схемы СВЧ не предназначены для поверхностного монтажа.
Известен двусторонний электронный прибор, содержащий теплопроводную подложку, имеющую форму пластины, с расположением в ее теле активных и пассивных компонентов, имеющих контактные площадки. В котором с целью увеличения плотности упаковки элементов и уменьшения массогабаритных характеристик активные и пассивные компоненты размещены на обеих сторонах подложки и образуют планар в виде единых плоскостей для расположения соединительных проводников, выполненных по тонкопленочной технологии.
Данный электронный прибор является монолитным и изготовлен в едином технологическом процессе с расчетом минимального количества и минимальной длины связей между обеими сторонами электронного прибора.
При этом, по меньшей мере, на одной стороне данного электронного прибора размещены внешние плоские выводы, имеющие непосредственный контакт с общими выводными контактными площадками электронного прибора.
При этом последние имеют электрическую связь с компонентами электронного прибора, расположенными по обеим сторонам подложки, при помощи проводников, расположенных на подложке и по ее торцам.
При этом внешние выводы и общие выводные контактные площадки электрически изолированы от компонентов электронного прибора и проводников.
При этом подложка прибора выполнена из изоляционного материала или из токопроводящего материала с нанесенным на него изоляционным слоем [3].
Данный электронный прибор выполнен в виде монолитной интегральной схемы и соответственно имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущими аналогами.
Однако и данный электронный прибор, так же, как и предыдущие, не предназначен для поверхностного монтажа, так как элементы электронного прибора расположены с обеих сторон подложки.
Известен электронный прибор, предназначенный для поверхностного монтажа, состоящий из диэлектрического основания с металлизированными переходными отверстиями, на нижней стороне которого расположены монтажные площадки, а на верхней стороне - элементы проводящего рисунка, к которым подключены посредством проволочных соединений (индуктивностей) один или более электронных компонентов, находящихся внутри тела корпуса, сформированного герметизирующим компаундом, нанесенным на поверхность диэлектрического основания. В котором с целью уменьшения массогабаритных характеристик и повышения надежности монтажные площадки, металлизация переходных отверстий и участок соответствующих элементов проводящего рисунка, прилегающий к переходному отверстию, покрыты сплошным слоем облуживаемого материала, полностью заполняющим металлизированные переходные отверстия, образуя монолитные перемычки.
Последние одной или несколькими своими гранями могут выходить на боковые грани электронного прибора для поверхностного монтажа [4 - прототип].
Преимуществом данного электронного прибора по сравнению с предыдущими аналогами является возможность осуществления поверхностного монтажа.
Однако наличие в данном электронном приборе корпуса элементов проводящего рисунка и индуктивностей, соединяющих электронный компонент с внешней платой для монтажа прибора, обуславливают:
во-первых, появление и наличие паразитных индуктивностей и, как следствие, - сужение диапазона рабочих частот,
во-вторых, увеличение теплового сопротивления, и как следствие, - снижение выходной мощности и надежности,
в-третьих, снижение воспроизводимости,
в-четвертых, увеличение массогабаритных характеристик и трудоемкости изготовления.
Техническим результатом изобретения является повышение технико-экономических характеристик, а именно расширение диапазона рабочих частот, повышение выходной мощности и надежности за счет уменьшения теплового сопротивления, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение воспроизводимости и снижение трудоемкости изготовления.
Указанный технический результат достигается заявленным электронным прибором СВЧ, предназначенным для поверхностного монтажа, содержащим, по меньшей мере, один электронный компонент с выводами, монтажные площадки, металлизированные переходные отверстия. В котором электронный компонент с выводами, монтажные площадки, металлизированные переходные отверстия выполнены в виде единого кристалла, при этом электронный компонент выполнен на лицевой стороне с заданным активным слоем единого кристалла, монтажные площадки - на обратной его стороне, металлизированные переходные отверстия - в объеме единого кристалла, при этом электронный компонент, монтажные площадки и металлизированные переходные отверстия выполнены в монолитном интегральном исполнении, причем металлизированные переходные отверстия непосредственно соединены одними концами с выводами электронного компонента, а другими концами - с монтажными площадками.
Электронный компонент представляет собой активный элемент, например транзистор СВЧ.
Электронный компонент представляет собой пассивный элемент, например индуктивность.
Электронный компонент представляет собой, например, однофункциональную интегральную схему усилителя СВЧ или пятибитного аттенюатора СВЧ или многофункциональную интегральную схему, содержащую усилитель СВЧ, шестибитный фазовращатель СВЧ и шестибитный драйвер.
III
V
Единый кристалл электронного компонента может быть выполнен из полупроводникового материала группы AВ, например арсенида галлия, или нитрида галлия, или сочетания упомянутого полупроводникового материала и диэлектрического материала, например нитрида галлия на карбиде кремния.
Единый кристалл электронного компонента, представляющего собой пассивный элемент, может быть выполнен из диэлектрического материала, например карбида кремния или сапфира.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность всех существенных признаков заявленного электронного прибора СВЧ, предназначенного для поверхностного монтажа, а именно предложенное иное как выполнение элементов электронного прибора СВЧ, так и конструктивное их расположение, а именно: -
Выполнение электронного компонента, монтажных площадок, металлизированных переходных отверстий в виде единого кристалла, из полупроводникового или диэлектрического материала или сочетания этих материалов.
При этом: -
Выполнение электронного компонента на лицевой стороне с активным слоем единого кристалла.
Выполнение монтажных площадок на обратной стороне единого кристалла.
Выполнение металлизированных переходных отверстий в объеме - внутри единого кристалла.
И то, и другое, и в их совокупности позволяет исключить из электронного прибора СВЧ диэлектрическое основание и, как следствие, - значительно уменьшить массогабаритные характеристики.
Выполнение электронного компонента, монтажных площадок и металлизированных переходных отверстий в монолитном интегральном исполнении позволяет:
во-первых, полностью исключить элементы проводящего рисунка и проволочные соединения - индуктивности из электронного прибора СВЧ и тем самым полностью исключить паразитные индуктивности и, как следствие, - расширить диапазон рабочих частот,
во-вторых, значительно уменьшить тепловое сопротивление между тепловыделяющими элементами электронного компонента и внешней платой для его монтажа и, как следствие, - повысить выходную мощность и надежность,
в-третьих, дополнительно к выше сказанному, значительно уменьшить массогабаритные характеристики,
в-четвертых, повысить воспроизводимость и снизить трудоемкость изготовления.
Следует отметить, что благодаря выполнению всех элементов электронного прибора СВЧ в монолитном интегральном исполнении и в едином технологическом цикле обеспечивается возможность изготовления более тысячи электронных приборов СВЧ одновременно.
Соединение металлизированных переходных отверстий непосредственно одними концами с выводами электронного компонента, а другими концами - с монтажными площадками обеспечивает исключение из электронного прибора СВЧ каких-либо проволочных соединений - индуктивностей и тем самым обеспечивается исключение паразитных индуктивностей и, как следствие, - расширение диапазона рабочих частот.
Итак, заявленный электронный прибор СВЧ в полной мере обеспечивает технический результат, а именно расширение диапазона рабочих частот, повышение выходной мощности и надежности за счет уменьшения теплового сопротивления, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение воспроизводимости и снижение трудоемкости изготовления.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 и 2 даны изометрические изображения заявленного электронного прибора СВЧ, в том числе частные случаи его выполнения, когда и где:
- электронный компонент - 1, представляет собой, например, транзистор СВЧ или индуктивность соответственно,
- выводы - 2,
- монтажные площадки - 3,
- металлизированные переходные отверстия - 4,
- единый кристалл - 5,
- лицевая сторона с активным слоем - 6 единого кристалла,
- обратная сторона - 7 единого кристалла.
На фиг.3-5 даны изометрические изображения заявленного электронного прибора СВЧ, частные случаи его выполнения, когда электронный компонент 1, представляет собой:
- однофункциональную интегральную схему усилителя СВЧ (фиг.3),
- или однофункциональную интегральную схему пятибитного аттенюатора СВЧ (фиг.4),
- или многофункциональную интегральную схему (фиг.5), содержащую
- усилитель СВЧ - 8,
- шестибитный фазовращатель СВЧ - 9,
- шестибитный драйвер - 10.
На фиг.6 (а-д) даны электрические схемы:
- транзистора СВЧ (фиг.6,а),
- индуктивности (фиг.6,б)
- однофункциональной интегральной схемы усилителя СВЧ (фиг.6,в),
- однофункциональной интегральной схемы пятибитного аттенюатора СВЧ (фиг.6,г),
- и блоксхема многофункциональной интегральной схемы (фиг.6,д.).
На фиг.7 (а-в) даны амплитудно-частотные зависимости коэффициентов передачи от частоты заявленного электронного прибора СВЧ, частных случаев его выполнения, когда электронный компонент 1, представляет собой:
- однофункциональную интегральную схему усилителя СВЧ (фиг.7,а),
- однофункциональную интегральную схему пятибитного аттенюатора СВЧ (фиг.7,б),
- многофункциональную интегральную схему (фиг.7,в).
Работа электронного прибора СВЧ рассмотрена на примере следующих частных случаев его выполнения.
Транзистор СВЧ
На электроды затвора и стока транзистора СВЧ подаются необходимые напряжения смещения от внешних источников. Электрод истока транзистора соединен с общим проводом («землей)». На электрод затвора подается отрицательное напряжение, а на электрод стока - положительное относительно электрода истока. На электрод затвора подается СВЧ-сигнал, который усиливается транзистором СВЧ и выделяется на электроде стока.
Однофункциональная интегральная схема усилителя СВЧ
Усилитель СВЧ выполнен на основе полевого транзистора с барьером Шотки (ПТШ) по схеме с общим истоком. Схема содержит LC цепи согласования по входу в цепи затвора и по выходу в цепи стока. С целью расширения диапазона рабочих частот и стабилизации параметров усилитель охвачен цепью отрицательной обратной связи. Усилитель питается от двух источников питания. Один - положительной полярности - питает цепь стока, второй - отрицательной полярности - обеспечивает необходимое напряжение смещения на затворе полевого транзистора с барьером Шотки.
Однофункциональная интегральная схема пятибитного аттенюатора СВЧ
При этом аттенюатор СВЧ резистивного типа и представляет собой цепочку последовательно соединенных резисторов, переключаемых полевыми транзисторами с барьером Шотки, работает в дискретном режиме в зависимости от управляющего напряжения (0 или -5) В, поданного на его управляющие входы (всего 10 входов по 2 входа на каждый бит).
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, полевые транзисторы с барьером Шотки становятся открытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки шунтируют резисторы, и потери СВЧ в аттенюаторе становятся малыми.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -5 В, полевые транзисторы с барьером Шотки становятся закрытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки не шунтируют резисторы, и потери СВЧ в аттенюаторе становятся большими.
Многофункциональная интегральная схема, содержащая усилитель СВЧ, шестибитный фазовращатель СВЧ и шестибитный драйвер, при этом:
- усилитель СВЧ линейного типа предназначен для усиления входного сигнала и компенсации потерь в фазовращателе СВЧ,
- шестибитный фазовращатель СВЧ резонансного типа представляет собой последовательно соединенную цепочку фазосдвигающих элементов, переключаемых полевыми транзисторами с барьером Шотки,
- шестибитный драйвер аналогового типа преобразует логические уровни 0 и 1 в управляющие напряжения фазовращателя СВЧ.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, полевые транзисторы с барьером Шотки становятся открытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки шунтируют фазосдвигающую цепочку, и ее фазовый сдвиг становится равным 0.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -5 В, полевые транзисторы с барьером Шотки становятся закрытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки не шунтируют фазосдвигающую цепочку, и ее фазовый сдвиг становится равным заданному.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1.
Изготовлен образец электронного прибора СВЧ, частный случай его выполнения, когда электронный компонент представляет собой транзистор СВЧ.
При этом: -
III
V
Единый кристалл электронного компонента выполнен из полупроводникового материала группы AB, арсенида галлия с заданным активным слоем.
Электронный компонент 1 - транзистор СВЧ, выполнен на лицевой стороне с заданным активным слоем 6 единого кристалла 5.
Монтажные площадки 3 выполнены на обратной стороне 7 единого кристалла 5.
Металлизированные переходные отверстия 4 выполнены в объеме - внутри единого кристалла 5.
При этом вышеупомянутое выполнено в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 100 мкм, с использованием классической полупроводниковой и тонкопленочной технологии.
При этом металлизированные переходные отверстия 4 непосредственно соединены одними концами с выводами 2 электронного компонента 1 - транзистора СВЧ, а другими концами - с монтажными площадками 3.
Пример 2.
Изготовлен образец электронного прибора СВЧ аналогично примеру 1, частный случай его выполнения, когда электронный компонент 1 представляет собой индуктивность.
Пример 3.
Изготовлен образец электронного прибора СВЧ аналогично примеру 1, частный случай его выполнения, когда электронный компонент представляет собой однофункциональную интегральную схему, например усилитель СВЧ.
Пример 4.
Изготовлен образец электронного прибора СВЧ аналогично примеру 1, частный случай его выполнения, когда электронный компонент представляет собой однофункциональную интегральную схему, например пятибитный аттенюатор СВЧ.
5
При этом пятибитный аттенюатор СВЧ имеет 32 состояния (N=2), основных состояний - пять.
Пример 5.
Изготовлен образец электронного прибора СВЧ аналогично примеру 1, частный случай его выполнения, когда электронный компонент представляет собой многофункциональную интегральную схему, содержащую усилитель СВЧ 8, шестибитный фазовращатель СВЧ 9 и шестибитный драйвер 10.
6
При этом шестибитный фазовращатель СВЧ 64 состояния (N=2), основных состояний - шесть)
Примеры 6-25. Изготовлены образцы электронного прибора СВЧ аналогично примерам 1-5, но при этом единый кристалл выполнен из полупроводникового материала - нитрида галлия (примеры 6-10), или из диэлектрического материала - карбида кремния (примеры 11-15), или диэлектрического материала - сапфира (примеры 16-20), или сочетания полупроводникового и диэлектрического материала - нитрид галлия на карбида кремния (примеры 21-25).
На изготовленных образцах электронного прибора СВЧ были измерены:
- амплитудно-частотные зависимости коэффициентов передачи (Кп) от частоты в диапазоне частот 2-18 ГГц с помощью измерителя S-параметров Rode&Shwarz ZVM,
- выходная мощность (Pвых) с помощью измерителя мощности М3-54, (Вт),
- тепловое сопротивление (Rt) с помощью микропирометра 14КАИ001, (°/Вт).
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы, изготовленные образцы электронного прибора СВЧ имеют:
- коэффициент передачи (Кп) примерно 5 и 8 дБ соответственно образцам, в диапазоне частот 6…14 ГГц и -3…-20 дБ в диапазоне частот 0,2…18 ГГц, что иллюстрирует также фиг.7 (а-в),
- выходную мощность (Pвых) примерно 0,1 и 0,3 Вт соответственно образцам,
- тепловое сопротивление (Rt) примерно 25 и 5°/Вт соответственно образцам.
Данные электрические характеристики электронных приборов СВЧ с упомянутыми частными случаями выполнения его электронного компонента (его типа) являются на сегодня достаточно высокими для этого класса электронных приборов СВЧ.
К сожалению, данные относительно электрических характеристик прибора-прототипа в источнике информации не указаны.
Таким образом, заявленный электронный прибор СВЧ обеспечивает повышение технико-экономических характеристик, а именно:
- расширение диапазона рабочих частот до 18 ГГц,
- повышение выходной мощности до 0,1 и 0,3 Вт в зависимости от типа электронного компонента электронного прибора СВЧ и надежности,
- уменьшение массогабаритных характеристик более чем в два раза,
- повышение воспроизводимости и снижение трудоемкости изготовления примерно на 50%.
Электронный прибор СВЧ с указанными достаточно высокими технико-экономическими характеристиками востребуем и найдет широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, в частности твердотельных модулях СВЧ функционального различного назначения.
Источники информации
1. Патент РФ №2067362 МПК Н05К 1/18, приоритет 26.05.1983.
2. Патент РФ №2076473 МПК Н05К 1/00, приоритет 25.07.1994.
3. Патент РФ №2190284 МПК Н01L 27/00, приоритет 07.07.1998, опубл. 27.09.2002.
4. Патент РФ №2316846 МПК H01L 21/78, приоритет 01.06.2006, опубл. 10.02.2008 - прототип.