МОЩНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
POWERFUL HYBRID INTEGRAL CIRCUIT OF MICROWAVE RANGE

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 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 [1].
Недостатками данного технического решения являются: низкий теплоотвод от тепловыделяющих элементов и низкие электрические характеристики схемы.
Bmax
Hmax
Bmax
Hmax
Bmax
Hmax
0
1
0
1
0
1
-1
-1
-1
-1
2
-2
-l
-l
-l
-l
-2
-2
Известна мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая 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, по меньшей мере, две пары транзисторов, в каждой из которых транзисторы выполнены 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 из 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, 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, по крайне мере, одной 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 кристалла транзистора равна ширине выступа металлического теплоотводящего основания и ширине хорошо теплопроводящей пластины, 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 Δt=t-t=10/9(Р(λ) - 1,6308), где t - максимальная температура нагрева кристалла, расположенного в канавке хорошо теплопроводящей пластины; t - максимальная температура нагрева кристалла, расположенного в выемке выступа металлического теплоотводящего основания, при этом t=10/9Q(P(λ)); t=10/9Q1,6308, где Q - мощность кристаллов транзисторов равна или менее 10 Вт; Р(λ) - полиномиальная зависимость, при этом Р(λ)=P(x;y)+1/2P(x;y), где λ - удельная теплопроводность материала теплопроводящей пластины, Р(х;y) и Р(х;y) - полиномы второй степени, зависящие то координат х и у, при этом Р(x;y)=1,85+0,169y-4,285x-0,516xy+0,056y+10,69x; P(x;y)=0,639+0,282y-1,622x=0,51xy+0,138y+3,736x, где х равна 1,7-4,6 мм, у равна 0,25-1,65 мм, что соответствует расстоянию В от 0,1 до 3,0 мм и толщина С от 0,1 до 1,5 мм. По крайней мере, частично хорошо теплопроводящая пластина может быть выполнена из материала с высокой электропроводностью или диэлектрика с металлизированными поверхностями канавки и места соединения пластины с монтажной площадкой, а соединение выполнено хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом[2].
Недостатками данной мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона являются низкие электрические характеристики и низкая технологичность конструкции. Низкая технологичность объясняется необходимостью изготовления отдельных теплопроводящих пластин для каждой пары транзисторов и их раздельного монтажа на выступ металлического основания. Низкие электрические характеристики связаны с большой длиной плоских балочных выводов от места их соединения с контактными площадками кристаллов транзисторов до их соединения между собой и с топологическим рисунком металлизации диэлектрической подложки. Недостаточный теплоотвод связан с малой площадью контакта хорошо теплопроводящей пластины с выступом теплоотводящего основания [2].
Техническим результатом изобретения является повышение технологичности конструкции схемы, улучшение электрических характеристик и теплоотвода от кристаллов транзисторов.
B мах
H мах
Bmax
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, по меньшей мере, две пары транзисторов, в каждой из которых транзисторы выполнены в виде кристаллов, соединенные параллельно и взаимно расположенные друг к другу сторонами, на которых выполнены плоские балочные выводы, один из кристаллов каждой пары расположен в отверстии диэлектрической подложки, однофункциональные плоские балочные выводы кристаллов транзисторов соединены между собой и одни из 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, на верхней плоскости выступа металлического теплоотводящего основания выполнена выемка, сквозная со стороны плоских балочных выводов кристаллов транзисторов, один из кристаллов расположен в выемке и закреплен в ней, на верхней плоскости выступа металлического теплоотводящего основания с двух сторон кристалла одного из транзисторов выполнены монтажные площадки, которые снабжены хорошо теплопроводящей пластиной и соединены с ней, в хорошо теплопроводящей пластине выполнена канавка, в которой расположен и закреплен хорошо теплопроводящим связующим веществом один кристалл другого транзистора, при этом она выполнена сквозной со стороны его плоских балочных выводов и соразмерна ему, ширина кристалла транзистора равна ширине выступа металлического теплоотводящего основания и ширине хорошо теплопроводящей пластины, толщина дна канавки С равна от 0,1 до 1,5 мм, расстояние от края канавки до ближайшего края пластины В равно от 0,1 до 3.0 мм, минимальную разность максимальных температур нагрева кристаллов в паре Δt=(t-t), 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, хорошо теплопроводящая пластина выполнена единой для всех других кристаллов транзисторов каждой пары, при этом расстояние между парами транзисторов S и теплопроводность λ материала пластины определяются из условия
, где Q - мощность кристаллов транзисторов, а S  равно или более 0,75 мм, при этом глубина выемки в выступе теплоотводящего основания и канавки в хорошо теплопроводящей пластине обеспечивают плотное прижатие балочных выводов каждой пары соединяемых кристаллов транзисторов.
По крайней мере, частично хорошо теплопроводящая пластина может быть выполнена из диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом соединение с монтажной площадкой должно быть выполнено хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом.
Хорошо теплопроводящая пластина выполнена из диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом металлизированы поверхности канавок и поверхности мест соединения пластины с монтажной площадкой, а соединения выполнены хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом.
По крайней мере, частично хорошо теплопроводящая пластина выполнена из диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом соединение с монтажной площадкой выполнено хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом.
Хорошо теплопроводящая пластина выполнена из диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом металлизированы поверхности канавок и поверхности мест соединения пластины с монтажной площадкой, соединения выполнены хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом.
Выполнение хорошо теплопроводящей пластины единой (интегральной) для всех других кристаллов каждой пары транзисторов позволяет увеличить площадь ее теплового контакта с выступом теплоотводящего основания и тем самым улучшить теплоотвод от кристаллов транзисторов, а значит улучшить и электрические характеристики. Кроме того, выполнение хорошо теплопроводящей пластины единой (интегральной) в конструкции гибридной интегральной схеме повышает ее технологичность.
Расстояние S между парами соединяемых кристаллов и теплопроводность λ материала пластины определяются из условия минимальной разности температур соединяемых кристаллов, что позволяет снизить взаимное тепловое влияние отдельных пар соединяемых кристаллов транзисторов и тем самым улучшить теплоотвод, а значит, и электрические характеристики.
Ограничение минимального расстояния S между парами соединяемых транзисторов объясняется тем, что меньшее расстояние труднодостижимо, т.е. снижает технологичность, и делает тепловое влияние столь сильным, что оно создает условия эквивалентные расположению двух пар кристаллов в одной выемке и одной канавке.
Ограничение этого расстояния сверху связано с отсутствием взаимного влияния тепловых полей между парами соединяемых кристаллов транзисторов.
Плотное прижатие балочных выводов за счет выбора глубины выемок в выступе и канавок в хорошо теплопроводящей пластине позволяет сократить расстояние между контактными площадками соединяемых кристаллов в каждой паре и тем самым улучшает электрические характеристики.
Выполнение, по крайней мере, частично хорошо теплопроводящей пластины из материала с высокой электропроводностью и соединение ее с монтажной площадкой хорошо электро- и теплопроводным связующим веществом позволяет обеспечить качественное заземление истоков транзисторов и тем самым улучшить электрические характеристики.
Выполнение хорошо теплопроводящей пластины из диэлектрика с высокой теплопроводностью с металлизацией поверхности канавок и мест соединения хорошо теплопроводящей пластины с монтажными площадками при условии, что соединения выполнены хорошо электро- и теплопроводящим связующим веществом, позволяет улучшить теплоотвод и тем самым улучшить электрические характеристики.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1а, б 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;
- кристалл транзистора 6;
- плоские балочные выводы 7;
- выступ на металлическом теплоотводящем основании 8;
- выемки 9;
- монтажная площадка 10;
- хорошо теплопроводящая пластина 11;
- канавка 12 на выступе металлического теплоотводящего основания.
Пример.
В качестве примера выполнения приводим мощную гибридную интегральную схему выходного каскада усилителя мощности с рабочим диапазоном 2-4 ГГц. В мощной гибридной интегральной схеме выходного каскада усилителя мощности попарно складывается мощность восьми полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ), например 3П976А-5 («Пират 40») АЕЯР.432140.207ТУ, разработанные в ФГУП «НПП «Исток», мощностью 2 Вт и размером 1,7×1×0,1 мм. Кристаллы транзисторов 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 гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона.
Диэлектрическая подложка 1 выполнена, например, из поликора (керамика ВК - 100) размером 24×15×0,5 мм. На лицевой стороне подложки 1 выполнен топологический рисунок металлизации 2, например, со структурой Cr (0,02 мкм) напыленный - Cu (1 мкм) напыленная - Cu (3 мкм) гальванически осажденная - Ni (0,8 мкм) гальванич. - Au (3 мкм) гальванич. Причем хром и медь толщиной 1 мкм нанесены вакуумным напылением, а остальные слои - гальваническим осаждением (наращиванием). 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 теплоотводящем 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 8 мкм. Одни кристаллы из пар кристаллов транзисторов 6 расположены в отверстии 5 диэлектрической платы 1 в выемках 9 в верхней плоскости выступа 8 металлического теплоотводящего основания 4. Расстояние между парами кристаллов транзисторов S=4,1. 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 теплоотводящем основании 4 выполнен выступ 8, который совпадает в плане с отверстием 5 в диэлектрической подложке 1 и который расположен в нем. Высота выступа 8 равна 0,52 мм, что обеспечивает расположение его верхней плоскости заподлицо с лицевой стороной диэлектрической подложки 1. На верхней плоскости выступа 8 металлического теплоотводящего основания 4 выполнена выемка 9 размером 1,9×1,0×0,12 мм, сквозная со стороны плоских балочных выводов 7 кристаллов транзисторов 6 и соразмерная кристаллу транзистора 6. На верхней плоскости выступа 8 металлического теплоотводящего основания 4 расположены монтажные площадки 10 размером, например, 4,1×1 мм. Хорошо теплопроводящая пластина 11, выполненная из сплава МД-50, присоединена к монтажным площадкам 10 пайкой припоем ПОИн-50 при температуре 155°С. В хорошо теплопроводящей пластине 11 выполнены канавки 12 размером 1,9×1,0×0,12 мм, в которых расположены и закреплены припоем золото-олово эвтектического состава при температуре 290°С кристаллы транзисторов 6. Ширина выступа 8 металлического теплоотводящего основания 4 и ширина хорошо теплопроводящей пластины 11 равна ширине кристалла транзистора 6, т.е. 1 мм. Размеры теплопроводящей пластины 11 в плане совпадают с размерами выступа металлического основания 8, т.е. 24×1 мм, а ее высота равна 1,62 мм. При этом толщина дна канавки равна 1,5 мм, а расстояние S между парами соединяемых кристаллов транзисторов равно 4,1 мм.
На верхней плоскости выступа 8 металлического теплоотводящего основания 4 расстояние S между парами соединяемых кристаллов транзисторов 6, равное 4,1 мм, обеспечивает минимальную разность максимальных температур нагрева всех кристаллов транзисторов 6, за счет отсутствия (малого) взаимного теплового влияния соседних пар соединяемых транзисторов и действия хорошо теплопроводящей пластины, как интегрального теплоотвода с увеличенной площадью теплового контакта с выступом металлического теплоотводящего основания 8. Расстояния между парами соединяемых кристаллов транзисторов 6 могут меняться в пределах 0,75-4,6 мм так же, как и размеры кристаллов транзисторов и их мощность. А также может изменятся материал и, соответственно, теплопроводность хорошо теплопроводящей пластины 11. Ниже приведены расчеты влияния расстояния S и теплопроводности материала λ хорошо теплопроводящей пластины 11 на максимальные температуры нагрева транзисторов
Таблица 1
Минимальное горизонтальное расстояние между транзисторами, мм
Коэффициент теплопроводности верхней скобы, Вт/(м·град)
Максимальные температуры двухъярусных кристаллов транзисторов, °С
Перепад температур, °С
верхнего
нижнего
S
λ
t<sub>B мах</sub>
t<sub>H max</sub>
t<sub>B мах</sub> - t<sub>H max</sub>
0,75
160
18,61
15,69
2,92
250
16,75
15,14
1,61
384
15,25
14,64
0,61
500
14,47
14,37
0,10
1000
12,88
13,75
-0,87
2000
11,88
13,33
-1,45
1,5
160
17,92
15,14
2,78
250
16,13
14,66
1,47
384
14,72
14,24
0,48
500
14,00
14,01
0,01
1000
12,59
13,52
-0,93
2000
11,72
13,18
-1,46
2,0
160
17,58
14,92
2,66
250
15,82
14,46
1,36
384
14,45
14,07
0,38
500
13,76
13,85
-0,09
1000
12,42
13,41
-0,99
2000
11,62
13,12
-1,5
3,0
160
17,20
14,66
2,54
250
15,45
14,21
1,24
384
14,11
13,84
0,27
500
13,45
13,64
-0,19
1000
12,21
13,26
-1,05
2000
11,49
13,02
-1,53
4,0
160
17,02
14,54
2,48
250
15,28
14,09
1,19
384
13,96
13,73
0,23
500
13,31
13,55
-0,24
1000
12,10
13,19
-1,09
2000
11,42
12,98
-1,56
4,6
160
16,99
14,53
2,46
250
15,25
14,08
1,17
384
13,93
13,72
0,21
500
13,28
13,53
-0,25
1000
12,08
13,18
-1,1
2000
11,40
12,97
-1,57
Устройство работает следующим образом. При подаче сигнала на все кристаллы одних и других транзисторов 6, включенных параллельно, происходит усиление мощности входящего сигнала и ее суммирование, при этом в кристаллах одних и других транзисторов 6 выделяется тепло, которое отводится от кристаллов одних из транзисторов через выступ 8 на металлическом теплоотводящем основании 4, а от кристаллов других через единую (интегральную) хорошо теплопроводящую пластину 11, монтажные площадки 10 и выступ 8 на металлическом теплоотводящем основании 4. При этом за счет применения единой (интегральной) конструкции хорошо теплоотводящей пластины и правильного выбора расстояния между парами соединяемых кристаллов, выбора материала хорошо теплоотводящей пластины достигается минимальная разница температур всех одних и других кристаллов транзисторов, что позволяет, кроме улучшения теплоотвода, улучшить электрические характеристики схемы.
Таким образом, в предлагаемой мощной гибридной интегральной схеме СВЧ-диапазона, по сравнению с прототипом, улучшены теплоотвод и электрические характеристики, а также повышена технологичность конструкции схемы.
Источники информации
4
1. Патент ФРГ №3903346 А1, приоритет 04.02.89 г., МКИ H01L 25/12, 23/56, 23/48, H03F 3/60,3/193, Н05K 1/18, 7/02.
2. Патент РФ №2390071 на изобретение, приоритет 20.01.09 г. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона/Иовдальский В.А., Ганюшкина Н.В. Пчелин В.А., Чепурных И.П.