Корпус СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ
MICROWAVE HOUSING FOR MICROWAVE SEMICONDUCTOR ELECTRONICS PRODUCT

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к корпусу для поверхностного монтажа изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ.
Одними из основных функций корпуса для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ (далее изделие СВЧ) является обеспечение:
герметичности и надежности и, прежде всего, с точки зрения защиты от воздействия окружающей среды, отрицательно влияющей на параметры изделий СВЧ,
эффективного отвода тепла от изделия СВЧ и, прежде всего, с целью получения максимально допустимой выходной мощности СВЧ;
долговечности работы изделия СВЧ и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ,
минимальных массогабаритных характеристик,
надежного планарного соединения корпуса с другими элементами устройства СВЧ и систем радиоэлектронной техники СВЧ,
высокой рабочей частоты, более 40 ГГц.
Известен металлокерамический корпус для полупроводникового прибора СВЧ, содержащий теплоотводящее основание, рамку со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, расположенную на одной из поверхностей теплоотводящего основания по его периметру, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку для расположения и последующего соединения с ним кристалла либо кристаллов полупроводникового прибора, расположенные на упомянутой поверхности теплоотводящего основания, по меньшей мере, два металлокерамических ввода/вывода одни контактные площадки, которых выходят на упомянутую поверхность теплоотводящего основания, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу, при этом металлокерамические вводы/выводы соединены с рамкой твердым припоем.
В котором, с целью повышения надежности, долговечности, технологичности, снижения трудоемкости изготовления, уменьшения массогабаритных характеристик, теплоотводящее основание и рамка выполнены монолитно, последняя - в виде бортика по его периметру, толщиной, равной не более 2,0 мм, металлокерамические вводы/выводы выполнены также монолитно в виде проводника из металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, расположенного внутри трубки с размером внутреннего сечения, равным 0,2-1,0 мм, выполненной из предварительно обожженной керамики, металлокерамические вводы/выводы и соответственно сквозные отверстия для них в рамке выполнены круглого сечения, размер сечения которых, длина металлокерамических вводов/выводов, а также размеры сечений их проводников и размер их контактных площадок определяются заданными параметрами полупроводникового прибора, а контактные площадки выполнены на концах металлокерамических вводов/выводов параллельно и/или перпендикулярно их оси [Патент 2351037 РФ. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ и способ его изготовления / Ляпин Л.В. и др. // Бюл. - 2009 г. - №9/].
Недостатки данного корпуса -
- ограниченный диапазон рабочих частот,
- ограничения возможности использования корпуса для поверхностного монтажа изделий СВЧ с большим количеством выводов и различных уровней выходной мощности СВЧ.
В настоящее время в полупроводниковой электронной технике СВЧ получила широкое применение технология поверхностного монтажа (ТМП, SMT, SMD), поскольку имеет по сравнению с традиционными технологиями ряд преимуществ, а именно:
улучшение электрических характеристик,
высокую плотность монтажа,
уменьшение массогабаритных характеристик.
Известен способ поверхностного монтажа изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ в пластмассовый корпус, заключающийся в нанесение на коммутационные платы методом трафаретной печати паяльной пасты, затем позиционирование дискретных компонентов ИС в пластмассовых корпусах и монтаж. [Менгин И.Г. и др. /Технология поверхностного монтажа // М., Из-во «Мир», с. 258-259./] Недостаток -
- возникновение внутренних напряжений в различных элементах корпуса вследствие существенного различия их температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материалов и в дальнейшем попадание влаги, приводящей изделие СВЧ к браку;
- ограничения с точки зрения обеспечения высокой рабочей частоты, более 40 ГГц и возможности использования для изделий СВЧ различных уровней мощности.
Известен герметичный корпус поверхностного монтажа для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ который, с целью повышения герметичности, улучшения электрорадиоэкранирующих характеристик, обеспечения возможности использования корпуса для поверхностного монтажа больших интегральных схем (БИС) СВЧ, содержит многослойное керамическое основание, герметично соединенный с ним металлический ободок и прилегающую герметично к металлическому ободку металлическую крышку, при этом на внешней и внутренней стороне керамического основания по периферии расположены внешние и соответствующие им внутренние металлизированные контактные площадки, соединенные попарно электрически, в центральной части - центральные «земляные» контактные металлизированные площадки, соединенные между собой электрически, на внешней стороне керамического основания по периферии - внешние «земляные» металлизированные контактные площадки, причем часть расположенных по периферии внутренних и внешних металлизированных контактных площадок дополнительно соединена электрически с внешними и центральными «земляными» металлизированными контактными площадками, и металлическим ободком, при этом все металлизированные контактные площадки соединены электрически посредством металлических проводников, расположенных внутри керамического основания [Патент 2489769 РФ. Герметичный корпус для полупроводникового прибора или интегральной схемы СВЧ-диапазона / Бабак А.Г. и др. // Бюл. - 2013 г. - №22/] - прототип.
Данный корпус обеспечивает электрорадиоэкранирующие характеристики и возможность использования корпуса для поверхностного монтажа транзисторов и интегральных схем (ИС) СВЧ с большим количеством выводов.
Недостатки данного корпуса:
ограниченный диапазон рабочих частот (17 ГГц), обусловленный высокой относительной диэлектрической проницаемостью 9,6 алюмооксидной керамики А1203, приводящей к повышенной паразитной емкости «земляных» металлизированных контактных площадок и паразитных индуктивностей металлических проводников, расположенных внутри многослойного керамического основания,
2
3
ограниченная рассеиваемая мощность, обусловленная низким коэффициентом теплопроводности (40 Вт/м×°К) алюмооксидной керамики AlO,
Это позволяет использовать данный корпус для герметизации только маломощных транзисторов и ИС СВЧ работающих в нижней части сантиметрового диапазона длин волн.
Техническим результатом заявленного корпуса СВЧ для изделий полупроводниковой электронной техники СВЧ является повышение рабочей частоты до 40 ГГц, снижение потерь СВЧ, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), улучшение отвода тепла, упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональных возможностей при сохранении электрорадиоэкранирующих характеристик.
Указанный технический результат достигается заявленным корпусом СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ, содержащим
основание и крышку, герметично соединенные металлическим ободком, в основании выполнено, по меньшей мере, три сквозные металлизированные отверстия,
в центральной части внешней и внутренней сторон основания выполнены, по меньшей мере, одна внешняя и соответствующая ей, по меньшей мере, одна внутренняя «земляные» металлизированные контактные площадки, попарно соединенные между собой электрически, для последующего расположения и соединения кристалла либо кристаллов изделия СВЧ,
по периферии внешней и внутренней сторон основания вне внешней и соответствующей ей внутренней «земляных» металлизированных контактных площадок выполнены, по меньшей мере, три внешние и соответствующие им, по меньшей мере, три внутренние выводы, попарно соединенные между собой электрически, при этом каждые три вывода представляют собой, отрезок копланарной линии передачи, заземленные проводники которого соединены с внешней и соответствующей ей внутренней «земляными» металлизированными контактными площадками и металлическим ободком.
В котором
основание и крышка выполнены из материала алмаз, при этом
основание, металлический ободок, внешняя и соответствующая ей внутренняя «земляные» металлизированные контактные площадки, внешние и соответствующие им внутренние выводы, сквозные металлизированные отверстия выполнены в виде единой монолитной планарной платы, при этом
металлический ободок выполнен по периметру единой монолитной планарной платы,
металлический ободок, внешняя и соответствующая ей внутренняя «земляные» металлизированные контактные площадки, внешние и соответствующие им внутренние выводы выполнены в виде многослойного металлизационного покрытия с высокой электропроводностью,
крышка выполнена объемной формы, по внутренней поверхности которой выполнено многослойное металлизационное покрытие с высокой электропроводностью,
внешняя и соответствующая ей внутренняя «земляные» металлизированные контактные площадки, каждые внешние и соответствующие им каждые внутренние выводы попарно соединены между собой посредством, упомянутых сквозных металлизированных отверстий.
Изделие полупроводниковой электронной техники СВЧ представляет собой полупроводниковый прибор СВЧ или интегральную схему СВЧ.
Материал алмаз представляет собой поликристаллическую алмазную пленку.
Герметичное соединение выполнено в виде паяного соединения.
Форма и размер корпуса, в том числе форма и размер объемной крышки определяется формой и размером кристалла либо кристаллов изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ, а количество внешних и соответствующих им внутренних выводов не менее количества его выводов.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного корпуса СВЧ для полупроводниковой электронной техники СВЧ и каждый в отдельности обеспечивают, а именно.
Выполнение основания и крышки корпуса из одного материала -материала алмаз, который имеет
во-первых, низкую относительную диэлектрическую проницаемость менее 5,6,
во-вторых, высокий коэффициент теплопроводности более 1000 Вт/м×°К,
2
3
в отличие от материала прототипа - алюмооксидной керамики (AlO), который имеет высокую относительную диэлектрическую проницаемость, порядка 9,6 и низкий коэффициент теплопроводности, порядка 40 Вт/м×°К.
Это обеспечивает.
Во-первых, благодаря первому - уменьшение паразитной емкости внешней и соответствующей ей внутренней «земляных» металлизированных контактных площадок и, как следствие, - значительное повышение верхней рабочей частоты, до 40 ГГц.
Во-вторых, благодаря второму - значительное уменьшение теплового сопротивления и, как следствие, - значительное улучшение эффективности отвода тепла от изделия СВЧ.
В-третьих, благодаря выполнению основания и крышка корпуса из одного материала - материала алмаз и соответственно имеющих один температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и тем самым - максимальную согласованность элементов корпуса (самосогласованный корпус) и, как следствие, -
а) повышение надежности, последнее особенно важно при работе в режиме высоких уровней выходной мощности СВЧ, при которых, как известно, возрастают тепловые нагрузки на элементы изделия СВЧ, могущие привести к выходу его из строя,
б) расширение функциональных возможностей, благодаря обеспечения возможности использования корпуса для изделий СВЧ различных уровней выходной мощности СВЧ (маломощные, средней и мощные),
в) снижение потерь СВЧ.
Выполнение основания, металлического ободка, внешней и соответствующей ей внутренней «земляных» металлизированных контактных площадок, внешних и соответствующих им внутренних выводов, сквозных металлизированных отверстий в виде единой монолитной планарной платы обеспечивает исключение одного из герметичных соединений корпуса - между основанием и металлическим ободком и, как следствие, -
во-первых, упрощение конструкции,
во-вторых, повышение надежности.
Выполнение металлического ободка по периметру единой монолитной планарной платы обеспечивает максимально и оптимально возможные внутренние площадь и объем корпуса СВЧ.
Выполнение металлического ободка, внешней и соответствующей ей внутренней «земляных» металлизированных контактных площадок, внешних и соответствующих им внутренних выводов, сквозных металлизированных отверстий в виде многослойного металлизационного покрытия с высокой электропроводностью обеспечивает сохранение электрорадиоэкранирующих характеристик.
Выполнение крышки объемной формы, по внутренней поверхности которой выполнено многослойное металлизационное покрытие с высокой электропроводностью обеспечивает:
во-первых, максимально и оптимально возможные внутренние площадь и объем корпуса СВЧ,
во-вторых, возможность герметичного соединения с основанием корпуса.
Соединение попарно между собой каждой внешней и соответствующей ей каждой внутренней «земляных» металлизированных контактных площадок, каждых внешних и соответствующих им каждых внутренних выводов посредством только сквозных металлизированных отверстий обеспечивает полное исключение соединительных проводников и тем самым значительное снижение паразитных индуктивностей и в совокупности с низкой паразитной индуктивностью сквозных металлизированных отверстий и, как следствие, - дополнительно к названному выше повышение верхней границы рабочей частоты.
Более того совокупность всех заявленных признаков обеспечивает уменьшение потерь выходной мощности СВЧ и уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения.
Итак, совокупность существенных признаков заявленного корпуса СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ в полной мере обеспечивает заявленный технический результат, а именно - повышение рабочей частоты до 40 ГГц, снижение потерь СВЧ, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), улучшение отвода тепла, упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональных возможностей при сохранении электрорадиоэкранирующих характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 (а, б, в) дан общий вид заявленного корпуса СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ - в разрезе (а), внутренняя сторона (б), внешняя сторона (в), где
- основание - 1,
- крышка - 2,
- металлический ободок - 3,
- по меньшей мере, три сквозные металлизированные отверстия - 4, 5, 6 соответственно,
- по меньшей мере, одна внешняя - 7 и соответствующая ей, по меньшей мере, одна внутренняя - 8 «земляные» металлизированные контактные площадки,
- по меньшей мере, три внешние - 9, 10, 11 и соответствующие им, по меньшей мере, три внутренние выводы - 12, 13, 14 соответственно,
- единая монолитная планарная плата - 15,
- многослойное металлизационное покрытие - 16,
- многослойное металлизационное покрытие крышки - 17.
На фиг. 2 и 3 даны частные случаи его выполнения для изделий полупроводниковой электронной техники СВЧ - Транзистор полевой 3П976 КРПГ.432152.024, Модуль СВЧ усилитель малошумящий М4221317 КРПГ.434815.335 соответственно.
Примеры конкретного выполнения заявленного корпуса СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ.
Пример 1. Выполнен образец корпуса СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ - Диод КРПГ.432136.006 кристалл прямоугольной формы, размер 0,6×0,5 мм, один вывод СВЧ (Фиг. 1).
Корпус СВЧ содержит:
основание 1, крышку 2, герметично соединенные посредством металлического ободка 3.
При этом форма и размер корпуса СВЧ (основание и крышка) определяется формой и размером кристалла - Диод КРПГ.432136.006, кристалл прямоугольной формы, размер 0,6×0,5 мм, один вывод СВЧ.
Выполнение.
Основание 1 и крышка 2 выполнены из материала алмаз, представляющего собой поликристаллическую алмазную пленку, выращенную методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), толщиной 150 мкм, прямоугольной формы, размером 2,0×1,5 мм.
При этом крышка выполнена объемной формы, высотой не менее высоты упомянутого кристалла - Диод КРПГ.432136.006.
Основание 1, металлический ободок 3, внешняя 7 и соответствующая ей внутренняя 8 «земляные» металлизированные контактные площадки, внешние 9, 10, 11 и соответствующие им внутренние 12, 13, 14 выводы, сквозные металлизированные отверстия 4, 5, 6 выполнены в виде единой монолитной планарной платы 15.
При этом.
В центральной части внешней и внутренней сторон основания 1 выполнены внешняя 7 и соответствующая ей внутренняя 8 «земляные» металлизированные контактные площадки, попарно соединенные между собой электрически, для расположения кристалла - Диод КРПГ.432136.006 кристалл прямоугольной формы, размер 0,6×0,5 мм, один вывод СВЧ.
По периферии внешней и внутренней сторон основания 1 вне внешней 7 и соответствующей ей внутренней 8 «земляных» металлизированных контактных площадок выполнены три внешние 9, 10, 11 и соответствующие им три внутренние 12, 13, 14 выводы, попарно соединенные между собой электрически, при этом каждые три вывода представляют собой, отрезок копланарной линии передачи, заземленные проводники которого соединены с внешней 7 и соответствующей ей внутренней 8 «земляными» металлизированными контактными площадками и металлическим ободком 3.
Металлический ободок 3 выполнен по периметру единой монолитной планарной платы 15.
Металлический ободок 3, внешняя 7 и соответствующая ей внутренняя 8 «земляные» металлизированные контактные площадки, внешние 9, 10, 11 и соответствующие им внутренние 12, 13, 14 выводы, сквозные металлизированные отверстия 4, 5, 6 выполнены в виде многослойного металлизационного покрытия 16 с высокой электропроводностью, титан (ТУ-48-4282-86) - никель (НПОЭВи ГОСТ 2170-73) - золото, нанесенные методом вакуумного напыления (УРМ 3279), с последующим осаждением слоя золота - методом гальванического осаждения согласно РД 11054272-81, общей толщиной 2 мкм.
Внешняя 7 и соответствующая ей внутренняя 8 «земляные» металлизированные контактные площадки, каждые внешние 9, 10, 11 и соответствующие им каждые внутренние 12, 13, 14 выводы попарно соединены между собой посредством сквозных металлизированных отверстий 4, 5, 6.
Основание 1 и крышка 2 соединены посредством металлического ободка 3 единой монолитной планарной платы 15 методом пайки сплавом золото-олово (ПЗлО80 ТУ 1868-385-057853-2024 2015).
При этом единая монолитная планарная плата 15 и крышка 2 выполнены по традиционной групповой технологии изготовления интегральных схем СВЧ и технологии глубокого плазмохимического травления.
Пример 2-3.
Корпус СВЧ выполнен аналогично примеру 1, но для изделий полупроводниковой электронной техники СВЧ:
Транзистор полевой 3П976 КРПГ.432152.024, кристалл прямоугольной формы, размер 1,2×0,6 мм, три вывода СВЧ (фиг. 2),
Модуль СВЧ усилитель малошумящий М4221317 КРПГ.434815.335 кристалл квадратной формы, размер 1,4×1,4 мм, шестнадцать выводов СВЧ (фиг. 3).
Изготовленные образцы корпуса СВЧ.
1. Прошли испытания на предмет надежности.
Оценку надежности проводили методом термоциклирования при определенном режиме согласно ОСТ 11332.702-89.
2. Измерены:
а) потери СВЧ, дБ и коэффициент стоячей волны (КСВН) в диапазоне рабочих частот до 40 ГГц,
б) коэффициент теплопроводности, Вт/м×°К.
Образцы заявленного корпуса СВЧ.
1. Успешно прошли испытания на надежность - полное сохранение целостности после термоциклирования.
2. Имеют:
потери СВЧ порядка 0,5 дБ и коэффициент стоячей волны (КСВН) порядка 1,5 в диапазоне рабочих частот до 40 ГГц
коэффициент теплопроводность порядка 1000 Вт/м×°К.
Таким образом, заявленный корпус СВЧ для изделия полупроводниковой электронной техники СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
повышение рабочей частоты до 40 ГГц (прототип - до 17 ГГц),
улучшение отвода тепла более чем в 10 раз,
упрощение конструкции,
повышение надежности более чем в 3 раза,
расширение функциональных возможностей - обеспечение возможности использования корпуса СВЧ для изделий полупроводниковой электронной техники СВЧ всех уровней выходной мощности СВЧ (маломощные, средней и мощные), последнее особенно актуально.