ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ
INTEGRATED MICROWAVE CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике, а именно интегральным схемам СВЧ, и может быть широко использовано в электронной технике СВЧ, в частности в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками (ФАР).
Основными характеристиками интегральной схемы СВЧ и особенно в последнем случае ее применения являются выходная мощность и массогабаритные характеристики.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены пассивные элементы, в том числе шунтирующие - конденсаторы и резисторы, копланарные линии передачи, а также расположены навесные активные элементы - бескорпусные транзисторы и диоды, соединенные с диэлектрической подложкой проволочными выводами [1].
Диэлектрическая подложка лицевой стороной соединена с обратной металлизированной стороной диэлектрической рамки, на лицевой стороне которой расположены микрополосковые линии передачи. Микрополосковые линии передачи диэлектрической рамки и копланарные линии передачи диэлектрической подложки соединены между собой проволочными соединениями. Диэлектрическая рамка с диэлектрической подложкой установлена на металлическое основание, лицевая сторона диэлектрической рамки закрыта диэлектрической крышкой.
Данная интегральная схема СВЧ обеспечивает в силу наличия копланарной линии передачи включение пассивных элементов, в том числе и шунтирующих без проволочных соединений и тем самым сокращение частично, но не полностью числа и соответственно длины проволочных соединений, и тем самым уменьшение разброса электрических характеристик и, как следствие, повышение их воспроизводимости и повышение надежности интегральной схемы СВЧ.
Однако, с другой стороны, наличие диэлектрической рамки с центральным отверстием и микрополосковыми линиями передачи, расположенными на ней,
во-первых, усложняет конструкцию интегральной схемы,
во-вторых, поскольку даже при оптимальном расположении активных и шунтирующих элементов по периферии упомянутого отверстия число и длина соединительных проволочек достаточно велики, это приводит к большому разбросу электрических характеристик.
И как следствие этого - низкая воспроизводимость, снижение надежности и высокие массогабаритные характеристики интегральной схемы СВЧ.
Кроме того, в данной интегральной схеме СВЧ не обеспечивается хороший отвод тепла.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку с размещенными на одной ее стороне когатанарными линиями передачи, пассивными и активными элементами, установленную на металлическом основании и выводы [2].
В которой с целью улучшения электрических характеристик диэлектрическая подложка расположена на металлическом основании стороной, содержащей копланарные линии передачи.
Расположение диэлектрической подложки на металлическом основании стороной содержащей копланарные линии передачи позволило по сравнению с первым аналогом исключить из интегральной схемы диэлектрическую рамку с центральным отверстием и диэлектрическую крышку и тем самым исключить микрополосковые линии передачи и соответственно их проволочные соединения с копланарными линиями передачи, и тем самым еще более уменьшить число и соответственно длину проволочных соединений, и тем самым уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие - повышение их воспроизводимости и повышение надежности, и уменьшение массогабаритных характеристик интегральной схемы СВЧ.
Однако, с другой стороны, поскольку отвод тепла идет в основном за счет периферийной части металлического основания и вдоль диэлектрической подложки, это приводит к повышенному тепловому сопротивлению и соответственно ухудшению отвода тепла от активных элементов и, как следствие - ухудшение электрических характеристик и снижение надежности интегральной схемы СВЧ.
Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены пассивные элементы, в том числе шунтирующие - конденсаторы и резисторы, копланарные линии передачи и выводы и установлены активные элементы [3].
Диэлектрическая подложка расположена лицевой стороной на металлическом основании, в котором выполнена выемка.
-6
В данной интегральной схеме с целью улучшения электрических характеристик за счет улучшения отвода тепла и повышения их воспроизводимости за счет исключения проволочных соединений, и повышения надежности, как за счет первого, так и второго, активные элементы установлены на диэлектрическую подложку лицевой стороной. На лицевой стороне диэлектрической подложки в местах соединения шунтирующих элементов и в местах отвода тепла от активных элементов выполнены металлические столбы сечением и высотой (40-50)×10 м, посредством которых диэлектрическая подложка установлена лицевой стороной на металлическое основание, а выемка в металлическом основании выполнена только под активными элементами.
Наличие и указанное расположение упомянутых металлических столбов позволило:
во-первых, практически полностью исключить проволочные соединения и тем самым максимально уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие - повысить их воспроизводимость и повысить надежность интегральной схемы СВЧ,
во-вторых, отвести тепло от активных элементов кратчайшим путем и тем самым улучшить отвод тепла и, как следствие - улучшить электрические характеристики и повысить надежность интегральной схемы СВЧ.
Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками нашла широкое применение в усилителях и генераторах СВЧ и различных преобразовательных схемах СВЧ.
Однако ее использование в ряде случаев затруднительно, например, где требуется одновременно:
во-первых, максимально возможный отвод тепла,
во-вторых, минимально возможные массогабаритные характеристики.
Например, в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых входит множество (порядка тысячи) идентичных элементов - изделий.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение электрических характеристик, повышение надежности и уменьшение массогабаритных характеристик интегральной схемы СВЧ.
Указанный технический результат достигается заявленной интегральной схемой СВЧ, содержащей диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы, либо пассивные элементы, линии передачи, выводы, активные элементы, при этом элементы соединены электрически, интегральная схема заземлена.
-6
В которой диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной равной (100-200)×10 м, которая имеет металлизационное покрытие, при этом металлизационное покрытие выполнено в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах, и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, при этом упомянутые слои выполнены одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя, а заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия.
Интегральная схема СВЧ может быть выполнена в виде платы с пассивными элементами, например, в виде мощного резистора, либо в виде индуктивности, либо в виде гибридной, либо монолитной интегральной схемы, например усилителя мощности СВЧ либо усилителя мощности СВЧ с модулятором либо различной преобразовательной схемы СВЧ.
Линии передачи могут быть выполнены в виде копланарной, либо в виде микрополосковой, либо в виде щелевой линий.
Активный элемент выполнен, например, в виде диода, либо полевого транзистора с барьером Шотки, либо интегральной схемы.
Диэлектрическая подложка может быть выполнена из природного алмаза либо искусственного поликристаллического CVD алмаза.
Сплошной слой на обратной и торцевых сторонах и локальный слой на лицевой стороне металлизационного покрытия упомянутой диэлектрической подложки выполнен в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, например никель-золото, либо титан-молибден-никель-золото, либо титан-вольфрам-никель-золото с адгезионным подслоем.
Локальное расположение слоя металлизационного покрытия на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки определяется топологией интегральной схемы СВЧ.
Глубину скин-слоя определяют из выражения:
-1/2
Δ=(π×f×µ×σ), где
-6
Δ - глубина скин-слоя, 10×м,
π - постоянное число, равное 3,14…,
f - рабочая частота интегральной схемы СВЧ, МГц,
µ - относительная магнитная проницаемость,
-6
σ - удельная проводимость, 10×См/м.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленной интегральной схемы СВЧ обеспечивает, а именно:
Выполнение диэлектрической подложки из алмаза благодаря тому, что алмаз как природный алмаз, так и искусственный поликристаллический CVD алмаз (далее просто алмаз):
а) обладает лучшей теплопроводностью среди иных известных на сегодня материалов, так теплопроводность алмаза в четыре раза лучше теплопроводности меди,
б) является на сегодня лучшим диэлектрическим материалом.
Именно это сочетание указанных свойств алмаза обеспечивает диэлектрической подложке, выполненной из алмаза указанной толщины и в совокупности с наличием на этой диэлектрической подложке указанного металлизационного покрытия и выполненного указанным образом, возможность выполнения - осуществления данной диэлектрической подложкой одновременно трех функций:
Первой - функции теплоотвода и при этом при значительном улучшении отвода тепла и, как следствие - значительное улучшение электрических характеристик интегральной схемы СВЧ.
Второй - функции металлического основания, и тем самым обеспечивается возможность полного исключения его (металлического основания) из конструкции интегральной схемы СВЧ и как следствие - значительное уменьшение массогабаритных характеристик примерно в 10 раз, поскольку удельный вес алмаза в три раза меньше удельного веса меди - материала классического металлического основания интегральной схемы СВЧ, а толщина металлического основания меньше, чем у прототипа в четыре раза.
Третьей - функции заземляющего элемента интегральной схемы СВЧ, и тем самым обеспечивается исключение из ее конструкции как заземляющих металлизационных отверстий, так и проволочных соединений, обеспечивающих это заземление, и, как следствие - повышение воспроизводимости электрических характеристик и повышение надежности интегральной схемы СВЧ.
Выполнение металлизационного покрытия в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, при этом одинаковой толщины, равной не менее трех и не более семи глубин скин-слоя, обеспечивает:
во-первых, как сказано выше, заземление интегральной схемы СВЧ и при этом технологичное и качественное и соответственно надежное и, как следствие - повышение надежности интегральной схемы СВЧ,
во-вторых, оптимизацию электрических характеристик в зависимости от рабочей частоты и, как следствие - улучшение электрических характеристик интегральной схемы СВЧ.
-6
-6
Выполнение диэлектрической подложки из алмаза толщиной менее 100×10 м нежелательно, так как диэлектрическая подложка теряет требуемую механическую прочность, а более 200×10 м - неоправданно увеличиваются массогабаритные характеристики и ухудшаются электрические характеристики интегральной схемы СВЧ.
Выполнение металлизационного покрытия толщиной менее трех глубин скин-слоя недопустимо, так как значительно возрастают потери СВЧ, а более семи глубин скин-слоя нежелательно из-за неоправданного увеличения: во-первых, расхода драгметаллов и, во-вторых, массогабаритных характеристик.
Итак, заявленная интегральная схема СВЧ в полной мере обеспечивает заявленный технический результат, а именно улучшение электрических характеристик, повышение надежности и уменьшение массогабаритных характеристик.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1(а-б) дана топология заявленной гибридной интегральной схемы (частных случаев ее выполнения), например усилителя мощности СВЧ (фиг.1а) и мощного переключателя СВЧ (фиг.1б), выполненных в гибридном-интегральном исполнении, где
- диэлектрическая подложка - 1,
- пассивные элементы - 2,
- линии передачи - 3,
- выводы - 4,
- активные элементы - 5,
- металлизационное покрытие диэлектрической подложки - 6 в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах, и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки.
На фиг.2(а-б) дана их электрическая схема соответственно. На фиг.3(а-б) дана зависимость:
а) от рабочей частоты выходной мощности (фиг.3а, кривая 1) и коэффициента усиления (фиг.3а, кривая 2) усилителя мощности СВЧ,
б) от рабочей частоты величины прямых (фиг.3б, кривая 1) и обратных потерь (фиг.3б, кривая 2) мощного переключателя СВЧ.
Примеры конкретного выполнения заявленной интегральной схемы СВЧ (частных случаев ее выполнения):
а) Усилитель мощности СВЧ.
-6
Усилитель мощности СВЧ выполнен в гибридном-интегральном исполнении на диэлектрической подложке 1 из поликристаллического алмаза CVD толщиной, равной 150×10 м.
При этом упомянутую диэлектрическую подложку предварительно металлизируют.
Металлизационное покрытие 6 диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах диэлектрической подложи, и локального слоя - на лицевой ее стороне в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем, в виде слоя кремния, облученного ускоренными ионами посредством метода ионной имплантации.
При этом локальное расположение слоя металлизационного покрытия на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки определяют и формируют при формировании топологии интегральной схемы СВЧ.
На лицевой стороне диэлектрической подложке 1 выполнены с использованием классической тонкопленочной технологии пассивные элементы 2 (конденсаторы: блокировочные Сбл., развязывающие Ср., согласующие Сс), линии передачи L 3, например микрополосковые линии с разными волновыми сопротивлениями, равными 30-100 Ом, выводы 4. Установлены навесные активные элементы 5 - мощные полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ) Т КРПГ.432151.009 ТУ посредством поверхностного монтажа.
При этом все элементы интегральной схемы соединены электрически.
При этом интегральная схема заземлена посредством металлизиционного покрытия 6.
в) Аналогично выполнен мощный переключатель СВЧ.
Заявленная интегральная схема СВЧ работает следующим образом (частные случаи ее выполнения):
а) Усилитель мощности СВЧ.
Усилитель мощности СВЧ выполнен, как указано выше, на основе мощных полевых транзисторов с барьером Шотки по схеме с общим истоком.
Усилитель мощности СВЧ содержит два каскада усиления.
Схема содержит цепи согласования по входу, между каскадами и по выходу. Согласование осуществляется с помощью согласующих конденсаторов Сс и отрезков микрополосковой линии передачи L. Для развязки между каскадами по постоянному току используются развязывающие конденсаторы Ср. Для блокировки источников питания используются блокировочные конденсаторы Сбл.
Усилитель мощности СВЧ питается от двух источников питания. Один положительной полярности питает цепь стока, второй отрицательной полярности обеспечивает необходимое напряжение смещения на затворах полевых транзисторов с барьером Шотки.
При подаче на вход усилителя мощности СВЧ входной мощности на выходе получается усиленный сигнал СВЧ в диапазоне частот 9-10 ГГц.
б) Мощный переключатель СВЧ.
Мощный переключатель СВЧ представляет собой транзисторную схему на переключаемых полевых транзисторах с барьером Шотки.
Переключатель СВЧ работает в дискретном режиме в зависимости от управляющего напряжения (0 или -5) В, поданного на его управляющие контакты U1 и U2.
При подаче на электроды затворов полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, полевые транзисторы с барьером Шотки становятся открытыми, а при подаче на электроды затворов полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -5 В, полевые транзисторы с барьером Шотки становятся закрытыми.
Управляющее напряжение на электроды затворов полевых транзисторов с барьером Шотки подается в противофазе и всегда одна пара полевых транзисторов с барьером Шотки закрыта, а другая открыта.
При подаче на управляющие контакты переключателя СВЧ U1 и U2 дискретных управляющих напряжений (0 и -5 В) переключатель соединяет вход СВЧ с выходом СВЧ 1 и, наоборот, при подаче на управляющие контакты переключателя U1 и U2 дискретных управляющих напряжений (-5 В и 0) переключатель СВЧ соединяет вход СВЧ с выходом СВЧ 2.
На образцах заявленной интегральной схемы СВЧ усилителя мощности СВЧ и мощного переключателя СВЧ были:
Измерены:
- зависимости от рабочей частоты выходной мощности (фиг.3а, кривая 1) и коэффициента усиления (фиг.3а, кривая 2),
- зависимости от рабочей частоты величины прямых (фиг.3б, кривая 1) и обратных потерь СВЧ (фиг.3б, кривая 2).
Рассчитана надежность согласно методики ЭТ-361 по формуле:
, где
осн.н
Т - температура номинального режима,
осн.ф
Т - температура форсированного режима.
Данные представлены на фиг.3(а-б) и в таблице.
Из представленных зависимостей на фиг.3(а-б) и таблицы видно,
что:
- выходная мощность и коэффициент усиления в рабочей полосе частот имеют резонансный характер и равны примерно (0,5-1) Вт и (12-15) дБ соответственно,
- величина прямых потерь в рабочей полосе частот также имеет резонансный характер и равна примерно (2-1) дБ,
- величина обратных потерь в рабочей полосе частот уменьшается с повышением частоты и равна (23,4-21) дБ.
Из таблицы видно, что указанные выше достаточно высокие электрические характеристики как усилителя мощности СВЧ, так и мощного переключателя СВЧ имеют образцы интегральной схемы СВЧ, выполненные в пределах конструкционных параметров, указанных в формуле изобретения (примеры 1-3 и 7-9).
В отличие от образцов как интегральной схемы СВЧ (примеры 4-5 и 10-11), в которых конструкционные параметры выходят за пределы, указанные в формуле изобретения, так и прототипа (примеры 6, 12).
Таким образом, заявленная интегральная схема СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
во-первых, улучшить электрические характеристики, а именно:
- повысить выходную мощность примерно на 30 процентов,
- увеличить коэффициент усиления примерно на 1 дБ,
-уменьшить прямые потери примерно на 1 дБ,
- увеличить обратные потери примерно на 2 дБ
во-вторых, повысить надежность примерно на 30 процентов;
в-третьих, значительно уменьшить массогабаритные характеристики
примерно в 10 раз.
Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками, высокой надежностью и малыми массогабаритными характеристиками особенно востребуема в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых, как указано выше, входит множество (порядка тысячи) идентичных элементов - изделий.
Источники информации
1. Патент РФ №2067362, МКИ H05K 1/18, приоритет 26.05.83, опубл. 27.09.96 г.
2. Патент РФ №2076473, МПК H05K 1/00, приоритет 25.07.1994 г, опубл. 27.03.1997 г., бюл. №9.
3. Патент РФ №2258330, МПК H05K 3/10, приоритет 01.08.2003 г, опубл. 10.08.2005 г., бюл. №22 - прототип.