Мощная гибридная интегральная схема свч диапазона

 

Использование: изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и электронной технике, а более точно - к гибридным интегральным схемам СВЧ диапазона и может быть использовано в твердотельных модулях повышенного уровня СВЧ мощности, в частности, в усилителях СВЧ. Сущность изобретения: в мощной гибридной интегральной схеме СВЧ диапазона, содержащей бескорпусные полупроводниковые приборы 5 с контактными площадками, диэлектрическую плату 1 с отверстиями 3 и топологическим рисунком на ее лицевой стороне и экранной металлизацией 2 на противолежащей стороне, металлическое основание 4 с выступами 6, прилегающими к экранной металлизации 2 диэлектрической платы 1 и проходящими сквозь ее отверстия 3, причем бескорпусные полупроводниковые приборы 5 установлены на выступах 6 основания 4 таким образом, что их поверхность с контактными площадками расположена на одном уровне с лицевой стороной диэлектрической платы 1, причем часть контактных площадок соединена с топологическим рисунком металлизации, а часть соединена с выступами 6 основания 4, причем металлическое основание 4 выполнено с отверстиями 3 в местах расположения его выступов 6, а выступы 6 представляют собой вставки, жестко закрепленные в указанных отверстиях 3 и выполненные из материала, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала металлического основания 4. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей модульных СВЧ устройств повышенного уровня мощности, повышение эксплуатационной надежности гибридных интегральных схем СВЧ диапазона в достаточно широком диапазоне температур, уменьшение габаритных размеров схем. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и электронной технике, а более точно - к гибридным интегральным схемам СВЧ диапазона. Изобретение может быть использовано в твердотельных модулях повышенного уровня СВЧ мощности, в частности в усилителях СВЧ.

Предшествующий уровень техники Известна гибридная интегральная схема, содержащая многослойную печатную плату с плоским гибким изолирующим слоем, на котором выполнены ряд проводящих контактов для соединения с выходами модульных элементов схемы или их держателями. Соединения между контактами обеспечивают проводящие перемычки, расположенные в одной или нескольких плоскостях внутри многослойной печатной платы в местах установки модулей или держателей компонентов схемы.

В гибком изолирующем слое многослойной печатной платы выполнены отверстия. Отдельный жесткий металлический элемент служит для отвода тепла от модульных элементов схемы. Его накладывают на плату таким образом, что выполненные в нем металлические выступы входят в указанные отверстия и соприкасаются с модульными элементами схемы или держателями элементов схемы. Дополнительно к этому на верхнюю часть элементов схемы можно наложить еще один или несколько жестких металлических элементов, также изготовленных из теплопроводящего материала. Для обеспечения контакта выступа с элементами схемы используют зажимные скобы. Гибкость многослойной печатной платы предотвращает концентрацию механических напряжений, которые обусловлены различием коэффициентов теплового расширения ее многослойной структуры и элементов схемы с держателями. Многослойная печатная плата может изгибаться между модульными элементами схемы или держателями, что улучшает контакт металлических выступов основания с модульными элементами схемы и сводит к минимуму опасность отрыва модульных элементов схемы или их держателей от поверхности многослойной печатной платы [пат. Великобритании N 2129223, кл. H 05 K 1/18, 1984].

Недостатком данной конструкции является сложность использования в качестве модульных элементов схемы бескорпусных полупроводниковых приборов, например транзисторов, в виде кристаллов, неудовлетворительные массогабаритные и электрические характеристики в части получения необходимого уровня выходной мощности.

Наиболее близким техническим решением является мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона, содержащая бескорпусные полупроводниковые приборы с контактными площадками, диэлектрическую плату с отверстиями и топологическим рисунком на ее лицевой стороне, и экранной металлизацией на противолежащей стороне, металлическое основание с выступами, прилегающими к экранной металлизации диэлектрической платы и проходящими сквозь ее отверстия, причем полупроводниковые приборы установлены на выступах основания таким образом, что их поверхность с контактными площадками расположена на одном уровне с лицевой стороной диэлектрической платы, причем часть контактных площадок соединена с топологическим рисунком металлизации, а часть соединена с выступами основания [Журнал "Электронная техника", cep.1 "СВЧ-техника", вып. 1(467), 1996 г.]. Металлическое основание в этом случае изготавливается из псевдосплавов медь-молибден для получения относительно согласованных по термическому коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) спаев: диэлектрическая плата - металлическое основание.

Однако представленная конструкция не может быть применена при создании малогабаритных модулей повышенного уровня СВЧ мощности, т.к. не обеспечивается в должной степени отвод тепла от бескорпусных полупроводниковых приборов и одновременно не обеспечивается надежный контакт выступов с экранной металлизацией диэлектрической платы.

Раскрытие изобретения В основу настоящего изобретения поставлена задача создания конструкции мощной гибридной интегральной схемы СВЧ диапазона, которая позволит: существенно расширить функциональные возможности модульных СВЧ устройств повышенного уровня мощности за счет возможности концентрации тепловыделяющих бескорпусных полупроводниковых приборов на единице площади схемы с одновременным увеличением площади диэлектрической платы для расположения согласующих СВЧ цепей; повысить эксплуатационную надежность гибридных интегральных схем СВЧ диапазона в достаточно широком диапазоне температур за счет улучшения теплоотвода от тепловыделяющих бескорпусных полупроводниковых приборов схемы и использования согласованных по ТКЛР соединений диэлектрическая плата - металлическое основание; уменьшить габаритные размеры гибридных интегральных схем СВЧ диапазона повышенного уровня мощности за счет возможности расположения топологического рисунка и тепловыделяющих бескорпусных полупроводниковых приборов на одной диэлектрической плате размером до 48 х 60 мм.

Поставленная задача решается за счет того, что в известной мощной гибридной интегральной схеме СВЧ диапазона, содержащей бескорпусные полупроводниковые приборы с контактными площадками, диэлектрическую плату с отверстиями и топологическим рисунком на ее лицевой стороне, и экранной металлизацией на противолежащей стороне, металлическое основание с выступами, прилегающими к экранной металлизации диэлектрической платы и проходящими сквозь ее отверстия, причем бескорпусные полупроводниковые приборы установлены на выступах основания таким образом, что их поверхность с контактными площадками расположена на одном уровне с лицевой стороной диэлектрической платы, причем часть контактных площадок соединена с топологическим рисунком металлизации, а часть соединена с выступами основания, металлическое основание выполнено с отверстиями в местах расположения его выступов, которые представляют собой вставки, жестко закрепленные в указанных отверстиях и выполненные из материала, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала металлического основания.

При этом площадь сечения вставки в области ее крепления в отверстии металлического основания превышает не менее, чем в 8 раз, площадь прилегающей к ней поверхности полупроводниковых приборов.

Кроме того, площадь прилегания вставки к поверхности экранной металлизации диэлектрической платы не превышает 1/6 ее площади.

Металлическое основание выполнено из материала с термическим коэффициентом линейного расширения. близким к термическому коэффициенту линейного расширения диэлектрической платы.

Краткое описание чертежей На фиг.1 изображена конструкция двухкаскадного усилителя в разрезе согласно заявленному изобретению.

На фиг. 2 изображен вид сверху, со стороны топологического рисунка диэлектрической платы.

Конструктивно такой усилитель состоит из диэлектрической платы 1 с топологическим рисунком 2 на ее лицевой стороне и экранной металлизации на противолежащей стороне с отверстиями 3, металлического основания 4, бескорпусных полупроводниковых приборов 5, расположенных на выступах, выполненных в виде вставок 6. Конструкция металлического основания представляет собой пластину, изготовленную из материала с ТКЛР, близким по значению ТКЛР диэлектрической платы, с отверстиями, в которые вмонтированы (впаяны, впрессованы и т.д.) выступы под тепловыделяющие бескорпусные полупроводниковые приборы, выполненные в виде вставок из материала со значением коэффициента теплопроводности, превышающим значение коэффициента теплопроводности металлического основания (например, из меди).

К усилителям СВЧ мощности в такой аппаратуре предъявляются жесткие требования к стабильности электрических характеристик (выходная мощность, фаза сигнала на выходе) во времени в зависимости от окружающей температуры (-10^oC ~ +55^oC), а также от уровня выходной мощности. Важнейшим эксплуатационным параметром таких усилителей является также и минимальная или средняя наработка на отказ.

Заявляемая конструкция усилителя обеспечивает получение практически тех же эксплуатационных и электрических характеристик, что и конструкция усилителя с полностью медным основанием.

Лучший вариант осуществления изобретения Наиболее удачным примером технической реализации изобретения может служить усилитель СВЧ мощности, в котором складываются мощности 15-ти четырехваттных бескорпусных полупроводниковых приборов в виде кристаллов GaAs транзисторов. Схема такого усилителя выполнена на керамической (поликоровой) подложке размером 60х48х0.5 мм, размер каждого кристалла 2.5 х 1.5 мм. Конструкция такого усилителя аналогична изображенному на фиг. 1, 2.

С точки зрения согласования по ТКЛР паяного соединения диэлектрическая плата - металлическое основание в качестве материала металлического основания целесообразно использовать металл с ТКЛР, максимально близким по значению к ТКЛР диэлектрической платы, например, если в качестве диэлектрической платы используется поликор, то в качестве металла основания наилучшим решением является использование сплава типа ковар.

В большинстве случаев для мощных гибридных интегральных схем СВЧ диапазона в качестве металла основания используют псевдосплавы системы медь - молибден, в зависимости от предъявляемых к схеме требований. По теплопроводности сплавы системы медь - молибден уступают меди, но значительно превосходят ковар, в то же время по степени согласования ТКЛР эти сплавы превосходят медь, но значительно уступают ковару. В связи с этим использование таких сплавов в качестве материала основания имеет свои ограничения как по уровню мощности рассеяния, так и по максимально возможным габаритам СВЧ интегральных схем.

Использование в качестве материала оснований, например, ковара, предварительно вмонтировав в него в места установки тепловыделяющих элементов специальные вставки (выступы), например, из меди, позволяет существенно улучшить теплоотвод с единицы площади выступов и значительно расширить пределы габаритных размеров интегральных схем повышенного уровня СВЧ мощности. При этом практически установлено, что площадь сечения теплоотводящей вставки в области ее крепления в отверстии металлического основания должна превышать площадь прилегающей к ней поверхности монтируемых тепловыделяющих бескорпусных полупроводниковых приборов не менее, чем в 8 раз, в противном случае возможен перегрев тепловыделяющих элементов в процессе эксплуатации интегральной схемы (особенно при повышенных температурах) и выход ее из строя.

С другой стороны, проведенные исследования показали, что площадь прилегания вставки к поверхности диэлектрической платы не должна превышать 1/6 ее площади, т. к. в противном случае в местах прилегания вставок к поверхности диэлектрической платы возникают сдвиговые напряжения за счет различия в значениях ТКЛР платы и материала вставок, которые приводят к разрушению соединения, особенно при повышенных и пониженных температурах.

Промышленная применимость Конструкция мощных гибридных интегральных схем СВЧ диапазона с оптимальными соотношениями площадей теплоотводящие вставки - тепловыделяющие бескорпусные полупроводниковые приборы и диэлектрическая плата - металлическое основание - теплоотводящие вставки практически реализованы при создании усилителей СВЧ мощности для радиорелейных линий связи, в авиации и показали высокую эксплуатационную надежность в процессе испытаний на долговечность при жестких климатических и механических воздействиях.

Формула изобретения

1. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона, содержащая бескорпусные полупроводниковые приборы 5 с контактными площадками, диэлектрическую плату 1 с отверстиями 3 и топологическим рисунком на ее лицевой стороне и экранной металлизацией 2 на противолежащей стороне, металлическое основание 4 с выступами 6, прилегающими к экранной металлизации 2 диэлектрической платы 1 и проходящими сквозь ее отверстия 3, причем полупроводниковые приборы 5 установлены на выступах 6 основания 4 таким образом, что их поверхность с контактными площадками расположена на одном уровне с лицевой стороной диэлектрической платы 1, причем часть контактных площадок соединена с топологическим рисунком металлизации, а часть соединена с выступами 6 основания 4, отличающаяся тем, что металлическое основание 4 выполнено с отверстиями 3 в местах расположения его выступов 6, а выступы 6 представляют собой вставки, жестко закрепленные в указанных отверстиях 3 и выполненные из материала, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала металлического основания 4.

2. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона по п.1, отличающаяся тем, что площадь сечения вставки в области ее крепления в отверстии 3 металлического основания 4 не менее чем в 8 раз превышает площадь прилегающей к ней поверхности бескорпусных полупроводниковых приборов 5.

3. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что площадь прилегания вставки к поверхности экранной металлизации 2 диэлектрической платы 1 не превышает 1/6 ее площади.

4. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона по всем предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что металлическое основание 4 выполнено из материала с термическим коэффициентом линейного расширения, близким к термическому коэффициенту линейного расширения диэлектрической платы 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2