ГЕРМЕТИЧНЫЙ КОРПУС ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ СВЧ Российский патент 1994 года по МПК H05K5/06 H01P11/00 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при конструировании интегральных полупроводниковых и ферритовых приборов СВЧ.

Известен герметичный корпус для интегральных СВЧ-схем, содержащий металлическое основание, металлическую крышку и две керамические рамки, между которыми расположена металлизация, имеющая гантелеобразную форму. Основание крышки и две керамические рамки герметично соединены между собой [1] .

Недостатками известной конструкции корпуса являются сложность конструкции, обусловленная наличием двух керамических рамок, необходимостью точного совмещения этих рамок, большим числом спаиваемиых слоев, а также необходимость использования герметизирующей диэлектрической пасты и сравнительно большой уровень электромагнитных потерь, особенно в высокой части СВЧ-диапазона.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является герметичный корпус для интегральных СВЧ-схем, содержащий металлическое основание, металлическую крышку с отбортовкой и микрополосковые СВЧ-выводы, каждый из которых содержит прямоугольную диэлектрическую подложку, имеющую на одной из широких и на двух узких ее поверхностях сплошную металлизацию, а на другой широкой поверхности вдоль ее продольной оси расположен микрополосковый проводник, при этом диэлектрическая подложка расположена в прямоугольном сквозном вырезе, выполненном в отбортовке крышки, а сплошная металлизация подложки имеет гальваническую связь с металлическим основанием и со стенками выреза [2] .

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, обусловленная наличием в каждом микрополосковом СВЧ-выводе двух прямоугольных диэлектрических подложек, требующих точного совмещения и их расположения относительно микрополоскового проводника, точность расположения диэлектрических подложек необходима для обеспечения малого уровня коэффициента отражения СВЧ-выводов, большое число элементов, требующих пайки, и необходимость использования в выводах СВЧ герметизирующей диэлектрической пасты еще более усложняет конструкцию устройства, сравнительно большой уровень электромагнитных потерь, особенно в высокой части СВЧ-диапазона, обусловленный сильной концентрацией СВЧ-тока в сравнительно узком микрополосковом проводнике и сравнительно сильным излучением микрополосковой линии.

Цель изобретения - упрощение конструкции корпуса и снижение уровня электромагнитных потерь.

Цель достигается тем, что СВЧ-вывод герметичного корпуса для интегральной схемы СВЧ выполнен в виде микрополосковой линии передачи на прямоугольной диэлектрической подложке, микрополосковая линия передачи выполнена крестообразной формы в виде металлизированных участков прямоугольных расширений с образованием прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком шириной 0.7 W ≅ 0.8 и длиной F= , где λ_o - средняя длина рабочего диапазона волн в свободном пространстве, [м] , ε_д - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической подложки.

Сущность изобретения заключается в том, что в герметичном корпусе для интегральной схемы СВЧ, содержащем металлическое основание, металлическую крышку с отбортовкой, в прямоугольных сквозных вырезах которой установлены СВЧ-выводы в виде микрополосковой линии передачи на прямоугольной диэлектрической подложке, одна из сторон которой, противоположная размещению микрополосковой линии передачи и две ее торцовые поверхности, параллельные микрополосковой линии передачи и две ее торцовые поверхности, параллельные микрополосковой линии передачи, металлизированы и примыкают к соответствующим поверхностям металлического основания и вертикальным планкам прямоугольных сквозных вырезов отбортовки крышки, согласно изобретению, микрополосковая линия передачи выполнена крестообразной формы в виде металлизированных участков прямоугольных расширений, примыкающих к микрополосковой линии передачи и к двум металлизированным торцовым поверхностям подложки, расстояние между металлизированными торцовыми поверхностями диэлектрической подложки выбрано в пределах
_0.7W≅, а длина прямоугольного расширения F вдоль микрополосковой линии передачи выбрана в соответствии с выражением
, где λ_o - средняя длина рабочего диапазона волн в свободном пространстве; ε_д - диэлектрическая проницаемотсь материала диэлектрической подложки, при этом металлизированные участки прямоугольных расширений микрополосковой линии передачи электрически контактируют с горизонтальной планкой прямоугольных сквозных вырезов отбортовки крышки.

Кроме того, герметичный корпус для интегральной схемы СВЧ снабжен штырем, установленным в отверстии металлического основания с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, в диэлектрической подложке со стороны металлического основания по центру пересечения микрополосковой линии передачи и прямоугольного расширения выполнено глухое отверстие, соосное этому диаметру металлического штыря, не превышающему длину прямоугольного расширения F.

Упрощение конструкции обусловлено снижением более чем на порядок требований к конструктивному допуску на расположение элемента, сочленяемого с токонесущей металлизацией микрополоскового СВЧ-вывода (в предлагаемом устройстве таким элементом является крышка корпуса). Уменьшение уровня электромагнитных потерь обусловлено снижением плотности СВЧ-тока в центральной части токонесущей металлизации микрополоскового СВЧ-вывода из-за расширения ее центральной части и ликвидации паразитного излучения из средней части микрополоскосого проводника. Указанное соотношение для определения F выбрано из условия обеспечения высокого коэффициента трансформации волны квази-ТЕМ-типа, распространяющегося в несимметричной микрополосковой линии, в волну H₁₀, являющуюся основной волной, распространяющейся в прямоугольном микрополосковом расширении.

Одинаковый размер ширины диэлектрической подложки и ширины волновода, заполненного диэлектриком, гальваническая связь выреза в отбортовке с микрополосковым расширением позволяет упростить конструкцию корпуса и снизить уровень электромагнитных потерь. Первое обусловлено отсутствием необходимости введения герметизирующей диэлектрической пасты между отбортовкой крышки корпуса и поверхностью диэлектрической подложки вблизи центральной части токонесущей металлизации микрополоскового СВЧ-вывода, а второе - отсутствием излучения из центральной части микрополоскового СВЧ-вывода за счет полной ее экранировки.

Ширина диэлектрической подложки, равная ширине прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком W, выбирается из соотношения
0.7 W ≅ 0.8, взята из условия обеспечения работоспособности микрополосковых СВЧ-выводов на низшем типе волны (Н₁₀). В противном случае низкополосковые СВЧ-выводы имеют повышенный уровень электромагнитных потерь из-за возможного распространения паразитных типов волн (если W ограничена только со стороны малых величин, т. е.

W>0.7. или из-за запредельных свойств средней части металлизированной диэлектрической подложки (если W ограничена только со стороны больших величин, т. е.

,
Отверстие в диэлектрической подложке микроволнового СВЧ-вывода и металлический штырь, расположенный с возможностью перемещения вдоль оси отверстия, позволяют расширить рабочий диапазон длин волн герметичного корпуса по минимальному уровню электромагнитных потерь за счет уменьшения частотной дисперсии микрополоскового волновода, образованного участками сплошной металлизации и микрополосковым прямоугольным расширением. При величине диаметра металлического штыря более длины микрополоскового прямоугольного расширения нарушается оптимальная работа СВЧ-вывода из-за появления скачка волновых сопротивлений в области расширения прямоугольного микрополоскового проводника. Нарушение контакта по боковой поверхности металлического штыря с основанием приводит к увеличению электромагнитных потерь за счет излучения микрополоскового СВЧ-вывода.

На фиг. 1 корпус с приподнятой крышкой, общий вид; на фиг. 2 - СВЧ-вывод, общий вид; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1.

Герметичный корпус содержит металлическое основание 1, металлическую крышку 2 и микрополосковые СВЧ-выводы 3. Крышка 2 имеет отбортовку 4, выполненную перпендикулярно плоскости крышки 2. В отбортовке 4 крышки 2 сделаны прямоугольные сквозные вырезы 5, число которых равно числу микрополосковых СВЧ-выводов 3. Каждый микрополосковый СВЧ-вывод 3 содержит одну прямоугольную диэлектрическию подложку 6, ширина которой равна соответствующему размеру прямоугольного сквозного выреза 5 и ширине прямоугольного микрополоскового расширения W, выбранного из соотношения:
^0.7W≅ Длина l диэлектрической подложки 6 равна общей длине микрополоскового проводника и составляет не менее .

На одной из широких поверхностей диэлектрической подложки выполнено микрополосковое прямоугольное расширение 7, оси которого LL' и OO' совпадают с соответствующими осями диэлектрической подложки 6. Длина F прямоугольного микрополоскового расширения 7 определяется рабочим диапазоном частот и составляет
.

Другие продольные поверхности 9-11 диэлектрической подложки 6 сплошь металлизированы. Диэлектрические подложки 6 расположены в прямоугольных сквозных вырезах 5 отбортовки 4 крышки 2. Толщина отбортовки 4 крышки 2 не превышает длины F микрополоскового прямоугольного расширения 7. Металлическое основание 1, металлизированные поверхности 7,9,10,11 диэлектрической подложки 6 и крышка 2 гальванически связаны, например спаяны между собой так, что отбортовка 4 крышки 2 не выступает за длину F микрополоскового прямоугольного расширения 7 и имеет с ней и с основанием 1 гальваническую связь по всему периметру. Прямоугольный сквозной вырез 5, выполненный в отбортовке 4 крышки 2, также имеет гальваническую связь по периметру с металлизациями 9-11 диэлектрической подложки 6.

Герметичный корпус имеет в диэлектрической подложке 6 глухое отверстие 12, выполненное со стороны основания 1. Ось MM' отверстия 12 проходит через точку пересечения осей OO', LL' и перпендикулярна плоскости диэлектрической подложки 6. В отверстие 12 помещен металлический штырь 13, имеющий возможность перемещения вдоль оси MM' и имеющий контакт по боковой поверхности 14 с металлическим основанием 1. Диаметр штыря 13 не превышает длину F микрополоскового прямоугольного расширения.

Герметичный корпус работает следующим образом. При возбуждении микрополоскового СВЧ-вывода 3 волна типа квази-ТЕМ распространяется по несимметричной микрополосковой линии, токонесущим проводником которой является микрополосковый проводник 8, имеющий расширение 7, а экранной плоскостью - металлическое основание 1. За счет прямоугольного расширения микрополоскового проводника, ширина W которого выбирается из интервала
0.7 W ≅ 0.8, а длина составляет
и гальванической связи микрополоскового расширения со сплошной металлизацией поверхностей 9-11 диэлектрической подложки 6 квази-ТЕМ волна трансформируется в низший тип волны H₁₀ и распространяется в микрополосковом волноводе, образованном металлизированными поверхностями 9,10,11,7 диэлектрической подложки 6.

На выходе микрополоскового волновода волна Н₁₀ трансформируется обратно в волну квази-ТЕМ типа. Длина F, равная , обеспечивает хорошее согласование микрополосковых СВЧ-выводов.

Уменьшение электромагнитных потерь достигается за счет использования в средней части микрополоскового СВЧ-вывода микрополоскового волновода и, следовательно, снижения концентрации СВЧ-тока в средней части токонесущего проводника, и ликвидации электромагнитного излучения из средней части токонесущего проводника.

Герметичность корпуса обеспечивается за счет пайки отбортовки 4 крышки 2 и металлизации 7 диэлектрической подложки 6.

Упрощение конструкции герметичного корпуса связано с использованием однослойного СВЧ-вывода и снижением конструктивного допуска на расположение отбортовки 4 крышки 2 на микрополосковом проводнике 7 диэлектрической подложки 6.

Расширение рабочей полосы частот по минимальному уровню электромагнитных потерь и подстройка герметичного корпуса осуществляются путем снижения частотной дисперсии сигнала, распространяющегося в микрополосковом волноводе, образованном металлизированными поверхностями 7,9,10,11 за счет введения металлического штыря 13 в отверстие 12, выполненное в диэлектрической пластине 6. Контакт между боковой поверхностью 14 штыря 13 и основанием 1 позволяет ликвидировать паразитное излучение из корпуса.

В качестве конкретного примера изготовлен герметичный корпус для интегральных микрополосковых СВЧ-схем. Основание и крышка изготовлены из ковара. Диэлектрическая пластина выполнена из поликора, диэлектрическая проницаемость которого ε_д равна 9,8. Ширина диэлектрической пластины равна ширине микрополоскового прямоугольного расширения. Последняя выбиралась из соотношения:
0.7 W ≅ 0.8 и составляет W = 5 мм. Длина диэлектрической подложки l выбиралась из конструктивных соображений с учетом условия l≥F и составляет 6 мм. Длина микрополоскового прямоугольного расширения определялась из соотношения:
и составляет 3 мм. Толщина диэлектрической подложки составляет 0,5 мм. Металлизация изготавливалась по толстопленочной технологии из пасты 3711 (АУЭО, 027.005 ТУ). Основание, крышка и микрополосковые СВЧ-выводы паялись одновременно. Диаметр металлического штыря равен 3 мм. Герметичный корпус в диапазоне частот 20 ГГц имеет электромагнитные потери не более 0,3 дБ, КСВН не более 1,15. При введении металлического штыря величина КСВН снизилась до 1,1, а рабочая полоса частот увеличилась на 10% .

Корпус, созданный по схеме прототипа, в более низком диапазоне частот (18 ГГц) имеет КСВН= 1,25, а электромагнитные потери 0,5 дБ.

Таким образом, преимуществами герметичного корпуса по сравнению с прототипом являются упрощение конструкции, обусловленное тем, что СВЧ-вывод в корпусе содержит одну диэлектрическую подложку, что позволяет уменьшить число сочленяемых элементов, введение прямоугольного микрополоскового расширения в средней части микрополоскового проводника позволяет снизить более чем на порядок конструктивных допуск на расположение крышки относительно применения герметизирующей диэлектрической пасты в микрополосковых СВЧ-выводах; снижение на 40% уровня электромагнитных потерь путем снижения плотности СВЧ-тока в токонесущем микрополосковом проводнике СВЧ-вывода из-за расширения его центральной части и путем снижения электромагнитного излучения из-за гальванической связи прямоугольного микрополоскового расширения со сплошной металлизацией узких стенок диэлектрической подложки; снижение уровня КСВН до 1,1 и расширение на 10% рабочей полосы частот по минимальному уровню электромагнитных потерь путем уменьшения дисперсии основного типа волны за счет введения микрополоскового прямоугольного расширения, длина которого F определяется из соотношения
, и металлического штыря, диаметр которого составляет не более F.

Область использования: изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при конструировании интегральных полупроводниковых и ферритовых приборов СВЧ. Сущность изобретения заключается в том, что упрощение конструкции и снижение уровня электромагнитных потерь достигается тем, что герметичный корпус для интегральной схемы СВЧ содержит металлическое основание, металлическую крышку с отбортовкой, в прямоугольных сквозных вырезах которой установлены СВЧ-выводы в виде микрополосковой линии передачи на прямоугольной диэлектрической подложке. Поверхность подложки, примыкающая к металлическому основанию, а также две ее торцовые поверхности, параллельные микрополосковой линии передачи, металлизированы. Микрополосковая линия передачи выполнена крестообразной формы путем образования металлизированных прямоугольных расширений, примыкающих как к микрополосковой линии передачи, так и к двум металлизированным торцовым поверхностям подложки. Расстояние между металлизированными торцовыми поверхностями равно ширине диэлектрической подложки и выбрано в пределах , а длина прямоугольного расширения вдоль микрополосковой линии передачи выбрана в соответствии с выражением , где λ_o - средняя длина рабочего диапазона волн в свободном пространстве; ε_g - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической подложки. Металлизированные участки прямоугольных расширений микрополосковой линии передачи электрически контактируют по всей длине между металлизированными торцовыми поверхностями диэлектрической подложки с горизонтальной планкой прямоугольных сквозных вырезов отбортовки крышки. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ГЕРМЕТИЧНЫЙ КОРПУС ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ СВЧ, содержащий металлическое основание, металлическую крышку с отбортовкой, в прямоугольных сквозных вырезах которой установлены СВЧ-выводы в виде микрополосковой линии передачи на прямоугольной диэлектрической подложке, одна из сторон которой, противоположная размещению микрополосковой линии передачи, и две ее торцевые поверхности, параллельные микрополосковой линии передачи, металлизированы и примыкают к соответствующим поверхностям металлического основания и вертикальным планкам прямоугольных сквозных вырезов отбортовки крышки, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и снижения уровня электромагнитных потерь, микрополосковая линия передачи выполнена крестообразной в виде металлизированных участков прямоугольных расширений, примыкающих к микрополосковой линии передачи и к двум металлизированным торцевым поверхностям подложки, расстояние W между металлизированными торцевыми поверхностями диэлектрической подложки выбрано в пределах
0.7 ≅ W ≅ 0.8 , ,
а длина F прямоугольного расширения вдоль микрополосковой линии передачи выбрана в соответствии с выражением
F = , ,
где λ₀ - средняя длина рабочего диапазона волн в свободном пространстве,
E_g - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической подложки, при этом металлизированные участки прямоугольных расширений микрополосковой линии передачи электрически контактируют с горизонтальной планкой прямоугольных сквозных вырезов отбортовки крышки. 2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен металлическим штырем, установленным в отверстии металлического основания с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, в диэлектрической подложке со стороны металлического основания по центру пересечения микрополосковой линии передачи и прямоугольного расширения выполнено глухое отверстие, соосное с этим диаметром металлического штыря, не превышающим длину F прямоугольного расширения.