МНОГОСЛОЙНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H05K3/46 

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике, в частности к многослойным (объемным) гибридным интегральным схемам СВЧ- и ВЧ-диапазонов.

Известен объемный высокочастотный интегральный модуль, представляющий собой объемную гибридную интегральную схему, содержащую пакет жестких диэлектрических микрополосковых плат (1). Возможность размещения бескорпусных полупроводниковых приборов в данной конструкции обеспечивается изготовлением сквозных отверстий в прокладках из пенообразного диэлектрика, располагаемого между жесткими диэлектрическими платами объемной интегральной схемы и расположением полупроводниковых приборов в этих отверстиях.

Недостатками данной конструкции являются недостаточно высокие электрические и массогабаритные характеристики, обусловленные необходимостью установки прокладок из пенообразного диэлектрика.

Наиболее близким техническим решением является объемный интегральный высокочастотный модуль, представленный собой объемную многослойную гибридную интегральную схему, содержащую пакет жестких диэлектрических плат, укрепленных в металлических рамках (2). Возможность установки бескорпусных полупроводниковых приборов обеспечивается тем, что через слой платы выполнены более длинными, и в образовавшемся пространстве через слой могут быть установлены бескорпусные полупроводниковые приборы.

Недостатками данной конструкции являются длинные коммутационные проводники, соединяющие кристаллы в составе топологического рисунка металлизации плат, обусловленные невозможностью установки кристаллов в каждом слое и в любом месте на платах, что ухудшает электрические характеристики схемы.

Необходимость выполнения части плат более длинными ухудшает массогабаритные характеристики, наличие большой воздушной прослойки вокруг кристаллов ухудшает условия теплоотвода от кристаллов полупроводниковых приборов.

Техническим результатом при использовании изобретения является улучшение электрических, массогабаритных характеристик и условий теплоотвода от кристаллов.

В многослойной гибридной интегральной схеме СВЧ, содержащей пакет скрепленных между собой твердых диэлектрических плат с топологическим рисунком металлизации и навесными бескорпусными полупроводниковыми приборами, контактные площадки которых электрически соединены с топологическим рисунком металлизации, на обратной поверхности прилегающей платы выполнены углубления, в которых размещены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы, установленные и закрепленные с обратной стороной на плате, причем глубина углублений превышает высоту установленных на плату навесных полупроводниковых прибором на 5 300 мкм, а расстояние между боковыми стенками углублений и электрическими соединениями соединительных проводников с топологическим рисунком составляет 1 400 мкм.

Многослойная ГИС, в которой свободное пространство углублений может быть заполнено диэлектрическим теплопроводящим материалом.

Выполнение углублений на поверхности прилегающей в пакете платы и размещение в них навесных бескорпусных полупроводниковых приборов обеспечивает
во-первых, сокращение длины коммутационных цепей, а следовательно, улучшение электрических характеристик, увеличение быстродействия;
во-вторых, улучшение массогабаритных характеристик;
в-третьих, улучшение теплоотвода за счет ограничения воздушной прослойки вокруг навесных полупроводниковых приборов.

Превышение глубины углубления над высотой установленного на плате навесного прибора снизу недопустимо из-за соприкосновения выводов навесного прибора и самого прибора при теpмическом расширении с дном углубления, а сверху плохой теплопроводностью воздушной прослойки вокруг навесного прибора.

Ограничение расстояния между стенками углублений и электрическими соединениями контактных площадок навесных бескорпусных полупроводниковых приборов с топологическим рисунком металлизации снизу определяется необходимостью исключения контакта прилежащей платы с местом соединения вывода навесного прибора с топологическим рисунком металлизации платы, а сверху плохой теплопроводностью воздушной прослойки вокруг навесного прибора.

На фиг. 1 изображен разрез многослойной гибридной интегральной схемы СВЧ, где твердая диэлектрическая плата 1, топологический рисунок металлизации 2, навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, контактные площадки навесных бескорпусных полупроводниковых приборов 4, электрические соединения 5, углубления на обратной стороне вышерасположенных (прилегающих) плат 6, диэлектрический теплопроводящий материал 7.

На фиг. 2 показан укрупнено фрагмент многослойной гибридной интегральной схемы СВЧ.

Пример 1. Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ, содержащая пакет скрепленных между собой твердых диэлектрических плат 1, например, поликоровых, толщиной 0,5 мм (или 1 мм) с топологическим рисунком металлизации 2, например, представляющую собой систему металлизации из Ti (0,04 мкм) Pd (0,2 мкм) Au (3 мкм). В схеме имеются навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, например транзисторы ЗП325А-5 (размером 0,5 х 0,5 х 0,15 мм), диоды ЗА137А-5 (размером 0,4 х 0,4 х 0,15 мм) и т.д. контактные площадки 4 которых с помощью электрических соединений 5, например, из золотой проволоки диаметром 15 мкм соединены с топологическим рисунком металлизации 2. На поверхности прилегающих (выше или нижерасположенных) плат 1 выполнены углубления 6, в которых при пакетировании плат 1 размещены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3. Глубина углублений в случае транзисторов ЗП324А-5 или диодов 3А.137А-5, например, равна 300 мкм.

Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ, содержащая пакет скрепленных между собой керамических плат 1, например поликоровых, толщиной 0,5 мм с топологическим рисунком металлизации 2, например, представляющую собой систему металлизации из Ti (0,04 мкм Pd (0,2 мкм) Au (3 мкм).

В схеме имеются навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, например, транзисторы ЗП325А-5 (размером 0,5 х 0,5 х 0,15 мм) и т.д. контактные площадки 4, которые с помощью электрических соединений 5, например, балочных выводов толщиной 7 мкм, соединены с топологическим рисунком металлизации. На поверхности прилегающих плат 1 (выше или ниже расположенных) по отношению к той плате, на поверхности которой размещены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, выполнены углубления 6, в которых при пакетировании плат 1, размещены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3. Глубина углублений в случае транзисторов ЗП325А-5 равна, например, 0,165 мкм. При этом расстояние от установленного на плату кристалла, имеющего балочные выводы толщиной 4 мкм, до дна углубления составляет 5 мкм, а толщина клея (или припоя), закрепляющего кристалл, равна 5 мкм. Таким образом кристалл и его выводы не касаются дна углубления.

Длина и ширина углубления (при условии)
1) что посадочное место, на которое крепится навесной полупроводниковый прибор на 200 мкм превышает размер навесного бескорпусного полупроводникового прибора 3,
2) что расстояние от посадочного места (посадочной площадки) до места присоединения электрического соединения (5) 100 мкм,
3) место для присоединения вывода навесного элемента к топологическому рисунку металлизации (2) равно 100 х 100 мкм) равны 0,5 + 0,2 + (0,1 + 0,1) + (0,1 + 0,1) + 0,002) (мм) 1.102 и 1,102 мм, что обеспечивает расстояние 1 мкм между боковыми стенками углубления и электрическими соединениями соединительных проводников с топологическим рисунком.

Углубления могут быть заполнены диэлектрическим, компаундом ЭТК-21 с наполнителем из нитрида алюминия.

Пример 2. Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ, содержащая пакет скрепленных между собой керамических плат 1, например поликоровых, толщиной 1 мм с топологическим рисунком металлизации 2 например, представляющую собой систему металлизации из Ti (0,04 мкм) Pd (0,2 мкм) Au (3 мкм). В схеме имеются навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, например транзисторы ЗП325А-5 (размером 0,5 • 0,5 • 0,15) и т.д. контактные площадки 4 которых с помощью электрических соединений 5, например, из золотой проволоки диаметром 15 мкм, соединены с топологическим рисунком металлизации 2. На поверхности прилегающих плат 1 (выше или нижерасположенных) по отношению к той плате, на поверхности которой размещены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, выполнены углубления 6, в которых при пакетировании плат 1, размещены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3.

Глубина углублений в случае транзисторов ЗП325А-5 равна, например, 0,460 мкм. При этом расстояние от установленного на плату кристалла, например, имеющего проволочные выводы, толщиной (⊘ 15 мкм 15 мкм, до дна углубления составляет 300 мкм, а толщина припоя (или клея) 10 мкм. Длина и ширина углубления при условии
1) что посадочное место, на которое крепится навесной полупроводниковый прибор на 200 мкм, превышает размеры навесного бескорпусного полупроводникового прибора 3,
2) расстояние от посадочного места (посадочной площадки) до места присоединения электрического соединения (5) 100 мкм,
3) место для присоединения выводов навесного элемента к топологическому рисунку металлизации (2) равно 100 • 100 мкм) равна 0,5 + 0,2 + (0,1 + 0,1) + (0,1 + 0,1) + 0,8 (мм) 1,9 и 1,9 мм, что обеспечивает расстояние 400 мкм между боковыми стенками углубления и электрическими соединениями соединительных проводников с топологическим рисунком.

Углубления могут быть заполнены диэлектрическим компаундом ЭТК-21 с наполнителем из нитрида алюминия.

Длина и ширина углублений при условии, что посадочная металлизационная площадка в составе топологического рисунка металлизации 1, на которую крепится навесной полупроводниковый прибор, на 200 мкм превышает размер навесного бескорпусного полупроводникового прибора 3, расстояние от посадочной площадки до места присоединения электрического соединения (5) 100 мкм и место для присоединения вывода навесного элемента к топологическому рисунку металлизации (2) 100 • 100 мкм) 1,3 • 1,3 мм, а в случае диода 1,2 • 1,2 мм. Расстояние между платами в пакете равно, например, 10 мкм.

Навесные бескорпусные полупроводниковые приборы присоединены к плате клеем ЭЧЭ-С (61УО. 028.052ТУ) (или припоем Au-Si эвтектического состава) толщиной 10 мкм. Углубления могут быть заполнены диэлектрическим теплопроводным материалом, например компаундом ЭТК-21, содержащим в качестве наполнителя нитрид бора (основа смола ЭЛ-20, полиэфирилат, полиэтиленполиамин и стирол).

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от функционального назначения гибридной интегральной схемы СВЧ-сигнал подают на вход схемы, реализующей, преимущественно, многофункциональные устройства типа диаграммообразующих матриц с большими индексами МхN чисел входных и выходных каналов, наращенных фильтрами, усилителями, элементами контроля сигналов и т.п. до качества автономного блока либо приемно-передающего модуля. В объемной структуре, образованной (многослойной платой) пространственно скомпонованной пленочными и навесными элементами, послойно разделенными диэлектрическими слоями, выполняется обработка высокочастотного сигнала усиление, генерирование, преобразование, фильтрация, детектирование и т.п. Обработка сигналов и передача их с одного пространственного уровня на другой уровень по вертикали является совмещенной, при этом функции передачи и согласования могут выполнять объемные распределенные емкостные переходы или межплатные соединения через металлизированные отверстия, а затем обработанный СВЧ-сигнал выводится из схемы. Тепло от навесных бескорпусных полупроводниковых приборов отводится через материал платы со стороны, закрепленной на плате через электрические соединения (выводы), а также через ограниченную по размеру воздушную прослойку вокруг прибора или теплопроводящий диэлектрический материал. Весь же пакет плат охлаждается за счет теплового контакта, например, с охлаждаемым корпусом или другим способом.

Таким образом, предложенная конструкция многослойного гибридной интегральной схемы СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
во первых, улучшение электрических характеристик схемы, увеличение быстродействия за счет сокращения длины коммутационных цепей,
во-вторых, одновременное улучшение массогабаритных характеристик за счет размещения навесных приборов в объеме подложек плат,
в-третьих, улучшение условий теплоотвода от кристаллов за счет ограничения воздушной прослойки вокруг навесных полупроводниковых приборов и заполнения свободного пространства вокруг приборов теплопроводящим материалом.

Изобретение относится к электронной технике. Сущность изобретения: в многослойной печатной плате в каждой подложке в пакете на обратной ее стороне выполняется углубление, в котором размещается бескорпусной полупроводниковый прибор. Такое расположение приборов улучшает электрическое и массогабаритные характеристики. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ, содержащая пакет скрепленных между собой керамических подложек с топологическим рисунком проводников на их поверхности и навесными элементами, например бескорпусными полупроводниковыми приборами, соединенными в соответствии с электрический схемой, отличающаяся тем, что навесные элементы размещены в полостях, выполненных в платах, прилегающих к тем, на поверхности которых размещены навесные элементы, причем полости в керамических подложках выполнены в виде углублений, глубина которых превышает высоту навесных элементов на 5 300 мкм, а расстояние между боковыми стенками углублений и электрическими соединениями соединительных проводников с топологическим рисунком составляет 1 400 мкм. 2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что свободное пространство углублений заполнено диэлектрическим теплопроводящим материалом.