ГИБРИДНОЕ ИНТЕГРАЛЬНОЕ ВАКУУМНОЕ МИКРОПОЛОСКОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01L31/12 

Изобретение относится к радиоэлектронике и предназначено для использования в различных, например, усилительных каскадах вакуумных радиоэлектронных устройствах.

Известен вакуумный микроэлектронный микрополосковый усилитель (ВММУ), содержащий две диэлектрические пластины с расположенными на их лицевой стороне электродами, микрополосковый анод на одной пластине, микрополосковую сетку и острийный эмиттер на другой, и экранную заземляющую металлизацию на обратной стороне пластин. Расстояние между пластинами, а значит и электродами определяется прокладкой, установленной между креплением диэлектрических пластин [1] Недостатками данного устройства являются низкие электрические, массогабаритные и теплорассеивающие характеристики.

Наиболее близким техническим решением является гибридное интегральное вакуумное микрополосковое устройство, содержащее диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой поверхности и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне подложки, диэлектрическую рамку, расположенную на плате и закрепленную с помощью клея, полупроводниковый кристалл с острийными катодами и контактными площадками, расположенный и закрепленный на диэлектрической рамке, анод, выполненный в составе топологического рисунка металлизации и расположенный под катодом, контактные площадки кристалла соединены с топологическим рисунком металлизации, причем соединительные проводники проходят под диэлектрической рамкой к месту сварки, а экранная металлизация соединена с теплоотводящим основанием [2]
Недостатками данного технического решения являются низкие электрические, массогабаритные и теплорассеивающие характеристики.

Кроме того, низка воспроизводимость из-за невозможности фиксации прокладки кристалла, что вызывает изменение расстояния между анодом и кристаллом.

Техническая задача изобретения улучшение электрических, массогабаритных и теплорассеивающих характеристик. Поставленная задача достигается тем, что в гибридном интегральном вакуумном микрополосковом устройстве, содержащем диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации на лицевой и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне, полупроводниковый кристалл с острийными катодами и контактными металлизированными площадками, соединенными с топологическим рисунком металлизации платы, анод, который расположен в топологическом рисунке металлизации под кристаллом с острийными катодами, металлическое теплоотводящее основание, скрепленное с экранной заземляющей металлизацией платы, контактные площадки кристалла соединены непосредственно с топологическим рисунком металлизации, на лицевой поверхности платы под кристаллом выполнено углубление, глубиной 5 150 мкм, на дне которого расположен анод. При этом, топологический рисунок платы, выходящий за пределы контактных площадок кристалла, может быть расположен по крайней мере частично в углублениях на лицевой поверхности платы. На обратной стороне платы под анодом может быть выполнено металлизированное встречное углубление, заполненное хорошо теплопроводящим материалом, причем остаточная толщина дна углубления равна 5 990 мкм, а площадь дна углубления составляет 1 1,2 площади анода и повторяет его конфигурацию.

На обратной стороне платы может быть выполнено встречное металлизированное углубление, в котором расположена теплопроводящая вставка, которая скреплена с металлическим основанием и металлизацией углубления. Углубление в плате может быть выполнено двухступенчатым, причем глубина верхней части углубления равна толщине кристалла, длина и ширина углубления превосходят размеры кристалла на 0,01 3,0 мм, а глубина нижней части равна 5 150 мкм имеет длину и/или ширину меньше кристалла, причем топологический рисунок металлизации соединен с контактными площадками кристалла и с анодом через боковые стороны углубления.

В дне верхней части двухступенчатого углубления может быть выполнено металлизированное отверстие. В дне углубления выполнено сквозное отверстие, заполненное металлом.

Непосредственное соединение контактных площадок кристалла с топологическим рисунком металлизации исключает необходимость наличия диэлектрической рамки, а значит уменьшает высоту схемы, ее массу и длину соединительных проводников и тем самым исключает их паразитные индуктивности и емкости, следовательно улучшает массогабаритные и электрические характеристики.

Выполнение углубления на поверхности платы под кристаллом и расположение на дне последнего анода в составе топологического рисунка металлизации позволяет заглубить межэлектродное пространство в объем подложки и тем самым уменьшить массу и высоту устройства, и следовательно улучшить массогабаритные характеристики, кроме того позволяет снизить толщину подложки под анодом, и тем самым тепловое сопротивление, а следовательно улучшить теплорассеивающие характеристики.

Ограничение пределов глубины углубления снизу обусловлено минимальной величиной углубления, с которой может быть улучшено теплорассеивание, а сверху величиной напряжения работы устройства.

Расположение топологического рисунка платы, выходящего за пределы контактных площадок кристалла в углублении, обеспечивает отсутствие закоротки боковой поверхности кристалла с топологическим рисунком металлизации лицевой поверхности платы.

Выполнение на обратной стороне платы встречного металлизированного углубления и заполнение его материалом, хорошо проводящим тепло, уменьшает тепловое сопротивление за счет уменьшения толщины платы под анодом и тем самым улучшает теплорассеивающие характеристики.

Остаточная толщина дна углубления снизу ограничена из соображений прочности, а сверху минимальным размером углублений на лицевой и обратной сторонах максимальной толщиной подложки (1 мм) применяемой обычно на этих частотах (СВЧ диапазон), а также минимальной глубиной встречного углубления, при которой будет заметно улучшение теплорассеивания.

Ограничение площади встречного углубления обусловлено соотношением размеров тепловыделяющего элемента и теплоотводящего элемента, вставленного в углубление в обратной стороне. Наличие теплопроводящей вставки с хорошим тепловым контактом с металлизацией дна углубления и металлическим теплоотводящим основанием позволяет дополнительно снизить тепловое сопротивление и улучшить теплорассеивающие характеристики устройства.

Выполнение углубления на лицевой поверхности двухступенчатым с глубиной верхней части углубления равной толщине кристалла и ограничение превышения размеров верхней части углубления над размерами (длиной и шириной) кристалла, позволяет располагать кристалл в объеме платы и тем самым уменьшить и массу устройства, а следовательно улучшить массогабаритные характеристики, кроме того ограничивает возможность смещения кристалла относительно анода, что повышает воспроизводимость конструкции устройства.

Ограничение превышения снизу обусловлено возможностью размещения кристалла в углублении, а сверху увеличением габаритов устройства.

Ограничение глубины нижней части углубления снизу обусловлено минимальной величиной углубления, с которой может быть улучшено теплорассеивание, и минимальным напряжением работы устройства, а сверху максимальным напряжением работы устройства.

Выбор размеров длины и/или ширины нижней части углубления меньше кристалла обусловлено необходимостью закрепления кристалла в верхней части углубления и исключения возможности проваливания кристалла в нижнюю часть углубления.

Соединения топологического рисунка металлизации с анодом через боковые стороны углубления позволяет изготавливать анод и соединения одновременно с топологическим рисунком металлизации.

Выполнение в дне верхней части углубления металлизированного отверстия позволяет заземлять анод, сетку или катод в зависимости от реализуемой электрической схемы включения.

Выполнение сквозного отверстия, заполненного металлом в дне углубления, позволяет заземлять анод, использовать в качестве анода гермоввод или выступ металлического основания, а также изготавливать плату в виде шайбы, что снижает трудоемкость изготовления, снизить высоту устройства дополнительно улучшить массогабаритные характеристики устройства.

На фиг.1 а,б, представлено гибридное интегральное вакуумное микрополосковое устройство прототип, где диэлектрическая плата 1; топологический рисунок металлизации 2; экранная заземляющая металлизация - 3; диэлектрическая рамка 4; полупроводниковый кристалл с острийными катодами 5; острийные катоды 6; контактные площадки кристалла 7; анод 8; соединительные проводники 9; металлическое теплопроводящее основание 10; припой 11.

На фиг.2 а,б, фиг.3 представлен разрез и вид сверху заявляемого устройства с размещением анода в углублении, где диэлектрическая плата 1; топологический рисунок металлизации 2; вывод сетки 2 а; вывод катода 2 б; экранная заземляющая металлизация 3; полупроводниковый кристалл с острийными катодами и сеткой 4; острийные катоды 5; сетка 5а; контактные площадки кристалла 6; анод 7; металлическое теплоотводящее основание 8; углубление на лицевой поверхности платы 9; встречное металлизированное углубление на обратной стороне платы 10; теплопроводящая вставка или теплопроводящий материал 11; припой 12.

На фиг. 4 а, б представлен разрез и вид сверху заявляемого устройства с двухступенчатым углублением и металлизированным отверстием в дне углубления, где металлизированное отверстие в дне верхней части углубления 13.

Обозначения остальных позиций соответствует обозначениям на фиг.2.

На фиг. 5 а, б изображен разрез и вид сверху заявляемого устройства с отверстием в дне нижней части углубления, заполненным металлом, где 14 сквозное отверстие в дне углубления, заполненное металлом.

Предлагаемое гибридное интегральное вакуумное микрополосковое устройство может быть, например, основной частью усилителя СВ-диапазона, а именно: каскадом начального усиления и еще двумя каскадами катодных повторителей. Перед каскадом начального усиления расположен входной колебательный контур, а после катодных повторителей выходной колебательный контур. Емкости и индуктивности контуров выполнены в виде микрополосковых или навесных элементов. Само гибридное интегральное вакуумное микрополосковое устройство содержит диэлектрическую плату 1 (например, поликоровую толщиной 0,5 мм). На лицевой стороне платы 1 выполнен топологический рисунок металлизации 2, например, со структурой Ti (100 Ом/□) Pd (0,2 мм) Au (5 мкм). На обратной стороне платы 1 нанесена экранная заземляющая металлизация 3 (с такой же структурой, как и на лицевой стороне).

Полупроводниковый, например, кремниевый кристалл 4 с острийными катодами 5, сеткой 5а, например из молибдена, и контактными металлизированными (например, золоченными) площадками 6. Контактные площадки 6 соединены с топологическим рисунком металлизации 2 платы 1. Анод 7, входящий в состав металлизации 2, расположен под кристаллом 4 с острийными катодами 5. Теплоотводящее металлическое основание 8 выполнено, например, из сплава МД-50 и скреплено (спаяно) с экранной заземляющей металлизацией 3 платы 1. Контактные площадки 6 кристалла 4 соединены непосредственно с топологическим рисунком металлизации 2. На лицевой поверхности платы 1 под кристаллом 4 выполнено углубление 9 глубиной, например, 100 мкм. Топологический рисунок металлизации 2 платы 1 по крайней мере частично в углублениях на лицевой поверхности платы.

На обратной стороне платы 1 под анодом 7 может быть выполнено встречное металлизированное углубление 10, например глубиной 300 мкм, заполненное хорошо теплопроводящим материалом, например припоем Аu-Si или Аu-Sn. Остаточная толщина при этом составляет 100 мкм, а площадь дна углубления 10, например, составляет 1,1 площади анода 7 и повторяет его конфигурацию.

На обратной стороне платы 1 под углублением 9 может быть выполнено встречное металлизированное углубление 10, в которое вставлена теплопроводящая вставка и скреплена с металлизацией углубления и металлическим основанием 8. Вставка может быть выполнена, например, из алмаза, нитрида алюминия, окиси бериллия.

Углубление 9 может быть выполнено двухступенчатым. Глубина верхней части углубления 9 равна глубине кристалла 4 и составляет, например, 300 мкм. Длина и глубина верхней части углубления превосходит размеры кристалла на 1 мм. Глубина нижней части углубления 9 равна, например, 50 мкм и имеет длину и/или ширину меньше кристалла 4 на величину, позволяющую устанавливать кристалл 4 контактными площадками на металлизации, на дне верхней части углубления.

В дне верхней части углубления 9 может быть выполнено металлизированное отверстие 13, обеспечивающее заземление катода 5 или сетки 5а в зависимости от схемы включения.

В дне нижней части углубления 9 может быть выполнено сквозное отверстие 14, заполненное металлом 15, например медью.

Данное устройство работает следующим образом. На аноды усилителя подают анодное напряжение от источника питания. На сетки подают сеточные напряжения смещения от источника питания. На вход В.Ч. усилителя подают В.Ч. мощность (сигнал) для возбуждения входного колебательного контура, с которого сигнал подается на сетку первого микротриода (на автокатодах). Затем сигнал усиливается на катодных повторителях (второй и третий микротриоды) и возбуждает выходной колебательный контур. Сигнал с этого контура снимается и выводится (выход). Параметры индуктивностей и емкостей входного и выходного контуров подобраны на рабочую частоту, которая зависит от параметров микротриодов (микротриодов многоострийных катодов и сетки, на черт. 804300, поз.10 диодные кристаллы). Использование предлагаемого устройства позволит улучшить электрические, массогабаритные и теплорассеивающие характеристики.

Кроме того, устройство позволяет повысить стабильность параметров устройства за счет четкой фиксации диодного кристалла в посадочном гнезде, предназначенной установки расстояния анод-сетка.

Использование: изобретение относится к электронной технике. Сущность: контактные площадки кристалла соединены непосредственно с топологическим рисунком металлизации. На лицевой поверхности платы под кристаллом выполнено углубление глубиной 5-150 мкм, на дне которого расположен анод. Кроме того, топологический рисунок платы, выходящий за пределы контактных площадок кристалла, расположен в углублениях на лицевой поверхности платы. На обратной стороне платы под анодом может быть выполнено металлизированное углубление, заполненное токопроводящим материалом. Углубление в плате может быть двухступенчатым с металлизированным отверстием в дне верхней части, а в дне нижней части отверстие заполнено металлом. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гибридное интегральное вакуумное микрополосковое устройство, содержащее диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации на лицевой и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне, полупроводниковый кристалл с острийными катодами, сеткой и контактными металлизированными площадками, соединенными с топологическим рисунком металлизации платы, анод, который расположен в топологическом рисунке металлизации под кристаллом с острийными катодами, металлическое теплоотводящее основание, скрепленное с экранной заземляющей металлизацией платы, отличающееся тем, что контактные площадки кристалла соединены непосредственно с топологическим рисунком металлизации, на лицевой поверхности платы под кристаллом выполнено углубление глубиной 5 150 мкм, на дне которого расположен анод. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что топологический рисунок платы, выходящий за пределы контактных площадок кристалла, расположен по крайней мере частично в углублении на лицевой поверхности платы. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что на обратной стороне платы под анодом выполнено металлизированное встречное углубление, заполненное хорошо теплопроводящим материалом, причем остаточная толщина дна углубления равна 5 990 мкм, а площадь дна углубления составляет 1 1,2 площади анода и повторяет его конфигурацию. 4. Устройство по пп. 1 и 3, отличающееся тем, что во встречном металлизированном углублении расположена теплопроводящая вставка, скрепленная с металлизацией углубления и металлическим основанием. 5. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что углубление в плате выполнено двухступенчатым, причем глубина верхней части углубления равна толщине кристалла, длина и ширина углубления превосходят размеры кристалла на 0,01 3 мм, а глубина нижней части равна 5 150 мкм и имеет длину и/или ширину меньше кристалла, причем топологический рисунок металлизации соединен с контактными площадками кристалла и с анодом через боковые стороны углубления. 6. Устройство по пп. 1 5, отличающееся тем, что в дне верхней части двухступенчатого углубления выполнено металлизированное отверстие. 7. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что в дне нижней части углубления выполнено сквозное отверстие, заполненное металлом.