МНОГОСЛОЙНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНОВ Российский патент 1997 года по МПК H05K1/03 

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

Известен объемный высокочастотный интегральный модуль, представляющий собой объемную многослойную 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.

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

Наиболее близким техническим решением является объемный интегральный высокочастотный модуль, представляющий собой многослойную гибридную интегральную схему, содержащую пакет жестких диэлектрических плат, закрепленных 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 низкие массогабаритные и электрические характеристики, обусловленные невозможностью размещения кристаллов полупроводниковых приборов в каждом слое, длинными коммутационными связями и необходимостью применения металлических оправок для закрепления каждой платы.

Целью изобретения является улучшение электрических и массогабаритных характеристик многослойных гибридных интегральных схем и улучшение условий теплоотвода от навесных бескорпусных полупроводниковых приборов.

Поставленная цель достигается тем, что в известной многослойной гибридной интегральной схеме СВЧ и КВЧ диапазонов, содержащей пакет из твердых диэлектрических плат, имеющих топологический рисунок металлизации, навесные бескорпусные полупроводниковые приборы и соединения контактных площадок полупроводниковых приборов с топологическим рисунком металлизации, на обратной стороне прилегающей (вышерасположенной или нижерасположенной) в пакете платы выполнены углубления, в которых расположены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы, установленные лицевой стороной к плате, причем глубина углублений обеспечивает зазор между кристаллами и дном углублений, превышающий 1 мкм, расстояние от боковых поверхностей навесных бескорпусных полупроводниковых приборов до боковых стенок углублений равно 1-500 мкм, а расстояние между платами в пакете 1-150 мкм.

Углубления в плате могут быть металлизированы, топологический рисунок металлизации платы с углублениями нанесен на обе стороны платы и соединен через металлизацию углублений и металлизированные отверстия, выполненные в дне углублений, а пространство между навесными бескорпусными приборами и стенками и дном углублений заполнены теплопроводящим материалом.

Выполнение в платах, прилежащих к тем, на которых установлены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы, углублений и размещение навесных приборов в этих углублениях обеспечивает:
во-первых, уменьшение длины коммутационных проводников в составе плат, а следовательно, улучшение электрических характеристик, увеличение быстродействия;
во-вторых, возможность размещения кристаллов навесных полупроводниковых приборов в объеме прилегающих плат, а следовательно, улучшение массогабаритных характеристик;
в-третьих, ограничение пространства вокруг кристаллов и заполнение его теплопроводящим материалом, и, следовательно, улучшение условий теплоотвода.

Навесные приборы установлены лицевыми сторонами к плате на шариковых, столбиковых или балочных выводах.

Ограничение зазора между кристаллом навесного прибора и дном углубления снизу определено необходимостью отсутствия контакта. При соприкосновении кристалла и дна углубления в прилежащей плате могут возникнуть напряжения, приводящие к разрушению конструкции.

Ограничение расстояния от боковых поверхностей навесного бескорпусного полупроводникового прибора до боковых стенок углубления снизу определено необходимостью отсутствия контакта, так как при контакте могут возникнуть напряжения, приводящие к разрушению конструкции, а ограничение сверху определено плохой теплопроводностью воздушной прослойки вокруг навесного прибора.

Ограничение расстояния между платами снизу определено минимальной толщиной металлизационного рисунка платы, а сверху ухудшением емкостной связи между платами.

На фиг. 1 изображен разрез многослойной гибридной интегральной схемы СВЧ и КВЧ диапазонов, где: твердая диэлектрическая плата 1; топологический рисунок металлизации 2; навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3; соединения 4; контактные площадки навесных полупроводниковых приборов 5; углубление в прилегающей плате 6; лицевая сторона навесных бескорпусных полупроводниковых приборов 7; зазор между кристаллом и дном углубления 8; расстояние от боковых поверхностей навесного бескорпусного полупроводникового прибора до боковых стенок углубления 9.

На фиг. 2 изображен разрез фрагмента многослойной гибридной интегральной схемы СВЧ и КВЧ диапазонов, где: металлизированное углубление в плате 10; металлизированные отверстия 11; теплопроводящий материал 12.

Пример.

Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ и КВЧ диапазонов, содержащая пакет скрепленных между собой твердых диэлектрических плат 1, например, поликоровых или сапфировых, толщиной 0,5 мм (или 1,0 мм), с топологическим рисунком металлизации 2, например, представляющую собой систему металлов из Ti (0,04 мкм) Pd (0,2 мкм) Au (3 мкм). В схеме имеются навесные бескорпусные полупроводниковые приборы 3, например, транзисторы 3П325А-5 (размером 0,5х0,5х0,15 мм), диоды 3А 137 А-5 (размером 0,4х0,4х0,15 мм) и т.д. Соединения 4, например, в виде золотых выступов высотой 20 мкм на навесных бескорпусных полупроводниковых приборах 3, соединяют контактные площадки 4 полупроводниковых приборов 3 и топологического рисунка металлизации 2. В платах 1, прилежащих к тем, на которых установлены навесные приборы, выполнены углубления, например, 0,9х0,9х0,25, в случае транзисторов 3П 325 А-5 и 0,8х0,8х0,25 в случае диодов 3А 1374А-5. Расстояние между платами в пакете 15 мкм.

Углубления в плате могут иметь металлизацию, например, представляющую собой систему металлов (Rd+Ni)0,15мкм-Cu3мкм-Ni0,6мкм-Au2мкм. Топологический рисунок металлизации на плате, имеющей углубления, может быть расположен на обеих сторонах платы. А соединение топологического рисунка на обеих сторонах платы может осуществляться через металлизацию углублений и металлизированные отверстия, выполненные в дне углублений. Металлизация отверстий может иметь, например, такую же систему металлов, как и углубления. Пространство между навесными бескорпусными полупроводниковыми приборами и стенками углублений может быть заполнено теплопроводящим материалом, например, припоем ПОС-61. (t_пл= 190^oC) в случае, если требуется электрическое соединение кристалла с металлизацией углублений, или, например, компаундом ЭТК-21 (содержащим в качестве наполнителя нитрид бора) в случае, если требуется изоляция кристалла от металлизации углублений.

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 MхN чисел входных и выходных каналов, наращенных фильтрами, усилителями, элементами контроля сигналов и т.п. до качества автономного блока, либо приемо-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, выделяемое кристаллами навесных бескорпусных полупроводниковых приборов, рассеивается по объему многослойной (объемной) платы и отводится за счет тепловых контактов углублений, заполненных теплопроводящим материалом, а также торцевых поверхностей многослойной платы с системой охлаждения, например, охлаждаемым корпусом или тепловой трубой, встроенной в объем многослойной платы.

Таким образом, предложенная конструкция многослойной гибридной интегральной схемы позволит, по сравнению с прототипом:
во-первых, улучшить электрические характеристики схемы, уменьшить паразитные индуктивности и увеличить быстродействие, за счет уменьшения длины коммутационных проводников в составе плат;
во-вторых, одновременно улучшить массогабаритные характеристики за счет размещения кристаллов навесных полупроводниковых приборов в объеме прилегающих плат в пакете;
в-третьих, улучшить условия теплоотвода от кристаллов навесных полупроводниковых приборов за счет ограничения пространства вокруг кристаллов и заполнения этого пространства теплопроводящим материалом, а также возможности более равномерного распределения тепловыделяющих кристаллов по объему многослойной платы.

Источники информации
1. Положительное решение по заявке N 4475187/24-21(124847) от 11.08.88, кл. H 05 K 7/02 (а.с. N 1679664, публ. 1991).

2. Положительное решение по заявке N 4608672/24-21 (162513) от 24.11.88, кл. H 05 K 7/02. (а.с. N 1700789, публ. 1991).

Использование: электронная техника. Сущность изобретения: в многослойной плате, состоящей из отдельных подложек с рисунком проводников, выполняются углубления в подложках, прилегающих к тем, на которых установлены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы. Последние размещаются в углублениях определенным образом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащая пакет из твердых диэлектрических плат, имеющих топологический рисунок металлизации, навесные бескорпусные приборы и соединения контактных площадок полупроводниковых приборов с топологическим рисунком металлизации, отличающаяся тем, что на обратной стороне, прилегающей вышерасположенной или нижерасположенной в пакете платы, по отношению к плате внутри пакета, на которой устанавливаются бескорпусные полупроводниковые приборы, выполнены углубления, в которых расположены навесные бескорпусные полупроводниковые приборы, установленные лицевой стороной к плате, причем глубина углубления обеспечивает зазор между кристаллами и дном углублений, превышающий 1 мкм, расстояние от боковых поверхностей навесных бескорпусных полупроводниковых приборов до боковых стенок углублений равно 1 500 мкм, а расстояние между платами в пакете 1 150 мкм. 2. Схема СВЧ- и КВЧ-диапазонов по п.1, отличающаяся тем, что углубления в плате металлизированы, топологический рисунок металлизации платы с углублениями нанесен на обе стороны платы и соединен через металлизацию углублений и металлизированные отверстия, выполненные в дне углублений. 3. Схема СВЧ- и КВЧ-диапазонов по п.1 или 2, отличающаяся тем, что пространство между навесными бескорпусными полупроводниковыми приборами и стенками углублений заполнено теплопроводящим материалом.