МОЩНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2002 года по МПК H01L27/02 H01L25/16 

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, а более точно - касается мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, и может быть использовано в полупроводниковой технике.

Известна мощная гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую плату с отверстиями и топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне, металлический корпус, систему жидкостного охлаждения, в которой охлаждающая жидкость проходит непосредственно между платой и основанием корпуса. Система охлаждения отделена металлическими заглушками в отверстиях платы от пространства над платой. Кристаллы бескорпусных полупроводниковых приборов расположены в отверстиях платы и закреплены на металлических заглушках обратной стороной кристалла таким образом, что лицевая поверхность кристаллов с контактными площадками находится в одной плоскости с поверхностью платы. Контактные площадки кристаллов электрически соединены с топологическим рисунком металлизации (Г.В.Резников. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988, с.147).

Указанной гибридной интегральной схеме присущи низкие массогабаритные характеристики.

Известна гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации, каналами для циркуляции охлаждающей жидкости и отверстиями в каналах, кристаллы бескорпусных полупроводниковых приборов, установленные в отверстиях и герметично закрепленные на стенках в отверстиях каналов таким образом, что лицевые поверхности кристаллов с контактными площадками расположены в одной плоскости с поверхностью платы, контактные площадки кристаллов, электрически соединенные с топологическим рисунком металлизации, диэлектрическую рамку, герметично соединенную с платой, плоскую диэлектрическую крышку, герметично соединенную с рамкой, металлическую накладку, в которую вставлен край платы, герметично соединенную с ней и имеющую по меньшей мере два штуцера для подвода охлаждающей жидкости и для ее отвода и каналы для охлаждающей жидкости, соединенные с каналами платы (US, 4327399 А).

Указанной гибридной интегральной схеме присущи низкие массогабаритные характеристики, недостаточная прочность и надежность, связанные с возможностью разрушения или разгерметизации при повышении давления в системе охлаждения, и низкая технологичность, связанная с трудностью изготовления каналов в объеме платы.

В основу изобретения была положена задача создания мощной гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, конструктивное выполнение которой позволило бы улучшить массогабаритные характеристики, увеличить прочность, надежность и технологичность.

Это достигается тем, что в мощной гибридной интегральной схеме СВЧ-диапазона, содержащей диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации на поверхности платы и каналами для циркуляции охлаждающей жидкости, кристаллы бескорпусных полупроводниковых приборов с контактными площадками, установленные в объеме платы так, что лицевые поверхности кристаллов расположены в одной плоскости с лицевой поверхностью платы и закреплены связующим веществом, и плоскую диэлектрическую крышку, герметично соединенную с платой, согласно настоящему изобретению, плата выполнена из двух частей, герметично соединенных обратными сторонами, кристаллы расположены в углублениях, выполненных в лицевой поверхности платы и имеющих в дне отверстия диаметром 0,04-0,5 мм и площадью 0,1-90% от площади дна углубления, заполненные теплопроводящим материалом, а каналы для циркуляции охлаждающей жидкости образованы выемками, выполненными на обратной стороне частей платы и совпадающими одна с другой, при этом ширина канала равна или превышает размеры кристалла, а толщина дна углубления над каналом равна 0,01-0,5 мм, причем материал и толщина диэлектрической крышки выбраны из следующего соотношения:

где λ - длина волны (в мм);
ε - диэлектрическая проницаемость материала крышки;
h - толщина крышки (в мм).

Каналы могут быть выполнены металлизированными с антикоррозионным покрытием, а отверстия в дне углублений могут быть заполнены электро- и теплопроводящим материалом.

Части платы могут быть дополнительно соединены зажимом.

Размещение кристаллов в углублениях, имеющих в дне отверстия, заполненные теплопроводящим материалом, позволяет увеличить прочность конструкции, а значит и надежность за счет исключения возможности проникновения теплоносителя между стенками отверстия и кристаллом.

Выполнение платы из двух частей, соединенных обратными сторонами, и выполнение на обратных сторонах частей платы выемок определенного размера повышает технологичность изготовления схемы.

Использование обеих плат для размещения топологического рисунка металлизации и кристаллов увеличивает степень интеграции.

За счет определенного материала и толщины крышки, во-первых, улучшаются массогабаритные характеристики; во-вторых, улучшается теплоотвод от кристаллов в результате исключения воздушной прослойки и наложения и закрепления крышки непосредственно на плату, то есть в непосредственной близости от тепловыделяющих элементов, расположенных на поверхности кристаллов или в непосредственной близости от нее.

Ограничение толщины дна углубления в плате обусловлено его прочностью.

Выбор толщины и диэлектрической проницаемости обусловлен условиями минимальных потерь при прохождении СВЧ-сигнала.

Ограничение ширины канала снизу обусловлено условиями лучшего теплоотвода от кристаллов.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает патентуемую мощную гибридную интегральную схему СВЧ-диапазона (разрез);
фиг.2 - то же, что на фиг.1 (вид сверху).

Патентуемая мощная гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона содержит диэлектрическую плату 1 (фиг.1), состоящую из двух частей 2 и 3, например, из поликора, сапфира или нитрида алюминия толщиной 0,5 мм, герметично соединенных между собой обратными сторонами, например склеенных, спаянных, соединенных диффузионной сваркой или другим известным способом. В плате выполнены каналы 4 для циркуляции охлаждающей жидкости. На поверхности платы 1 выполнен топологический рисунок 5 металлизации, например, имеющий структуру Ti (100 Ом/мм²) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм).

Кристаллы 6 бескорпусных полупроводниковых приборов, например, транзисторов 3П603Б-5 размером 0,5х0,45х0,3 мм, установлены в объеме платы 1 так, что лицевые поверхности кристаллов 6 расположены в одной плоскости с лицевой поверхностью платы 1. Контактные площадки 7 кристаллов 6 соединены с топологическим рисунком 5 металлизации, например золотой проволокой диаметром 30 мкм. Кристаллы 6 установлены в углублениях 8 и закреплены связующим веществом 9, например клеем ЭЧЭ-С. Плоская диэлектрическая крышка 10, например, выполнена из кварца толщиной 0,2 мм, герметично соединена с платой 1, что удовлетворяет соотношению:

Размеры углублений 8 на лицевой поверхности платы 1 составляют 0,6х0,55х0,33 мм, что обеспечивает соответствующее расположение кристаллов 6.

В дне 11 углублений 8 выполнены отверстия 12, например диаметром 100 мкм, заполненные электро- и теплопроводящим материалом 13, например медью (заращены) или припоем Au-Si эвтектического состава.

Каналы 4 образованы выемками 14 глубиной 0,1 мм на обратной стороне платы 1, имеющими толщину 0,2 мм (по 0,1 мм от каждой части платы 1). Толщина дна 11 углублений 8 составляет 70 мкм.

Крышка 10 присоединена к плате 1 диэлектрическим теплопроводным веществом 15, например клеем ТК-8НБ с наполнителем из нитрида алюминия. Ширина канала 4 выбрана равной 0,8 мм. Обратная сторона платы 1 и выемки 14 в ней имеют металлизацию 16 со структурой, например, Ti (100 Ом/мм²) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм).

Части 2 и 3 платы 1 дополнительно скреплены зажимом 17 (фиг.2), выполненным, например, из титана.

Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона согласно изобретению работает следующим образом.

Теплота, выделяемая кристаллами 6 (фиг.1), рассеивается во все стороны: вниз через дно 11 углублений 8 с отверстиями 12, заполненными материалом 13, в стороны через связующее вещество 9 и плату 1 и вверх через выводы и крышку 10. Таким образом, создаются лучшие условия для отвода тепла от кристаллов 6.

Патентуемая мощная гибридная интегральная схема позволяет повысить прочность и надежность конструкции за счет размещения кристаллов в углублениях платы, улучшить массогабаритные характеристики за счет использования составной конструкции платы, повысить технологичность за счет облегчения изготовления каналов для циркуляции охлаждающей жидкости.

При описании рассматриваемого варианта осуществления изобретения для ясности используется конкретная узкая терминология. Однако изобретение не ограничивается принятыми терминами и необходимо иметь в виду, что каждый такой термин охватывает все эквивалентные термины, работающие аналогично и используемые для решения тех же задач.

Хотя настоящее изобретение описано в связи с предпочтительным видом реализации, понятно, что могут иметь место изменения и варианты без отклонения от идеи и объема изобретения, что компетентные в данной области лица легко поймут.

Эти изменения и варианты считаются не выходящими за рамки сущности и объема изобретения и прилагаемых пунктов формулы изобретения.

Использование: в полупроводниковой технике. Сущность изобретения: в мощной гибридной интегральной схеме СВЧ-диапазона, в которой диэлектрическая плата выполнена из двух частей, герметично соединенных обратными сторонами, кристаллы расположены в углублениях с отверстиями в дне, заполненными электропроводящим материалом. Углубления выполнены на лицевых поверхностях обеих частей платы. Крышка герметично присоединена к лицевым поверхностям частей платы. Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных характеристик, увеличение прочности и надежности, технологичность. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона, содержащая диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации на поверхности платы и каналами для циркуляции охлаждающей жидкости, кристаллы бескорпусных полупроводниковых приборов с контактными площадками, установленные в объеме платы так, что лицевые поверхности кристаллов расположены в одной плоскости с лицевой поверхностью платы и закреплены связующим веществом, и плоскую диэлектрическую крышку, герметично соединенную с платой, отличающаяся тем, что плата выполнена из двух частей, например, из поликора, сапфира или нитрида алюминия толщиной 0,5 мм, герметично соединенных обратными сторонами, кристаллы расположены в углублениях, выполненных в лицевой поверхности платы и имеющих в дне отверстия диаметром 0,04-0,5 мм и площадью 0,1-90% от площади дна углубления, заполненные теплопроводящим материалом, а каналы для циркуляции охлаждающей жидкости образованы выемками глубиной 0,1 мм, выполненными на обратной стороне частей платы и совпадающими одна с другой, при этом ширина канала равна или превышает размеры кристалла, а толщина дна углубления над каналом равна 0,01-0,5 мм, причем материал и толщина h диэлектрической крышки выбраны из следующего соотношения:

где λ - длина волны, мм;
ε - диэлектрическая проницаемость материала крышки. 2. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона по п. 1, отличающаяся тем, что каналы выполнены металлизированными с антикоррозионным покрытием, а отверстия в дне углублений заполнены электро- и теплопроводящим материалом. 3. Мощная гибридная интегральная схема СВЧ диапазона по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что части платы дополнительно соединены зажимом.