ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2004 года по МПК H01L27/13 H05K1/16 

Изобретения относится к электронной технике, а именно к гибридным интегральным схемам СВЧ-диапазона.

Известна гибридная интегральная схема, в которой на обратной или лицевой стороне платы выполнено металлизированное углубление, металлизация которого служит нижней обкладкой конденсатора, оставшаяся часть платы под углублением служит диэлектриком конденсатора, а верхняя обкладка расположена на лицевой стороне платы и является частью топологического рисунка металлизации, причем остаточная толщина платы в углублении составляет 1-400 мкм [1].

Недостатками конструкции схемы являются низкие технологичность и массогабаритные характеристики, что объясняется тем, что мембрану в диэлектрической подложке изготовить сложно, а площадь такого конденсатора относительно большая.

Наиболее близким техническим решением является гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую подложку с локальной глазированной областью, на лицевой стороне подложки глазированной ее области в составе топологического рисунка платы расположен пленочный конденсатор, состоящий из металлических обкладок и диэлектрической пленки между ними, а на обратной стороне подложки расположена экранная заземляющая металлизация соединенная с нижней обкладкой конденсатора через отверстие, заполненное металлом и расположенное за пределами пленочного конденсатора [2].

Недостатками данной конструкции схемы являются низкие технологичность и массогабаритные характеристики, связанные с тем, что отверстие выполнено за пределами конденсатора.

Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных характеристик, повышение технологичности и снижение стоимости.

Технический результат достигается тем, что в известной конструкции гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, содержащей диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой в составе топологического рисунка металлизации выполнен пленочный конденсатор, состоящий из нижней и верхней металлических обкладок, между которыми расположена диэлектрическая пленка, а на обратной стороне диэлектрической подложки выполнена экранная заземляющая металлизация, в диэлектрической подложке выполнено отверстие, которое заполнено металлом, который соединяет нижнюю обкладку пленочного конденсатора с экранной заземляющей металлизацией, отверстие в диэлектрической подложке выполнено непосредственно под пленочным конденсатором, а поверхность металла отверстия, выходящая на лицевую сторону диэлектрической подложки, служит нижней обкладкой пленочного конденсатора и имеет шероховатость 0,02-0,08 мкм, а толщина диэлектрической пленки конденсатора равна 0,05-5 мкм.

Диэлектрическая пленка может быть выполнена из двух или более слоев, а ее размеры могут превышать размеры обкладок конденсатора в плане на 5-400 мкм. Заполнение отверстия металлом может быть в виде металлической вставки, соразмерной с отверстием, закрепленной связующим веществом, причем зазор между металлической вставкой и стенками отверстия может быть меньше или равен 0,5 мм.

Стенки отверстия могут быть металлизированными.

Поверхность нижней обкладки со стороны диэлектрической пленки конденсатора может иметь металлизационное покрытие толщиной 0,05-5 мкм.

Поверхность нижней металлической обкладки со стороны диэлектрической пленки может иметь пассивирующее покрытие толщиной 1,22-2000 ангстрем.

Выполнение отверстия в диэлектрической подложке непосредственно под пленочным конденсатором позволит уменьшить площадь схемы, а значит улучшить массогабаритные характеристики.

Металл, заполняющий отверстие и имеющий шероховатость 0,02-0,08 мкм и служащий нижней металлической обкладкой конденсатора, позволит снизить трудоемкость изготовления, а значит повысить технологичность, а также позволит использовать более дешевые подложки, так как снижены требования к чистоте обработки поверхности диэлектрической подложки, а значит снизить стоимость схемы, так как снижены требования к чистоте обработки поверхности диэлектрической подложки.

Толщина диэлектрической пленки конденсатора, равная 0,05-5 мкм, обеспечит, во-первых, необходимые изоляционные свойства, во-вторых, позволит получать конденсаторы с высокой удельной емкостью, а значит с малой площадью конденсатора и, следовательно, высокими массогабаритными характеристиками.

Выполнение диэлектрической пленки конденсатора из двух или более слоев позволит снизить ее дефектность, так как поры одного слоя не совпадут с порами другого слоя, и тем самым повысить технологичность, а выполнение ее размеров превышающим размер обкладок в плане на 5-400 мкм исключит боковые пробои и закоротки между обкладками, снизит критичность рассовмещения слоев при изготовлении конденсатора, а значит, повысит технологичность и улучшит массогабаритные характеристики.

Заполнение отверстия металлом в виде расположения в нем металлической вставки, например, выполненной из проволоки, закрепленной связующим веществом, позволит снизить трудоемкость этой операции, а значит, повысит технологичность.

Наличие металлизационного покрытия толщиной 0,05-5 мкм на стенках отверстия в диэлектрической подложке упростит заполнение отверстия металлом, вследствие смачивания стенок отверстия связующим веществом, например припоем, и последующего капиллярного всасывания, и тем самым повысит технологичность.

Наличие металлизационного покрытия на нижней металлической обкладке конденсатора со стороны диэлектрической пленки толщиной 0,05-5 мкм упростит выполнение структуры конденсатора, например, в случае создания диэлектрика конденсатора окислением металлизационного покрытия, а значит, снизит трудоемкость изготовления гибридной интегральной схемы.

Наличие пассивирующего покрытия толщиной 1,22-2000 ангстрем на нижней металлической обкладке со стороны диэлектрической пленки обеспечит защиту нижней металлической обкладки от агрессивных сред при химической обработке подложки и тем самым упростит изготовление схемы, а значит, повысит технологичность.

Толщина диэлектрической пленки конденсатора ограничена снизу требованиями к изоляционным свойствам, а сверху требованиями к уменьшению площади конденсатора.

Выполнение нижней металлической обкладки конденсатора с шероховатостью 0,02-0,08 мкм, соответствующей 11-14-му классу чистоты поверхности, позволит снизить требования к чистоте поверхности подложки, а значит снизить ее цену.

Превышение размеров диэлектрической пленки в плане над размерами металлических обкладок конденсатора менее 5 мкм предъявляет жесткие требования к точности совмещения, а более 400 мкм ухудшит массогабаритные характеристики.

Ограничение величины зазора между вставкой и стенками отверстия меньше и равным 0,5 мкм упростит закрепление вставки и повысит технологичность.

Ограничение толщины металлизационного покрытия снизу (0,05 мкм) обусловлено возможностью перевода всей пленки в диэлектрик, например путем ее окисления, а сверху (5 мкм) увеличением трудоемкости получения диэлектрической пленки конденсатора.

Ограничение толщины пассивирующего покрытия снизу 1,22 ангстрем соответствует покрытию поверхности монослоем инертного газа гелия, например, при облучении ионами гелия, и созданию минимальных защитных свойств, а сверху-2000 ангстрем отсутствием улучшения защитных свойств покрытия.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемой гибридной интегральной схемы, где

- диэлектрическая подложка - 1;

- топологический рисунок металлизации - 2;

- пленочный конденсатор - 3;

- нижняя металлическая обкладка - 4;

- верхняя металлическая обкладка - 5;

- диэлектрическая пленка конденсатора - 6;

- экранная заземляющая металлизация - 7;

- отверстие в подложке - 8;

- металл, заполняющий отверстие - 9;

- металлизация стенок отверстия -10;

- металлическая вставка - 11;

- связующее вещество - 12;

- металлизационное покрытие - 13;

- пассивирующее покрытие - 14.

Пример 1. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона содержит диэлектрическую подложку 1, например, поликоровую Ще7.817.010-05 Ще0.781.000 ТУ с размерами 48×60×0,5 мм.

Выполняют отверстие 8 диаметром 1 мм в месте расположения конденсатора 3.

В отверстие 8, имеющее металлизационное покрытие 10 на стенках, например, со структурой Pd хим. -Ni (химический 0,1-0,2мкм) - Сu (гальваническая 3 мкм) - Ni (гальванический 0,6 мкм) - Аu (гальваническое 3 мкм), вставляют металлическую вставку 11, например, из МД-50 (50% меди и 50% молибдена) и закрепляют связующим веществом 12, например, припоем Au-Si-эвтектического состава таким образом, чтобы плоскость металлической вставки 11, выходящая на лицевую сторону диэлектрической подложки 1, совпадала с последней. Поверхность металлической вставки 11, выходящая на лицевую сторону диэлектрической подложки 1, имеет шероховатость 0,025-0,05, соответствующую 14-му классу чистоты поверхности.

На поверхность металлической вставки 11, выходящую на лицевую сторону диэлектрической подложки 1, наносят металлизационное покрытие 13, например, слой алюминия толщиной 1 мкм. Часть металлизационного покрытия 13, например, 500 ангстрем переводят в пассивирующее покрытие 14, например пленку Аl₂О₃.

Пассивирующее покрытие позволит проводить химическую очистку поверхности, необходимую для обеспечения адгезии наносимых пленок. Наносят диэлектрическую пленку конденсатора 6, которая перекрывает нижнюю обкладку 4 пленочного конденсатора 3 на 100 мкм с каждой стороны.

Экранная заземляющая металлизация 7, топологический рисунок металлизации 2 и верхняя обкладка 5 пленочного конденсатора 3 имеют структуру, например, Ti (100 Ом/мм²) - Ni (напыленный-0,5 мкм) - Сu (гальваническая 3 мкм) - Ni (гальванический 0,6 мкм) - Аu (гальваническое 3 мкм).

Конфигурация верхней обкладки 5 повторяет конфигурацию нижней обкладки 4 и равна ей по размерам (диаметр 1 мм). Верхняя обкладка 5 выполнена в составе топологического рисунка металлизации 2 и соединена с ним.

Пример 2. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена аналогично примеру 1, но с шероховатостью поверхности нижней металлической обкладки 4, равной 0,02 мкм, толщиной диэлектрической пленки 6, равной 0,05 мкм, с превышением размеров диэлектрической пленки 6 над размерами обкладок 4 и 5 в плане 5 мкм, толщиной металлизационного покрытия 13, равной 0,05 мкм, толщиной пассивирующего покрытия 14 нижней обкладки 4, равной 1,22 ангстрем (диаметр атома гелия).

Пример 3. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена аналогично примеру 1, но с шероховатостью поверхности нижней металлической обкладки 4, равной 0,08 мкм, толщиной диэлектрической пленки 6 равной 5 мкм, превышением размеров диэлектрической пленки 6 над размерами металлических обкладок 4 и 5 в плане 400 мкм, толщиной металлизационного покрытия 13, равной 5 мкм, толщиной пассивирующего покрытия 14 нижней обкладки 4 конденсатора 3, равной 2000 ангстрем (например, слой Аl₂O₃ или осажденный слой алмазоподобного углерода).

Пример 4. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена аналогично примеру 1, но металлическую вставку 11 в отверстие 8 закрепляют легкоплавким стеклом (пайка стеклом), что не требует металлизации стенок отверстия.

Пример 5. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена аналогично примеру 1, но с шероховатостью поверхности нижней металлической обкладки 4, равной 0,1 мкм, толщиной диэлектрической пленки 8, равной 0,03 мкм, превышением размеров диэлектрической пленки 6 над размерами обкладок 4 и 5 в плане 3 мкм (по 1,5 мкм на каждую сторону), толщиной металлизационного покрытия 13, равной 0,03 мкм, толщиной пассивирующего покрытия нижней обкладки 4, равной 1 ангстрем (диаметр атома водорода).

Конструкция гибридной интегральной схемы, выполненная с размерами меньшими, чем указаны в формуле изобретения, имеет, во-первых, низкую технологичность, связанную с недостаточной электрической прочностью диэлектрической пленки конденсатора и ее повышенной дефектностью, во-вторых, высокую трудоемкость, связанную со сложностью и трудоемкостью получения указанной шероховатости, в-третьих, высокую стоимость из-за низкого процента выхода годных, связанный с низкой надежностью диэлектрической пленки.

Пример 6. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена аналогично примеру 1, но с шероховатостью поверхности нижней металлической обкладки 4 конденсатора 3, равной 0,1 мкм, толщиной диэлектрической пленки 6, равной 7 мкм, толщиной металлизационного покрытия 13, равной 7 мкм, толщиной пассивирующего покрытия 14 нижней обкладки 4, равной 2500 ангстрем.

Конструкция гибридной интегральной схемы, выполненная с размерами, большими, чем указаны в формуле изобретения, имеет, во-первых, высокую трудоемкость из-за увеличения толщины диэлектрической пленки, металлизационного и пассивирующего покрытия, а во-вторых, ухудшение массогабаритных характеристик схемы, так как увеличение толщины диэлектрической пленки приводит к снижению емкости конденсатора. Увеличение превышения размеров диэлектрической пленки над размерами обкладок конденсатора в плане не приводит к увеличению надежности, но приводит к увеличению площади схемы, а значит к ухудшению массогабаритных характеристик схемы. Увеличение шероховатости поверхности нижней обкладки требует увеличения толщины диэлектрической пленки, а значит, приводит к увеличению площади схемы, а значит к ухудшению массогабаритных характеристик схемы.

Предлагаемая конструкция гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона позволит улучшить массогабаритные характеристики схемы, повысить технологичность и снизить стоимость, в том числе за счет расширения номенклатуры применяемых диэлектрических подложек.

Источники информации

1. Патент РФ № 2137256, приоритет 26.09.96 г., МПК⁶: H 01 L 27/00, Н 05 К 3/00, 5/00.

2. А.М.Темнев, Р.А.Силин, А.Г.Михальченков/ Гибридно-монолитные интегральные приборы СВЧ: конструирование и технология изготовления// Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. Вып.20(1319), 1987 г. Стр.14.

Использование: в электронной технике. Технический результат - улучшение массогабаритных характеристик, повышение технологичности и снижение стоимости. Сущность изобретения: в конструкции гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, содержащей диэлектрическую подложку с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне и экранной заземляющей металлизацией на обратной, пленочным конденсатором в составе топологического рисунка, нижняя обкладка пленочного конденсатора выполнена в виде отверстия, заполненного металлом, соединяющим нижнюю обкладку с экранной заземляющей металлизацией. Причем шероховатость поверхности нижней обкладки конденсатора равна 0,02-0,08 мкм, толщина диэлектрической пленки конденсатора 0,05-5 мкм, а превышение размеров диэлектрической пленки конденсатора над размерами обкладок в плане равно 5-400 мкм. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой в составе топологического рисунка металлизации выполнен пленочный конденсатор, состоящий из нижней и верхней металлических обкладок, между которыми расположена диэлектрическая пленка, а на обратной стороне диэлектрической подложки выполнена экранная заземляющая металлизация, в диэлектрической подложке выполнено отверстие, которое заполнено металлом, который соединяет нижнюю обкладку пленочного конденсатора с экранной заземляющей металлизацией, отличающаяся тем, что отверстие в диэлектрической подложке выполнено непосредственно под пленочным конденсатором, а поверхность металла, заполняющего отверстие, выходящая на лицевую сторону диэлектрической подложки, служит нижней обкладкой пленочного конденсатора и имеет шероховатость 0,02-0,08 мкм, а толщина диэлектрической пленки конденсатора равна 0,05-5 мкм.2. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая пленка конденсатора выполнена из двух или более слоев, а ее размеры превышают размеры обкладок конденсатора в плане на 5-400 мкм.3. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что отверстие заполнено металлом в виде металлической вставки, соразмерной с отверстием, закрепленной связующим веществом, причем зазор между металлической вставкой и стенками отверстия меньше или равен 0,5 мм.4. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона по пп.1-3, отличающаяся тем, что стенки отверстия металлизированы.5. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона по пп.1-4, отличающаяся тем, что поверхность нижней обкладки со стороны диэлектрической пленки конденсатора имеет металлизационное покрытие толщиной 0,05-5 мкм.6. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона по пп.1-5, отличающаяся тем, что поверхность нижней обкладки со стороны диэлектрической пленки имеет пассивирующее покрытие толщиной 1,22-2000.