КОРПУС ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА СВЧ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01L23/02 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к металлокерамическим корпусам для полупроводниковых приборов СВЧ.

Одной из основных функций корпуса для полупроводникового прибора СВЧ является обеспечение:

во-первых, герметичности и надежности и, прежде всего, с точки зрения защиты от воздействия окружающей среды, отрицательно влияющей на параметры полупроводникового прибора СВЧ,

во-вторых, эффективного отвода тепла от полупроводникового прибора СВЧ и, прежде всего, с целью получения максимально допустимой выходной мощности СВЧ,

в-третьих, долговечности работы полупроводникового прибора СВЧ и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ,

в-четвертых, минимальных массогабаритных характеристик.

Кроме того, не менее важным является обеспечение возможности надежного планарного соединения корпуса с другими элементами устройств и систем радиоэлектронной техники СВЧ.

Известны корпус для мощной гибридной интегральной схемы и способ его изготовления, представляющие собой:

- теплоотводящее основание и рамку для вводов/выводов, выполненные из бескислородной жесткой меди;

- металлокерамический ввод/вывод сборной конструкции, выполненный в виде керамической втулки, локально металлизированной под пайку как в области соединения ее с рамкой, так и с проводником штырькового типа. При этом проводник выполнен составным в виде медной жилы и сплава типа ковар и соединен с металлизированной керамической втулкой высокотемпературной пайкой при температуре выше 780°С;

- крышку, выполненную из сплава типа ковар или иного сплава [1, стр.7/4].

Наличие в конструкции корпуса технологической пары материалов в виде бескислородной жесткой меди и сплава типа ковар:

во-первых, делает эту конструкцию напряженной в силу существенного различия значений термических коэффициентов линейного расширения материалов и, следовательно, недостаточно надежным и корпус в целом и, особенно, при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ;

во-вторых, приводит к значительным потерям на СВЧ, что затрудняет использование данного корпуса для полупроводниковых приборов СВЧ;

Известны корпус для интегральных схем быстродействующей связной радиоэлектронной аппаратуры и способ его изготовления, представляющие собой

- теплоотводящее основание с принудительным охлаждением, выполненное из псевдосплава на основе бескислородной меди и вольфрама либо молибдена;

- рамку со сквозными отверстиями для вводов/выводов, расположенную на одной из поверхностей теплоотводящего основания по его периметру;

- расположенную на упомянутой поверхности основания, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку для расположения и последующего соединения с ним кристалла либо кристаллов интегральной схемы;

- по меньшей мере, два металлокерамических вводов/выводов из алюмосиликатной керамики, при этом проводник выполнен из молибдена либо вольфрама, одни контактные площадки которых выходят на упомянутую поверхность теплоотводящего основания, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу,

В процессе изготовления металлокерамических вводов/выводов на необожженную алюмосиликатную керамику наносят проводники методом тонкопленочной металлизации из молибдена либо вольфрама с последующим высокотемпературным обжигом в окислительно-восстановительной среде;

- при этом металлокерамические вводы/выводы соединены с рамкой пайкой твердым припоем;

- при этом металлокерамические вводы/выводы и сквозные отверстия для них в рамке выполнены прямоугольной формы - прототип [1, стр.7/2].

Использование в данной конструкции корпуса других материалов позволило несколько снизить потери на СВЧ.

Однако и данный корпус не обеспечивает достаточной как надежности и долговечности и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ, так и выходной мощности СВЧ.

Техническим результатом предлагаемых изобретений является повышение надежности и долговечности и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ, увеличение выходной мощности СВЧ, повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления, уменьшение массогабаритных характеристик.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Предлагаемым устройством - корпусом для полупроводникового прибора СВЧ, содержащим теплоотводящее основание, рамку со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, расположенную на одной из поверхностей теплоотводящего основания по его периметру, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку для расположения и последующего соединения с ним кристалла либо кристаллов полупроводникового прибора, расположенные на упомянутой поверхности теплоотводящего основания, по меньшей мере, два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят на упомянутую поверхность теплоотводящего основания, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу, при этом металлокерамические вводы/выводы соединены с рамкой твердым припоем.

В котором теплоотводящее основание и рамка выполнены монолитно, последняя - в виде бортика по его периметру, толщиной, равной не более 2,0 мм, металлокерамические вводы/выводы выполнены также монолитно в виде проводника из металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, расположенного внутри трубки с размером внутреннего сечения, равным 0,2-1,0 мм, выполненной из предварительно обожженной керамики, металлокерамические вводы/выводы и соответственно сквозные отверстия для них в рамке выполнены круглого сечения, размер сечения которых, длина металлокерамических вводов/выводов, а также размеры сечений их проводников и размер их контактных площадок определяются заданными параметрами полупроводникового прибора, а контактные площадки выполнены на концах металлокерамических вводов/выводов параллельно и/или перпендикулярно их оси.

В теплоотводящем основании вне рамки могут быть выполнены дополнительно сквозные отверстия круглого сечения для металлокерамических вводов/выводов.

Проводник металлокерамического ввода/вывода выполнен из металла бескислородной меди либо золота, либо серебра, либо платины, либо сплава металлов, при этом он может иметь добавку межфазноактивного элемента в виде титана либо хрома, либо марганца, либо бора.

Так и предлагаемым способом его изготовления, включающим последовательное изготовление теплоотводящего основания, рамки со сквозными отверстиями, по меньшей мере, одной металлической контактной площадки на одной из поверхностей упомянутого основания для расположения кристалла либо кристаллов полупроводникового прибора, по меньшей мере, двух металлокерамических вводов/выводов, расположение их в рамке таким образом, что одни их контактные площадки выходят на упомянутую поверхность теплоотводящего основания, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу, и соединение металлокерамических вводов/выводов с рамкой пайкой твердым припоем.

В котором теплоотводящее основание и рамку изготавливают в едином технологическом цикле, монолитно, последнюю - из части материала теплоотводящего основания в виде бортика по его периметру, толщиной, равной не более 2,0 мм, а изготовление металлокерамических вводов/выводов осуществляют посредством размещения металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, внутри трубки заданного размера, выполненной из предварительно обожженной керамики, металлизированной по наружной ее поверхности, последующего нагрева в электрической печи с регулируемой средой до полного расплавления металла или сплава металлов, выдержки при этой температуре не более 10 минут и охлаждения до комнатной температуры, извлечения заготовок металлокерамических вводов/выводов, доводки их до заданного размера, последующего изготовления контактных площадок на их концах параллельно и/или перпендикулярно их оси, очистки металлокерамических вводов/выводов, а соединяют металлокерамические вводы/выводы с рамкой пайкой твердым припоем по их металлизированной наружной поверхности.

Рамку для металлокерамических вводов/выводов и сквозные отверстия в ней изготавливают любым известным способом.

При изготовлении металлокерамических вводов/выводов в качестве металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, берут бескислородную медь либо золото, либо серебро, либо платину, при этом в них может быть введена добавка межфазноактивного элемента в виде титана либо хрома, либо марганца, либо бора не более одного весового процента, а размещают металлы или сплавы металлов внутри трубки заданного размера, выполненной из предварительно обожженной керамики, в виде проволоки, порошка, стружки, а регулируемой средой служит вакуум с натеканием по гелию не ниже 1,3×10^-5 м³ Па/с, либо восстановительная среда - водорода или /смеси водорода с азотом с температурой точки росы не более -45°С, либо среда инертного газа, доводку их до заданного размера и изготовление контактных площадок на их концах параллельно и/или перпендикулярно оси осуществляют шлифованием.

При соединении металлокерамических вводов/выводов с рамкой пайкой твердым припоем последний берут в виде сплава бескислородной меди с серебром либо золотом, либо платиной, либо германием, либо меди, нанесенной гальваническим методом на металлизированную наружную поверхность металлокерамических вводов/выводов.

Выполнение металлокерамических вводов/выводов и соответственно сквозных отверстий для них круглого сечения позволяет благодаря простоте и большей технологичности изготовления последних выполнить теплоотводящее основание и рамку для металлокерамических вводов/выводов монолитно.

Выполнение монолитно как теплоотводящего основания и рамки, так и металлокерамических вводов/выводов каждых соответственно раздельно, позволит исключить паяные соединения твердыми припоями между основанием и рамкой, а также между металлом проводника и керамикой ввода/вывода и тем самым повысить:

во-первых, надежность,

во-вторых, долговечность и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ, при которых, как известно, возрастают тепловые нагрузки на элементы конструкции, могущие вызвать выход их из строя.

Необходимая и достаточная совокупность выполнения с одной стороны металлокерамических вводов/выводов и соответственно сквозных отверстий для них в рамке круглого сечения и с другой - теплоотводящего основания и рамки для металлокерамических вводов/выводов монолитно обеспечит:

- повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления благодаря возможности более точного как изготовления, так и сопряжения элементов корпуса при их взаимном расположении,

- уменьшение массогабаритных характеристик.

Предложен способ изготовления корпуса, в котором и само формирование проводника вводов/выводов и соединение его с керамикой осуществляют в едином технологическом цикле.

При этом соединение происходит благодаря адгезионным и термодиффузионным процессам, протекающим при непосредственном контакте расплавленного металла или сплава металлов проводника с внутренней поверхностью трубки, выполненной из обожженной керамики, в указанной регулируемой среде.

Указанный тип соединения, который имеет место быть между металлом или сплавом металлов проводника и керамикой вводов/выводов, обладает достаточно высокой надежностью и обеспечит герметичность соединения металлокерамических вводов/выводов с рамкой.

Выполнение металлокерамических вводов/выводов из предварительно обожженной керамики, температура обжига которой достаточно высокая (1600-1650°С), позволит использовать в качестве металла или сплава металлов проводника металлокерамических вводов/выводов:

а) менее тугоплавкие металлы, чем, например, молибден или вольфрам,

б) но при этом, которые имеют температуру плавления выше температуры плавления твердого припоя при последующей пайке.

И при этом, и это не менее важно, упомянутый металл или сплав металлов должен иметь максимально низкое электрическое сопротивление.

Наличие одного из указанных межфазноактивных элементов повышает смачиваемость и адгезию расплава металла или сплава металлов к внутренней поверхности трубки, выполненной из обожженной керамики и особенно в случае выполнения металлокерамических вводов/выводов больших размеров и тем самым обеспечит герметичность металлокерамических вводов/выводов.

Возможность использования указанных металлов или сплавов металлов, которые имеют низкое электрическое сопротивление, при прочих упомянутых условиях, в качестве проводника металлокерамических вводов/выводов позволит увеличить выходную мощность СВЧ.

Следует отметить, что из них наиболее предпочтительна бескислородная медь и ее сплавы и, в том числе, с точки зрения ее стоимости.

Выполнение рамки для металлокерамических вводов/выводов указанной толщины, более 2,0 мм, с одной стороны, ограничено требованием целостности рамки, а с другой, нецелесообразно, в том числе из-за увеличения массогабаритных характеристик.

Трубка, выполненная из обожженной керамики именно с указанным малым внутренним диаметром, равным 0,2-1,0 мм, в процессе расплавления в ней металла или сплава металлов проводника, благодаря действию сил, обусловленных капиллярным давлением, обеспечивает как заполнение расплавом трубки, так и необходимый контакт и адгезию расплава к ее внутренней поверхности, и тем самым обеспечивает высокую надежность и герметичность вышеназванного термодиффузионного соединения металла или сплава проводника с обожженной керамикой вводов/выводов.

Регулируемая среда в указанных ее вариантах обеспечивает необходимые технологические условия, в том числе исключающие вероятность окисления материала проводника.

Кроме того, немаловажным является также исключение дорогостоящих материалов молибдена и вольфрама в качестве проводника металлокерамических вводов/выводов.

Кроме того, предлагаемая конструкция корпуса для полупроводниковых приборов СВЧ обеспечит:

- возможность использования при изготовлении корпуса известных групповых методов,

- возможность надежного планарного соединения корпуса с другими элементами устройств и систем радиоэлектронной техники СВЧ, так как в некотором приближении можно рассматривать конструктивное выполнение металлокерамического ввода/вывода в виде полосковой линии.

Таким образом, совокупность предложенных признаков каждого независимого пункта формулы как устройства - корпуса, так и способа его изготовления, обеспечит указанный технический результат, а именно повышение надежности и долговечности, повышение выходной мощности СВЧ, повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления, уменьшение массогабаритных характеристик.

Изобретение поясняется чертежом, где изображены разрез предлагаемого корпуса для полупроводникового прибора СВЧ и металлокерамический ввод/вывод соответственно и обозначено: теплоотводящее основание 1, рамка для металлокерамических вводов/выводов 2, металлическая контактная площадка для расположения кристалла либо кристаллов полупроводникового прибора СВЧ 3, металлокерамические вводы/выводы 4, с контактными площадками, выполненными на их концах, параллельно их оси 5.

Пример 1.

Рассмотрено изготовление корпуса, например для полевого транзистора СВЧ.

Изготовление теплоотводящего основания 1 и рамки со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов 2

Для этого берут пластину из теплопроводящего материала, например из безкислородной меди размером, соответствующим размеру теплоотводящего основания 1. На одной из его поверхностей из части его материала, по его периметру, изготавливают рамку 2 в виде бортика толщиной, равной 1 мм, например фрезерованием.

Затем в рамке - бортике изготавливают сквозные отверстия круглого сечения с размером, равным 0,6 мм, для расположения металлокерамических вводов/выводов 4, например сверлением.

Затем на упомянутой поверхности теплоотводящего основания 1 изготавливают металлическую контактную площадку 3 для расположения и соединения кристалла полевого транзистора СВЧ.

Изготовление металлокерамических вводов/выводов 4

Для этого берут трубку, выполненную из предварительно обожженной керамики, например ВК 94-1, с размером внутреннего ее сечения, равным 0,5 мм, металлизируют ее по наружной поверхности, например, пастой ПСТМ-1. Далее размещают внутри упомянутой трубки бескислородную медь, например, в виде проволоки, равной длине трубки либо с выступающими концами. Далее размещают упомянутое в электрической печи с регулируемой средой, например, сухим водородом с температурой точки росы не выше -20°С, нагревают до температуры плавления бескислородной меди и выдерживают при температуре, равной 1083-1150°С, в течение 5 минут, охлаждают до комнатной температуры.

Извлекают заготовку металлокерамических вводов/выводов 4 из электрической печи, производят доводку их до заданного размера и изготавливают контактные площадки на их концах, параллельно их оси шлифованием, далее производят очистку металлокерамических вводов/выводов, например, в ацетоне с использованием ультразвука.

Далее располагают изготовленные металлокерамические вводы/выводы 4 в рамке 2, одними контактными площадками к упомянутой поверхности основания 1, а другими - через сквозные отверстия в рамке наружу и соединяют металлокерамические вводы/выводы с рамкой пайкой твердым припоем, например ПСр-72 В, по их металлизированной наружной поверхности.

Примеры 2-3.

Аналогично примеру 1 изготовлены корпуса для полевого транзистора СВЧ, но при других значениях толщины рамки, размера внутреннего сечения трубки, выполненной из предварительно обожженной керамики, указанных в формуле изобретения.

Изготовленные образцы корпуса для полевого транзистора СВЧ прошли испытания на предмет герметичности и надежности.

Герметичность определяли с помощью гелиевого течеискателя типа ПТИ-10 по техническим требованиям согласно ОСТ 11 332.702-89.

Оценку надежности по герметичности и сохранению целостности проводили методом термоциклирования при определенном режиме согласно ОСТ 11 332.702-89 и дополнительных термоциклов по режиму «Приложение», таблица 1, до потери ими герметичности.

Как показали результаты испытаний, изготовленные образцы корпусов имели герметичность по натеканию гелия не более 1,33×10^-11 м³Па/с.

Герметичность и целостность их сохранились как после основного термоциклирования, так и 30 дополнительных термоциклов.

Таким образом, предлагаемые как корпус для полупроводникового прибора СВЧ, так и способ его изготовления, позволят по сравнению с прототипом повысить:

во-первых, надежность,

во-вторых, долговечность и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ,

в-третьих, выходную мощность СВЧ.

А также повысить технологичность и снизить трудоемкость изготовления, уменьшить массогабаритные характеристики.

Кроме того, предлагаемая конструкция корпуса обеспечит:

- возможность использования при изготовлении корпуса известных групповых методов,

- возможность надежного планарного соединения корпуса с другими элементами устройств и систем радиоэлектронной техники СВЧ.

Кроме того, экономию дорогостоящих материалов, таких как молибден и вольфрам.

Источник информации

1. Colloq. Microwave Packag., London, 14 Apr. 1986. Electron. Div, PGE 12. London, 1986.

Изобретение относится к электронной технике. Сущность изобретения: в корпусе для полупроводникового прибора СВЧ, в котором теплоотводящее основание и рамка выполнены монолитно, последняя - в виде бортика по его периметру, толщиной, равной не более 2,0 мм, металлокерамические вводы/выводы выполнены также монолитно в виде проводника из металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, расположенного внутри трубки с размером внутреннего сечения, равным 0,2-1,0 мм, выполненной из предварительно обожженной керамики, металлокерамические вводы/выводы и соответственно сквозные отверстия для них в рамке выполнены круглого сечения, размер сечения которых, длина металлокерамических вводов/выводов, а также размеры сечений их проводников и размер их контактных площадок определяются заданными параметрами полупроводникового прибора, а контактные площадки выполнены на концах металлокерамических вводов/выводов параллельно и/или перпендикулярно их оси. Заявлен также способ изготовления корпуса полупроводникового прибора СВЧ. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и долговечности, увеличение выходной мощности СВЧ, повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления, уменьшение массогабаритных характеристик. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ, содержащий теплоотводящее основание, рамку со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, расположенную на одной из поверхностей теплоотводящего основания по его периметру, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку для расположения и последующего соединения с ним кристалла либо кристаллов полупроводникового прибора, расположенные на упомянутой поверхности теплоотводящего основания, по меньшей мере, два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят на упомянутую поверхность теплоотводящего основания, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу, при этом металлокерамические вводы/выводы соединены с рамкой твердым припоем, отличающийся тем, что теплоотводящее основание и рамка выполнены монолитно, последняя -в виде бортика по его периметру, толщиной, равной не более 2,0 мм, металлокерамические вводы/выводы выполнены также монолитно в виде проводника из металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, расположенного внутри трубки с размером внутреннего сечения, равным 0,2-1,0 мм, выполненной из предварительно обожженной керамики, металлокерамические вводы/выводы и соответственно сквозные отверстия для них в рамке выполнены круглого сечения, размер сечения которых, длина металлокерамических вводов/выводов, а также размеры сечений их проводников и размер их контактных площадок определяются заданными параметрами полупроводникового прибора, а контактные площадки выполнены на концах металлокерамических вводов/выводов параллельно и/или перпендикулярно их оси.2. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ по п.1, отличающийся тем, что в теплоотводящем основании могут быть выполнены дополнительно сквозные отверстия круглого сечения для металлокерамических вводов/выводов.3. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ по п.1, отличающийся тем, что проводник металлокерамического ввода/вывода выполнен из металла бескислородной меди либо золота, либо серебра, либо платины, или сплава металлов, при этом он может иметь добавку межфазноактивного элемента в виде титана либо хрома, либо марганца, либо бора.4. Способ изготовления корпуса полупроводникового прибора СВЧ, включающий последовательное изготовление теплоотводящего основания, рамки со сквозными отверстиями, по меньшей мере, одной металлической контактной площадки на одной из поверхностей упомянутого основания для расположения кристалла либо кристаллов полупроводникового прибора, по меньшей мере, двух металлокерамических вводов/выводов, расположение их в рамке таким образом, что одни их контактные площадки выходят на упомянутую поверхность теплоотводящего основания, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу и соединение металлокерамических вводов/выводов с рамкой пайкой твердым припоем, отличающийся тем, что теплоотводящее основание и рамку изготавливают в едином технологическом цикле, монолитно, последнюю - из части материала теплоотводящего основания в виде бортика по его периметру, толщиной равной не более 2,0 мм, а изготовление металлокерамических вводов/выводов осуществляют посредством размещения металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, внутри трубки заданного размера, выполненной из предварительно обожженной керамики, металлизированной по наружной ее поверхности, последующего нагрева в электрической печи с регулируемой средой до полного расплавления металла или сплава металлов, выдержки при этой температуре не более 10 минут и охлаждения до комнатной температуры, извлечения заготовок металлокерамических вводов/выводов, доводки их до заданного размера и последующего изготовления контактных площадок на их концах параллельно и/или перпендикулярно оси, очистки металлокерамических вводов/выводов, а соединяют металлокерамические вводы/выводы с рамкой пайкой твердым припоем по их металлизированной наружной поверхности.5. Способ изготовления корпуса полупроводникового прибора СВЧ по п.4, отличающийся тем, что рамку для металлокерамических вводов/выводов и сквозные отверстия в ней изготавливают любым известным способом.6. Способ изготовления корпуса полупроводникового прибора СВЧ по п.4, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вводов/выводов в качестве металла или сплава металлов, имеющих низкое электрическое сопротивление, берут бескислородную медь либо золото, либо серебро, либо платину, при этом в них может быть введена добавка межфазноактивного элемента в виде титана либо хрома, либо марганца, либо бора не более одного весового процента, а размещают металлы или сплавы металлов внутри трубки заданного размера, выполненной из предварительно обожженной керамики, в виде проволоки, порошка, стружки, а регулируемой средой служит вакуум с натеканием по гелию не ниже 1,3×10^-5 м³Па/с, либо восстановительная среда - водорода или смесь водорода с азотом с температурой точки росы не более - 45°С, либо среда инертного газа, доводку их до заданного размера и изготовление контактных площадок на их концах параллельно и/или перпендикулярно оси осуществляют шлифованием.7. Способ изготовления корпуса полупроводникового прибора СВЧ по п.4, отличающийся тем, что при соединении металлокерамических вводов/выводов с рамкой пайкой твердым припоем, последний берут в виде сплава бескислородной меди с серебром либо золотом, либо платиной, либо германием, либо бескислородной меди, нанесенной гальваническим методом на металлизированную наружную поверхность металлокерамических вводов/выводов.