ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ Российский патент 2015 года по МПК H01L27/12 H05K1/03 

Изобретение относится к электронной технике, а именно интегральным схемам СВЧ, и может быть широко использовано в электронной технике СВЧ, в частности в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками (ФАР).

Основными характеристиками интегральной схемы СВЧ и особенно в последнем случае ее применения являются выходная мощность, коэффициент полезного действия (КПД) и массогабаритные характеристики.

Известна СВЧ интегральная схема, содержащая диэлектрическую плату с размещенными на одной ее стороне копланарными линиями, пассивными и активными элементами, установленную на металлическом основании, и выводы, в которой с целью упрощения конструкции, снижения стоимости, улучшения электрических характеристик диэлектрическая плата установлена на металлическом основании стороной, содержащей копланарные линии [1].

Данная интегральная схема СВЧ в силу наличия копланарной линии передачи позволяет легко включать пассивные элементы, в том числе и шунтирующие без проволочных соединений и тем самым сократить частично, но не полностью число и соответственно длину проволочных соединений и тем самым частично уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие, - повышение их воспроизводимости и повышение надежности интегральной схемы СВЧ.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены пассивные элементы, в том числе шунтирующие - конденсаторы и резисторы, копланарные линии передачи и выводы и установлены активные элементы.

В данной интегральной схеме с целью улучшения электрических характеристик активные компоненты установлены на диэлектрическую плату лицевой стороной, а на лицевой стороне диэлектрической платы в местах соединения шунтирующих элементов и в местах отвода тепла от активных компонентов выполнены металлические столбы сечением и высотой 40-50 мкм, посредством которых диэлектрическая плата установлена лицевой стороной на металлическое основание, а выемка в металлическом основании выполнена только под активными компонентами [2].

Наличие и указанное расположение упомянутых металлических столбов в СВЧ интегральной схеме позволило:

во-первых, практически полностью исключить проволочные соединения и тем самым максимально уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие, - повысить их воспроизводимость и повысить надежность интегральной схемы СВЧ,

во-вторых, отвести тепло от активных элементов кратчайшим путем и тем самым улучшить отвод тепла и, как следствие, - улучшить электрические характеристики и повысить надежность интегральной схемы СВЧ.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы либо - пассивные элементы, линии передачи, выводы и навесные активные элементы, при этом элементы соединены электрически, интегральная схема заземлена,в которой с целью улучшения электрических характеристик, повышения надежности, снижения массогабаритных характеристик диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной, равной 100-200 мкм, которая имеет металлизационное покрытие, при этом металлизационное покрытие выполнено в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, при этом упомянутые слои выполнены одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя, а заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия, а навесные активные элементы выполнены на кристалле толщиной 100 мкм [3] - прототип.

Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками нашла широкое применение в усилителях и генераторах СВЧ, различных преобразовательных схемах СВЧ, в том числе в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых входит множество (порядка тысячи) идентичных элементов.

Однако вышеуказанные преимущества данной конструкции в ряде случаев (мощных усилителях, мощных переключателях, мощных защитных устройствах) являются недостаточными, когда требуется:

во-первых, более эффективный отвод тепла,

во-вторых, значительное повышение воспроизводимости электрических характеристик,

в-третьих, значительное снижение массогабаритных характеристик.

Это обусловлено как минимально возможной толщиной кристалла активного элемента, которая составляет порядка 100 мкм, так и точностью и качеством его монтажа на диэлектрическую подложку.

Техническим результатом является улучшение электрических характеристик и повышение их воспроизводимости, повышение надежности, снижение массогабаритных характеристик, уменьшение трудоемкости изготовления интегральной схемы СВЧ.

Указанный технический результат достигается заявленной интегральной схемой СВЧ, содержащей диэлектрическую подложку, выполненную из алмаза, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено металлизационное покрытие, при этом элементы интегральной схемы электрически соединены и заземлены согласно ее электрической схемы,в которой на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм,

а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния,

при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно,

в упомянутой диэлектрической подложке и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия,

а заземлена интегральная схема посредством этих сквозных металлизированных отверстий.

Диэлектрическая подложка может быть выполнена из природного алмаза либо искусственного, в том числе поликристаллического CVD алмаза.

Металлизационное покрытие выполнено в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, например, никель-золото, или титан-молибден-никель-золото, или титан-вольфрам-никель-золото с адгезионным подслоем.

Интегральная схема СВЧ может быть выполнена, например, в виде усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ, драйвера.

Активный элемент выполнен, например, в виде нитрид галлиевого либо кремниевого полевого транзистора или диода.

Линии передачи могут быть выполнены в виде копланарной, либо микрополосковой, либо щелевой.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленной интегральной схемы СВЧ, а именно когда:

на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм,

а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния и в совокупности, когда диэлектрическая подложка выполнена из алмаза, который является лучшим диэлектрическим материалом из известных на сегодня и при этом обладает наилучшей теплопроводностью (коэффициент теплопроводности алмаза - (1001-2600) Вт/(м×К)

при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно,

в диэлектрической подложке, выполненной из алмаза, и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия.

Это обеспечит:

во-первых, возможность изготавливать на этом слое кристаллического полуизолирующего кремния все элементы интегральной схемы - активные элементы (полевые транзисторы и диоды), пассивные элементы, выводы и сквозные металлизированные отверстия в диэлектрической подложке, выполненной из алмаза, и слое кристаллического полуизолирующего кремния монолитно - в едином технологическом цикле, в том числе в условиях массового производства и, как следствие, - улучшение воспроизводимости электрических характеристик и снижение трудоемкости изготовления;

во-вторых, планарность конструкции необходимую для применения современных методов фотолитографии, проекционной литографии, электронной литографии, молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии и др. при изготовлении интегральной схемы СВЧ и, как следствие, - улучшение воспроизводимости электрических характеристик, снижение массогабаритных характеристик и трудоемкости изготовления;

в-третьих, улучшение отвода тепла и в первую очередь от активных элементов и, как следствие, - значительное улучшение электрических характеристик и надежности интегральной схемы СВЧ за счет снижения температуры активных элементов.

Выполнение слоя кристаллического полуизолирующего кремния толщиной более 10 мкм нежелательно, так как приводит:

во-первых, к ухудшению отвода тепла от активных элементов,

во-вторых, к увеличению массогабаритных характеристик.

Выигрыш по эффективности отвода тепла можно оценить исходя из теплопроводности материала кристалла активного элемента и его конструкционной толщины.

Исходя из этого выигрыш для нитрид-галлиевых транзисторов по сравнению с прототипом - на карбиде кремния составляет примерно 3 раза, а для кремниевых транзисторов - 10 раз (их коэффициент теплопроводности составляет (490, 150 Вт/(м×K соответственно).

Выполнение в диэлектрической подложке из алмаза и слое кристаллического полуизолирующего кремния сквозных металлизированных отверстий обеспечивает заземление выводов каждого из элементов, предусмотренных электрической схемой, кратчайшим путем и, как следствие, - улучшение электрических характеристик, повышение их воспроизводимости и снижение массогабаритных характеристик интегральной схемы СВЧ.

Итак, заявленная интегральная схема СВЧ в полной мере обеспечит заявленный технический результат, а именно - улучшение электрических характеристик и повышение их воспроизводимости, повышение надежности, снижение массогабаритных характеристик, уменьшение трудоемкости изготовления интегральной схемы СВЧ.

Заявленное изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология заявленной интегральной схемы СВЧ, где:

- диэлектрическая подложка - 1,

- активные и пассивные элементы - 2 и 3 соответственно,

- линии передачи - 4,

- выводы - 5,

- металлизационное покрытие - 6,

- слой кристаллического полуизолирующего кремния - 7,

- сквозные металлизированные отверстия - 8.

На фиг.2 (а, б), 3 (а, б), 4 (а, б) даны топологии частных случаев выполнения заявленной интегральной схемы - однокаскадного усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ и драйвера и их электрические схемы соответственно.

На фиг.5 (кривые а, б) даны зависимости от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента усиления однокаскадного усилителя мощности СВЧ соответственно.

На фиг.6 (кривые а, б) зависимости от рабочей частоты величины выходной мощности и КПД однокаскадного усилителя мощности СВЧ соответственно.

На фиг.7 (кривые а, б) зависимости от рабочей частоты величины прямых и обратных потерь переключателя мощности СВЧ соответственно при входной мощности 5 Вт.

Примеры конкретного выполнения заявленной интегральной схемы СВЧ и частных случаев ее выполнения.

Пример 1.

На лицевой стороне диэлектрической подложки, выполненной из алмаза 1, толщиной 100 мкм выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния 7 толщиной 5 мкм,

на лицевой стороне которого (слоя кристаллического полуизолирующего кремния 7) монолитно выполнены - активные элементы 2 в виде мощного нитрид-галлиевого полевого транзистора с барьером Шотки (ПТШ) 2, пассивные элементы 3 в виде - индуктивности, емкости, сопротивления, линии передачи 4 типа копланарных, выводы 5, на обратной стороне - сплошное металлизационное покрытие 6 в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов титан-молибден-никель-золото общей толщиной 3 мкм,

при этом элементы соединены электрически микрополосковыми линиями 4 с разными волновыми сопротивлениями согласно электрической схемы интегральной схемы СВЧ,

в диэлектрической подложке, выполненной из алмаза 1 и слое кристаллического полуизолирующего кремния 7, выполнены сквозные металлизированные отверстия 8, посредством которых интегральная схема заземлена согласно электрической схемы интегральной схемы СВЧ.

При этом все указанные элементы интегральной схемы СВЧ изготавливают посредством методов тонкопленочной технологии (фотолитографии, проекционной литографии, электронной литографии, молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии и др.), обеспечивающей прецизионное изготовление всех элементов интегральной схемы СВЧ в едином технологическом цикле.

Примеры 2, 4, 5, 7, 8.

Аналогично примеру 1 выполнены частные случаи заявленной интегральной схемы СВЧ согласно топологии и электрической схемы каждого из указанных далее изделий - усилителя мощности СВЧ (пример 1, 2), мощного переключателя СВЧ (пример 4, 5), драйвера (пример 7, 8).

Примеры 3, 6, 9 соответствуют образцу прототипа.

Работа заявленной интегральной схемы СВЧ рассмотрена также на примерах - однокаскадного усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ, драйвера.

Однокаскадный усилитель мощности СВЧ.

Однокаскадный усилитель мощности СВЧ выполнен на активном элементе - мощном нитрид-галлиевом полевом транзисторе с барьером Шотки (ПТШ) 2 по схеме с общим истоком. Схема содержит цепи согласования по входу, между каскадами и по выходу. Согласование осуществляется с помощью пассивных элементов 3 - согласующих конденсаторов (Сс) и отрезков микрополосковой линии передачи (L) 4. Для развязки между каскадами по постоянному току и подачи питания используются развязывающие конденсаторы (Ср) 3. Для блокировки источников питания используются блокировочные конденсаторы (Сбл) 3. Усилитель питается от двух источников питания. Один положительной полярности питает цепь стока нитрид галлиевого ПТШ 2, второй отрицательной полярности обеспечивает необходимое напряжение смещения на затворах нитрид галлиевого ПТШ 2.

При подаче на вход усилителя входной мощности на выходе усилителя получается усиленный сигнал в диапазоне частот 9-10 ГГц.

Переключатель мощности СВЧ.

Переключатель мощности СВЧ представляет собой транзисторную схему на переключаемых нитрид-галлиевых ПТШ 2. Переключатель мощности СВЧ работает в дискретном режиме в зависимости от управляющего напряжения U1 и U2 (0 или -40) В, поданного на его управляющие контакты.

При подаче на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ 2 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, нитрид- галлиевые ПТШ 2 становятся открытыми, а при подаче на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ 2 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -40 В, нитрид-галлиевые ПТШ 2 становятся закрытыми.

Управляющее напряжение на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ 2 переключателя мощности СВЧ подается в противофазе и всегда одна пара нитрид-галлиевых ПТШ закрыта, а другая открыта.

При подаче на управляющие контакты переключателя мощности СВЧ дискретных управляющих напряжений U1 и U2 (0 и -40) В напряжение на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ подаются через развязывающие резисторы (R) 3, переключатель мощности СВЧ соединяет вход СВЧ с выходом СВЧ 1 и наоборот при подаче на управляющие контакты переключателя U1 и U2 дискретных управляющих напряжений (-40 В и 0) переключатель мощности СВЧ соединяет вход СВЧ с выходом СВЧ 2.

Драйвер.

Драйвер представляет собой транзисторно-диодную схему на активных элементах 2 - кремниевых ПТШ и диодах. Драйвер работает в дискретном режиме, в зависимости от управляющего напряжения на его входе (0 или +5) В, при этом на выходах 1 и 2 драйвер выдает два парафазных напряжения U1 и U2 (0 и -40) В, необходимых для управления переключателем мощности СВЧ. Напряжение на электроды затворов кремниевых ПТШ 2 подаются через цепочки смещающих диодов (Д) 2, а два парафазных напряжения U1 и U2 (0 и -40) снимаются со стоков выходных кремниевых (ПТШ) 2.

При подаче на вход драйвера напряжения 0 В на его двух выходах формируются напряжения U1=0 В и U2=-40 В и наоборот, при подаче на вход драйвера напряжения +5 В на его двух выходах формируются напряжения U1=-40 В и U2=0 В.

На образцах заявленной интегральной схемы СВЧ, однокаскадного усилителя мощности СВЧ и переключателя мощности СВЧ были измерены:

- зависимости от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента усиления однокаскадного усилителя мощности СВЧ (фиг.5 кривые а, б) соответственно,

- зависимости от рабочей частоты величины выходной мощности и КПД однокаскадного усилителя мощности СВЧ (фиг.6 кривые а, б) соответственно,

- зависимости от рабочей частоты величины прямых и обратных потерь переключателя мощности СВЧ (фиг.7 кривые а, б) соответственно при входной мощности 5 Вт.

Оценка надежности проводилась на образцах однокаскадного усилителя мощности по методике ЭТ-361 путем ускоренных испытаний.

Коэффициент ускорения определяется по формуле при Ea=0.8 эВ:

где E_a - энергия активации,

Т_осн.н - температура номинального режима,

Т_осн.ф - температура форсированного режима.

Оценка показывает, что выигрыш по надежности - более 20 процентов (%).

Из представленных зависимостей фиг.5 (кривые а, б), фиг.6 (кривые а, б), фиг.7 (кривые а, б) видно, что:

- коэффициент усиления, выходная мощность и КПД в рабочей полосе частот имеют резонансный характер и равны примерно (9-10) дБ, (4-5) Вт и (40-45) процентов соответственно для однокаскадного усилителя мощности СВЧ (фиг.5 кривые а, 6 и фиг.6 кривые а, б) соответственно,

- величина прямых потерь в рабочей полосе частот равна примерно (0,9-1,1) дБ, величина обратных потерь равна (25-22) дБ фиг.7 кривые а-б) соответственно при входной мощности 5 Вт.

Таким образом, заявленная интегральная схема СВЧ позволит по сравнению с прототипом:

- увеличить коэффициент усиления на 30%,

- повысить выходную мощность примерно на 20%,

- увеличить КПД на 10%,

- уменьшить прямые потери на 10%,

- увеличить обратные потери на 2 дБ,

- повысить надежность примерно на 20%,

- значительно снизить массогабаритные характеристики примерно в 2 раза.

Данная интегральная схема СВЧ с высокими электрическими характеристиками, высокой надежностью и малыми массогабаритными характеристиками особенно востребована в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых, как указано выше, входит множество (более тысячи) идентичных элементов - изделий.

Источники информации

1. Патент РФ №2067362 МПК, приоритет 26.05.1983 г., опубл. 27.09.1996 г.

2. Патент РФ №2258330 МПК H05K 3/10, приоритет 01.08.2003 г., опубл. 10.08.2005 г.

3. Патент РФ №2474921 МПК H01L 27/00, H05K 1/00, приоритет 30.08.2011 г., опубл. 10.02.2013 г. - прототип.

Таблица № п/п Конструкционные параметры Измеренные характеристики Усилитель мощности Переключатель мощности Драйвер   Толщина слоя кристаллического полуизолирующего кремния, мкм Тип исполнения Ку, дБ Рвых, Вт КПД, % Прямые потери, дБ Обратные потери, дБ Uвx, В U1, В U2, В 1 5 монолитное 9-10 4-5 40-45 - - - - - 2 10 монолитное 8,5-9,5 3,5-4,5 35-40 - - - - - прототип отсутствует гибридно-монолитное 8-9 3-4 30-35 - - - - - 1 5 монолитное - - - 0,9-1,1 25-22 - - - 2 10 монолитное - - - 1-1,2 24-21 - - - прототип отсутствует гибридно-монолитное - - - 1,4-1,6 23-20 - - - 1 5 монолитное - - - - - 0 0 -40 +5 -40 0 2 10 монолитное - - - - - 0 0 -40 +5 -40 0 прототип отсутствует гибридно-монолитное - - - - - 0 0 -40 +5 -40 0

Изобретение относится к интегральным схемам СВЧ и может быть использовано в электронной технике СВЧ. Интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, выполненную из алмаза, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено металлизационное покрытие, при этом элементы интегральной схемы электрически соединены и заземлены согласно ее электрической схемы. На лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм, а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния, при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно, в упомянутой диэлектрической подложке и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия, а заземлена интегральная схема посредством этих сквозных металлизированных отверстий. Техническим результатом является улучшение электрических характеристик и повышение их воспроизводимости, повышение надежности, снижение массогабаритных характеристик, уменьшение трудоемкости изготовления интегральной схемы СВЧ. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, выполненную из алмаза, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено металлизационное покрытие, при этом элементы интегральной схемы электрически соединены и заземлены согласно ее электрической схемы, отличающаяся тем, что на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм, а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния, при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно, в упомянутой диэлектрической подложке и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия, а заземлена интегральная схема посредством этих сквозных металлизированных отверстий.

2. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка может быть выполнена из природного алмаза либо искусственного, в том числе поликристаллического CVD алмаза.

3. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что металлизационное покрытие выполнено в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, например, никель-золото, или титан-молибден-никель-золото, или титан-вольфрам-никель-золото с адгезионным подслоем.

4. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что интегральная схема СВЧ может быть выполнена, например, в виде усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ, драйвера.

5. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что активный элемент выполнен, например, в виде нитрид-галлиевого либо кремниевого полевого транзистора или полупроводникового диода.

6. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что линии передачи могут быть выполнены в виде копланарной, либо микрополосковой, либо щелевой.