КОРПУС ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА СВЧ Российский патент 2016 года по МПК H01L23/02 

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

Одними из основных функций корпуса для полупроводникового прибора СВЧ являются обеспечение:

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

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

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

минимальных массогабаритных характеристик.

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

Известен корпус для мощной гибридной интегральной схемы, представляющий 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°C, 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 мощных полупроводниковых приборов СВЧ.

Известен корпус для интегральных схем быстродействующей связной радиоэлектронной аппаратуры, представляющий 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 ввода/вывода 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, при этом металлокерамические вводы/выводы соединены с рамкой пайкой твердым припоем [1, стр. 7/2].

Использование в данной конструкции корпуса по сравнению с первым аналогом иных материалов позволило несколько снизить потери СВЧ.

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

Известен корпус для полупроводникового прибора СВЧ, содержащий теплоотводящее основание, рамку в виде бортика по периметру одной из поверхностей теплоотводящего основания со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку на упомянутой поверхности теплоотводящего основания для расположения и последующего соединения с ним, по меньшей мере, одного кристалла полупроводникового прибора, по меньшей мере, два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят внутрь, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу корпуса, при этом теплоотводящее основание, рамка, металлокерамические вводы/выводы соединены пайкой твердым припоем, последний представляет собой сплав бескислородной меди с серебром, либо золотом, либо платиной, либо германием, либо меди, нанесенной гальваническим методом на металлизированную наружную соответствующую паяемую поверхность элементов конструкции.

При этом теплоотводящее основание выполнено из высокотеплопроводного материала, преимущественно из меди [2] - прототип.

Данный корпус для полупроводникового прибора СВЧ позволил повысить надежность, долговечность и особенно при работе в режиме высоких уровней мощности СВЧ, увеличить выходную мощность, повысить технологичность и снизить трудоемкость изготовления, уменьшить массогабаритные характеристики.

Однако данный корпус по-прежнему отличается достаточно высокими массогабаритными характеристиками, особенно для ряда случаев его использования, например, модулей и субмодулей СВЧ, недостаточно высокой технологичностью и недостаточно низкой трудоемкостью изготовления.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик, повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления при сохранении надежности, долговечности, выходной мощности полупроводникового прибора СВЧ.

Указанный технический результат достигается заявленным корпусом для полупроводникового прибора СВЧ, содержащим высокотепло- и электропроводное основание, рамку по периметру одной из поверхностей высокотепло- и электропроводного основания со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку на упомянутой поверхности высокотепло- и электропроводного основания для расположения и последующего соединения с ним, по меньшей мере, одного кристалла полупроводникового прибора, по меньшей мере, два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят внутрь, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу корпуса, при этом высокотепло- и электропроводное основание, рамка, металлокерамические вводы/выводы соединены пайкой.

В котором

высокотепло- и электропроводное основание выполнено из композиционного материала,

при этом, по меньшей мере, из двух компонентов - высокотеплопроводного керамического и электропроводного,

при их соотношении, мас. %, (90-70):(10-30) соответственно,

термические коэффициенты линейного расширения которых обеспечивают согласование с термическим коэффициентом линейного расширения кристалла полупроводникового прибора.

Композиционный материал высокотепло- и электропроводного основания выполнен, например, из нитрида алюминия и железа карбонильного.

Высокотепло- и электропроводное основание, рамка, металлокерамические вводы/выводы могут быть выполнены как монолитно, так и составными.

Конструкционные размеры корпуса и его элементов определяются параметрами полупроводникового прибора СВЧ.

Раскрытие сущности.

Совокупность существенных признаков заявленного корпуса для полупроводникового прибора СВЧ, а именно когда:

высокотепло- и электропроводное основание выполнено из композиционного материала,

при этом, по меньшей мере, из двух компонентов - высокотеплопроводного керамического и электропроводного,

при их соотношении, мас. %, (90-70):(10-30) соответственно,

термические коэффициенты линейного расширения которых обеспечивают согласование с термическим коэффициентом линейного расширения кристалла полупроводникового прибора.

Это обеспечивает.

Во-первых, значительное уменьшение плотности высокотепло- и электропроводного материала основания по сравнению с плотностью высокотепло- и электропроводного материала основания (преимущественно меди) прототипа, и тем самым, уменьшение его массогабаритных характеристик и, как следствие, - уменьшение массогабаритных характеристик корпуса в целом.

При сохранении высокотепло- и электропроводных свойств материала основания прототипа.

Во-вторых, снижение трудоемкости изготовления.

В-третьих, повышение технологичности.

Второе и третье благодаря возможности использования групповых методов размерной обработки.

При этом при сохранении надежности, долговечности, выходной мощности полупроводникового прибора СВЧ.

Кроме того, данная конструкция корпуса, а именно выполнение высокотепло- и электропроводного основания из композиционного материала, исключает полностью необходимость наличия компенсаторного элемента даже в случае использования кристалла полупроводникового прибора размером более 3×10^-3 м, что предусматривают частные случаи выполнения конструкции прототипа.

Более того, предлагаемая конструкция корпуса обеспечивает возможность:

- использования при изготовлении корпуса известных групповых методов,

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

Указанный предел соотношений компонентов композиционного материала - высокотеплопроводного керамического и электропроводного, мас. %, (90-70):(10-30) соответственно является оптимальными для обеспечения композиционному материалу основания корпуса оптимального соотношения физических свойств, а именно - высокотепло- и электропроводных, а также диэлектрических и, как следствие, - достижение указанного технического результата - уменьшение массогабаритных характеристик, снижение трудоемкости и повышение технологичности изготовления.

Соотношение компонентов композиционного материала - высокотеплопроводного керамического и электропроводного как менее (90 и 10), мас. %, так и более (70 и 30), мас. % соответственно не допустимо, в первом случае - композиционный материал обладает преимущественно диэлектрическими свойствами из-за недостаточного содержания электропроводной компоненты, во втором - композиционный материал обладает преимущественно электропроводными свойствами из-за высокого содержания электропроводной компоненты.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже дан заявленный корпус для полупроводникового прибора СВЧ, где

- высокотепло- и электропроводное основание - 1,

- рамка для металлокерамических вводов/выводов - 2 со сквозными отверстиями,

- металлическая контактная площадка - 3 для расположения кристалла полупроводникового прибора СВЧ - 4,

- два металлокерамических ввода/вывода - 5, 6 с контактными площадками - 7, 8 соответственно.

Примеры конкретного выполнения заявленного корпуса для полупроводникового прибора СВЧ,

Пример 1.

Рассмотрено изготовление корпуса для полупроводникового прибора СВЧ, например для выходного усилителя мощности СВЧ.

Заданный размер корпуса - (18,5×12,1×4,1)×10^-3 м.

Вариант исполнения - составной.

Изготавливают композиционный материал для высокотепло- и электропроводного основания 1, состоящий из двух компонентов - высокотеплопроводного керамического материала, например нитрида алюминия (ТУ6-09-110-75), и электропроводного материала, например железа карбонильного (ГОСТ 13610-79), при их соотношении, мас. %, 80:20 соответственно.

Из изготовленного композиционного материала изготавливают высокотепло- и электропроводное основание 1 корпуса с указанными (заданными) размерами (18,5×12,1×2,1)×10^-3 м.

Далее изготавливают рамку 2 из меди (полоса ДПРНТ НД МОб ГОСТ 15471-77) размером (18,5×12,1×2,0)×10^-3 м, со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов 5, 6 методом фрезерования.

На одной из поверхностей высокотепло- и электропроводного основания 1 изготавливают металлическую контактную площадку 3 для расположения и соединения кристалла полупроводникового прибора СВЧ 4, например выходного усилителя мощности СВЧ.

Изготавливают металлокерамические вводы/выводы 5, 6, микрополосковые, посредством технологии совместного высокотемпературного обжига (НТСС) высокоглиноземистой керамики ВК 94-1 (аЯО.027.002ТУ) с тугоплавкими металлами, например молибденом, вольфрамом, которые наносят на керамику в виде металлизационной пасты (ТСО.029.003 ТУ).

Далее осуществляют сборку корпуса.

Для чего располагают изготовленные металлокерамические вводы/выводы 5, 6 в рамке 2 одними контактными площадками внутрь, а другими - через сквозные отверстия в рамке 2 наружу корпуса и соединяют высокотепло- и электропроводное основание 1, рамку 2, металлокерамические вводы/выводы 5, 6 пайкой твердым припоем, например ПСр-72 В (ТУ 1868-329-05785324-2011).

Примеры 2-5.

Аналогично примеру 1 изготовлены образцы корпуса для выходного усилителя мощности СВЧ, но при других конструкционных параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), а также за ее пределами (примеры 4-5).

Пример 6 соответствует прототипу.

Изготовленные образцы корпуса для выходного усилителя мощности 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.

Результаты представлены в таблице.

Как видно из таблицы, изготовленные образцы корпусов имели:

Герметичные швы, скорость натекания по гелию не более 1,33×10^-8 м³Па/с.

Герметичность и целостность их сохранилась как после основного термоциклирования, так и 30 дополнительных термоциклов. Масса составляет примерно 3,45×10^-3 кг.

Таким образом, заявленный корпус для полупроводникового прибора СВЧ позволит по сравнению с прототипом

- уменьшить массогабаритные характеристики (массу) примерно в 1,5 раза,

- снизить трудоемкость примерно на 20 процентов и

-повысить технологичность изготовления.

При сохранении надежности, долговечности, выходной мощности полупроводникового прибора СВЧ.

Более того, предлагаемая конструкция корпуса обеспечит возможность:

- использования при изготовлении корпуса известных групповых методов,

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

Источники информации

1. Colloq. Microwave Packag., London, 14 Apr. 1986. Electron. Div, PGE12. London, 1986.

2. Патент РФ №2351037 приоритет 23.07.2007 г., МПК H01L 23/02, опубл. 27.03.2009 г. - прототип.

Использование: для полупроводниковых приборов СВЧ. Сущность изобретения заключается в том, что корпус для полупроводникового прибора СВЧ содержит высокотепло- и электропроводное основание, рамку по периметру одной из поверхностей высокотепло- и электропроводного основания со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, по меньшей мере одну металлическую контактную площадку на упомянутой поверхности высокотепло- и электропроводного основания для расположения и последующего соединения с ним по меньшей мере одного кристалла полупроводникового прибора, по меньшей мере два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят внутрь, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу корпуса, при этом высокотепло- и электропроводное основание, рамка, металлокерамические вводы/выводы соединены пайкой, высокотепло- и электропроводное основание выполнено из композиционного материала, при этом по меньшей мере из двух компонентов - высокотеплопроводного керамического и электропроводного при их соотношении, мас.%, (90-70):(10-30) соответственно, термические коэффициенты линейного расширения которых обеспечивают согласование с термическим коэффициентом линейного расширения кристалла полупроводникового прибора. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения массогабаритных характеристик, повышения технологичности и снижения трудоемкости изготовления при сохранении надежности, долговечности, выходной мощности полупроводникового прибора СВЧ. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.,1 ил.

1. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ, содержащий высокотепло- и электропроводное основание, рамку по периметру одной из поверхностей высокотепло- и электропроводного основания со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, по меньшей мере одну металлическую контактную площадку на упомянутой поверхности высокотепло- и электропроводного основания для расположения и последующего соединения с ним по меньшей мере одного кристалла полупроводникового прибора, по меньшей мере два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят внутрь, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу корпуса, при этом высокотепло- и электропроводное основание, рамка, металлокерамические вводы/выводы соединены пайкой, отличающийся тем, что высокотепло- и электропроводное основание выполнено из композиционного материала, при этом по меньшей мере из двух компонентов - высокотеплопроводного керамического и электропроводного при их соотношении, мас.%, (90-70):(10-30) соответственно, термические коэффициенты линейного расширения которых обеспечивают согласование с термическим коэффициентом линейного расширения кристалла полупроводникового прибора.

2. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что композиционный материал высокотепло- и электропроводного основания выполнен, например, из нитрида алюминия и железа карбонильного.

3. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что высокотепло- и электропроводное основание, рамка, металлокерамические вводы/выводы могут быть выполнены как монолитно, так и составными.

4. Корпус для полупроводникового прибора СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что конструкционные размеры корпуса и его элементов определяются параметрами полупроводникового прибора СВЧ.