Интегральная схема СВЧ Российский патент 2022 года по МПК H01L27/12 

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

Основными параметрами интегральной схемы СВЧ и особенно в последнем случае ее применения являются выходная мощность, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия, надежность, массогабаритные характеристики и их воспроизводимость.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку из алмаза, на обратной стороне которой выполнено металлизационное покрытие, элементы интегральной схемы – активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, в диэлектрической подложке из алмаза выполнены сквозные металлизированные отверстия, посредством которых интегральная схема заземлена, элементы интегральной схемы выполнены монолитно и соединены согласно ее электрической схемы.

В которой, с целью улучшения электрических параметров – выходной мощности и коэффициента полезного действия, повышения воспроизводимости и надежности, активные и пассивные элементы, линии передачи и выводы выполнены планарно на лицевой стороне диэлектрической подложки из алмаза, при этом каждый активный элемент заглублен в диэлектрическую подложку из алмаза на толщину его эпитаксиальной структуры соответственно, при этом активные и пассивные элементы, линии передачи и выводы выполнены с обеспечением единой планарной плоскости [Патент № 2654970 RU. Интегральная схема СВЧ /Темнов А.М. и др.//Бюл. – 2018 – № 15 /].

Данная интегральная схема СВЧ имеет следующие значения электрических параметров.

Выходная мощность 5 Вт, коэффициент полезного действия 40 % в рабочей полосе частот 9-11 ГГц.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы либо – пассивные элементы, линии передачи, выводы, активные элементы, при этом элементы соединены электрически, интегральная схема заземлена.

В которой с целью улучшения электрических параметров, повышения надежности и уменьшения массогабаритных характеристик, диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной (100-200)×10^-6 м, 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 [Патент № 2474921 RU. Интегральная схема СВЧ /Дудинов К.В. и др.//Бюл. – 2013 – № 4/].

Данная интегральная схема СВЧ – Интегральная схема усилителя мощности СВЧ имеет следующие значения электрических и других параметров.

Выходная мощность 1,0 Вт, коэффициент усиления 15,0 дБ в рабочей полосе частот 9-10 ГГц (два каскада усиления).

Надежность – 10000 (десять тысяч) часов.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку из пластины алмаза толщиной более 100,0 мкм,

на лицевой и обратной сторонах которой выполнено металлизационное покрытие, при этом на лицевой стороне – в виде локального слоя,

на лицевой стороне диэлектрической подложки расположены только пассивные элементы, либо – пассивные и активные элементы, линии передачи, выводы, при этом элементы соединены электрически согласно электрической схеме, интегральная схема заземлена.

В которой, с целью улучшения электрических параметров, повышения надежности и уменьшения массогабаритных характеристик,

металлизационное покрытие на обратной стороне упомянутой диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного либо локального слоя,

между обратной стороной диэлектрической подложки и ее металлизационным покрытием в виде сплошного либо локального слоя выполнен соответственно, по меньшей мере, один высоко электро- теплопроводный металлический проводник, углубленный в диэлектрическую подложку на его толщину,

между высоко электро- теплопроводным металлическим проводником и металлизационным покрытием выполнен слой из диэлектрического материала, толщиной менее 2,0 мкм, с относительной диэлектрической проницаемостью более 4,0,

в диэлектрической подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, заполненное высоко электро- теплопроводным металлом, с минимально низким уровнем газовыделения,

выводы соединены электрически с высоко электро- теплопроводным металлическим проводником, а интегральная схема заземлена посредством упомянутого сквозного отверстия,

при этом металлизационное покрытие в виде локального слоя на лицевой и обратной сторонах диэлектрической подложки, высоко электро- теплопроводный металлический проводник, сквозное отверстие выполнены согласно заданной топологии интегральной схемы СВЧ [Патент № 2737342 RU. Интегральная схема СВЧ /Темнов А.М. и др.//Бюл. – 2020 – № 33/] – прототип.

Данная интегральная схема СВЧ – Интегральная схема усилителя мощности СВЧ имеет следующие значения электрических и других параметров.

Выходная мощность (1,5-3,0) Вт, коэффициент усиления (8,0-10,0) дБ в рабочей полосе частот (9-10) ГГц.

Надежность – 13000 (тринадцать тысяч) часов.

Следует отметить, что данные интегральные схемы СВЧ, описанные в указанных выше аналогах, в том числе прототипе выполнены на диэлектрической подложке из алмаза и благодаря уникальным свойствам этого материала, а именно который на сегодня обладает:

во-первых, лучшей теплопроводностью – 2000 Вт/м×К, это в четыре раза превышает теплопроводность меди – 380 Вт/м×К);

во-вторых, лучшими диэлектрическими свойствами:

а) высоким значением ширины запрещенной зоны – более 5 эВ,

б) низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости – 5,7 ед., что примерно в 2 раза меньше диэлектрической проницаемости других диэлектрических материалов (поликора, сапфира и др.);

в-третьих, низким удельным весом (плотность) – 3,51 г/см³ , это примерно в три раза меньше удельного веса меди – 8,93 г/см³, классического материала металлического основания для интегральной схемы СВЧ.

И в совокупности с другими признаками каждого из указанных аналогов, и в зависимости от их применения данные интегральные схемы, как указано выше, имеют на сегодня достаточно высокий уровень значений электрических и иных требуемых параметров в своем (аналогичном) классе изделий СВЧ.

Однако, материал алмаза отличается

во-первых, высокой себестоимостью, при этом как природный, так и искусственный CVD алмаз,

во-вторых, архисложен с точки зрения требуемых видов его обработки.

Техническим результатом заявленной интегральной схемы СВЧ является повышение коэффициента усиления, выходной мощности, уровня рабочей частоты, снижение себестоимости, при сохранении высокой степени интеграции элементов и надежности.

Технический результат достигается заявленной интегральной схемой СВЧ, содержащей

диэлектрическую подложку заданной толщины, на лицевой и обратной сторонах которой выполнено металлизационное покрытие соответственно, при этом на лицевой стороне – в виде локального слоя,

на лицевой стороне диэлектрической подложки расположены пассивные элементы, линии передачи, выводы, по меньшей мере, один кристалл активного элемента, собственно контактные площадки кристалла активного элемента,

в диэлектрической подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие,

при этом элементы интегральной схемы выполнены и соединены электрически согласно ее заданной топологии и электрической схемы соответственно,

интегральная схема заземлена.

При этом

диэлектрическая подложка выполнена из материала карбида кремния, толщиной 50-100 мкм,

металлизационное покрытие на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного слоя, толщиной 1-3 мкм,

сквозное отверстие металлизировано,

непосредственно на собственно контактных площадках дополнительно выполнен проводящий слой, из, по меньшей мере, одной последовательности системы металлических слоев олово-золото, либо золото-олово-золото, либо их сплава, при этом каждая – толщиной 0,5-5,0 мкм, при соотношении олово-золото, в вес. % 20,0 и 80,0 соответственно,

лицевая сторона кристалла активного элемента соединена с соответствующими собственно контактными площадками кристалла активного элемента посредством упомянутого проводящего слоя.

Интегральная схема СВЧ представляет собой гибридную либо гибридно-монолитную интегральную схему усилителя мощности СВЧ, приемопередающего устройства СВЧ различного назначения.

Пассивные элементы представляют собой мощный резистор, индуктивность, конденсатор, кристалл активного элемента – кристалл диода, транзистора, монолитной интегральной схемы различного назначения.

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

На лицевой стороне диэлектрической подложки дополнительно выполнено пассивирующее покрытие из нитрида кремния толщиной 0,5-1,0 мкм.

Интегральная схема СВЧ дополнительно снабжена в области расположения кристалла активного элемента и его соединений крышкой, выполненной из высоко теплопроводящего материала, например, карбида кремния.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленной интегральной схемы СВЧ.

Как ограничительной части, когда интегральная схема СВЧ содержит:

диэлектрическую подложку заданной толщины, на лицевой и обратной сторонах которой выполнено металлизационное покрытие соответственно,

при этом на лицевой стороне – в виде локального слоя,

на лицевой стороне диэлектрической подложки расположены пассивные элементы, линии передачи, выводы, по меньшей мере, один кристалл активного элемента, собственно контактные площадки кристалла активного элемента,

в диэлектрической подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие,

при этом элементы интегральной схемы выполнены и соединены электрически согласно ее заданной топологии и электрической схемы соответственно,

интегральная схема заземлена.

Так и отличительной части, когда:

диэлектрическая подложка выполнена из материала карбида кремния, толщиной 50-100 мкм,

металлизационное покрытие на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного слоя, толщиной 1-3 мкм,

сквозное отверстие металлизировано,

непосредственно на собственно контактных площадках кристалла активного элемента дополнительно выполнен проводящий слой, из, по меньшей мере, одной последовательности системы металлических слоев олово-золото, либо золото-олово-золото, либо их сплава, при этом каждая – толщиной 0,5-5,0 мкм, при соотношении олово-золото, в вес. % 20,0 и 80,0 соответственно,

лицевая сторона кристалла активного элемента соединена с соответствующими собственно контактными площадками кристалла активного элемента посредством упомянутого проводящего слоя.

Выполнение диэлектрической подложки из материала карбида кремния и благодаря следующим значениям его свойств – характеристик:

- теплопроводность – 380 Вт/м×К,

- ширина запрещенной зоны – более 3 эВ,

- относительная диэлектрическая проницаемость – 9,6 ед.,

- удельный вес (плотность) – 3,21 г/см³ , при этом, которые близки к значениям аналогичных характеристик материала алмаза.

Это в совокупности с указанной толщиной диэлектрической подложки, которая при этом максимально оптимизирована,

и в совокупности с другими указанными признаками формулы изобретения обеспечивает:

во-первых, повышение:

электрических параметров – коэффициента усиления, выходной мощности, уровня рабочей частоты,

во-вторых, снижение себестоимости.

При этом при сохранении:

- высокой степени интеграции элементов и

- надежности интегральной схемы СВЧ.

Выполнение металлизационного покрытия на обратной стороне диэлектрической подложки в виде сплошного слоя,

равно как выполнение сквозного отверстия металлизированным обеспечивает снижение себестоимости.

Выполнение непосредственно на собственно контактных площадках кристалла активного элемента дополнительно проводящего слоя, из, по меньшей мере, одной последовательности системы металлических слоев олово-золото, либо золото-олово-золото, либо их сплава, при этом когда каждая – толщиной 0,5-5,0 мкм, при соотношении олово-золото, в вес. % 20,0 и 80,0 соответственно,

И в совокупности с тем, что соединение лицевой стороны кристалла активного элемента с соответствующими собственно контактными площадками кристалла активного элемента посредством упомянутого проводящего слоя.

Это в совокупности обеспечивает:

во-первых, соединение кристалла активного элемента с диэлектрической подложкой кратчайшим путем и, тем самым, – улучшение отвода тепла от кристалла активного элемента и, как следствие, – повышение выходной мощности;

во-вторых, снижение его электрических паразитных составляющих и, как следствие, – повышение коэффициента усиления и уровня рабочих частот;

в-третьих, при меньших значениях теплопроводности диэлектрического материала подложки карбида кремния (380,0 Вт/(м×К) относительно теплопроводности диэлектрического материала подложки из алмаза (2000,0 Вт/м×К) не только достичь уровня значений электрических характеристик прототипа, но и превысить их.

Выполнение диэлектрической подложки толщиной как менее 50 мкм, так и более 100 мкм не допустимо: в первом случае – из-за резкого снижения ее целостности, во втором – из-за увеличения теплового сопротивления интегральной схемы СВЧ.

Выполнение пассивирующего покрытия из нитрида кремния толщиной как менее 0,5 мкм, так и более 1,0 мкм не желательно, в первом случае из-за недостаточной защиты интегральной схемы СВЧ (снижения его функциональных свойств), во втором – из-за снижения электрических параметров.

Итак, заявленная интегральная схема СВЧ, в полной мере, обеспечивает заявленный технический результат – повышение коэффициента усиления, выходной мощности, уровня рабочей частоты, снижение себестоимости, при сохранении высокой степени интеграции элементов и надежности.

Работа интегральной схемы СВЧ.

Работа интегральной схемы СВЧ рассмотрена относительно интегральной схемы усилителя мощности СВЧ.

Интегральная схема усилителя мощности СВЧ выполнена, на основе двух мощных полевых транзисторов с барьером Шотки, включенных по схеме с общим истоком.

Интегральная схема усилителя мощности СВЧ содержит один каскад усиления, мосты Ланге, цепи согласования по входу и выходу.

Согласование осуществляется с помощью согласующих элементов – согласующих конденсаторов, индуктивностей, линий передачи.

Для развязки по постоянному току используются развязывающие конденсаторы.

Для блокировки источников питания - блокировочные конденсаторы.

Интегральная схема усилителя мощности СВЧ питается от двух источников питания: первый положительной полярности питает цепь стоков, второй отрицательной полярности обеспечивает необходимое напряжение смещения на затворах полевых транзисторов с барьером Шотки.

При подаче на вход интегральной схемы усилителя мощности СВЧ входной мощности на его выходе реализуется усиленный сигнал СВЧ в рабочем диапазоне частот 12-15 ГГц.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дан общий вид заявленной интегральной схемы СВЧ, где:

- диэлектрическая подложка – 1,

- металлизационное покрытие – на лицевой (2) и обратной (3) сторонах диэлектрической подложки, на лицевой стороне – в виде локального слоя, на обратной стороне – в виде сплошного слоя,

- пассивные элементы – 4,

- линии передачи – 5,

- выводы – 6,

- собственно контактные площадки кристалла активного элемента – 7,

- кристалл активного элемента – 8,

- сквозное отверстие – 9,

- проводящее покрытие из системы металлических слоев олово-золото – 10.

- на фиг.1 (а) дан частный случай выполнения интегральной схемы СВЧ – усилителя мощности СВЧ, в котором:

- пассивирующее покрытие – 11, выполненное из нитрида кремния,

- интегральная схема СВЧ дополнительно снабжена в области расположения кристалла активного элемента и его соединений крышкой – 12, выполненной из высоко теплопроводящего материала.

На фиг. 2 дана её электрическая схема.

На фиг. 3 дана зависимость выходной мощности (Рвых.) от рабочей частоты.

На фиг. 4 дана зависимость коэффициента усиления (Ку) от рабочей частоты.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Интегральная схема СВЧ представляет собой гибридно-монолитную интегральную схему (частный случай) усилителя мощности СВЧ (КРПГ.434815.600) и содержит.

Диэлектрическую подложку 1 из материала карбида кремния (SiС) ДФКЛ.431421.060 ТУ, толщиной 75 мкм.

На лицевой стороне диэлектрической подложки 1 выполнены:

- металлизационное покрытие в виде локального слоя 2, прямой последовательности из системы металлических слоев: титан (Ti) – платина (Pt) – золото (Au), общей толщиной 2 мкм.

- пассивные элементы 4 – конденсаторы (развязывающие – С1, С2, С13, С14, блокировочные – С3 – С10, согласующие – С11, С12), резисторы (R1 и R2), индуктивности (L1-L4) и мосты Ланге (W1, W2);

- линии передачи 5 – микрополосковые линии передачи (TL1-TL10) с разным волновым сопротивлением 50 – 150 Ом соответственно;

- выводы 6 – вход и выход СВЧ, положительного питания U_пит1, отрицательного питания U_пит2;

Непосредственно на собственно контактных площадках кристалла активного элемента 7 выполнен проводящий слой 10, из двух последовательностей системы металлических слоев золото-олово-золото, общей толщиной 2,75 мкм, при соотношении олово-золото, в вес. % 20,0 и 80,0 соответственно,

На обратной стороне диэлектрической подложки 1 выполнено металлизационное покрытие в виде сплошного слоя 3, прямой последовательности из системы металлических слоев: титан (Ti) – золото (Au), общей толщиной 2 мкм.

В диэлектрической подложке 1 выполнено 20 сквозных отверстий 9, которые металлизированы золотом, толщиной 2 мкм;

На лицевой стороне диэлектрической подложки 1 располагают два кристалла активных элементов 8 – два мощных полевых транзистора с барьером Шотки (ПТШ) КРПГ.432153.015 и соединяют каждый их лицевой стороной с соответствующими собственно контактными площадками кристалла активного элемента 7 посредством упомянутого проводящего слоя 10.

Интегральная схема заземлена посредством сквозных металлизированных отверстий 9.

При этом все элементы интегральной схемы СВЧ выполнены и соединены электрически согласно её заданной топологии и электрической схемы соответственно.

При этом упомянутые элементы интегральной схемы СВЧ выполнены посредством типовых технологических операций методов тонкопленочной технологии и метода электронной литографии.

Примеры 2-7.

Аналогично выполнены образцы интегральной схемы СВЧ – усилитель мощности СВЧ, но при других конструкционных параметрах, заявленных в формуле изобретения (примеры 2-3, 6-7), а также выполненные за пределами формулы изобретения (примеры 4-5).

Пример 8 соответствует прототипу.

На изготовленных образцах заявленной интегральной схемы СВЧ – гибридно-монолитная интегральная схема усилителя мощности СВЧ КРПГ.434815.600.

Измерены зависимости:

- выходной мощности (Рвых.) от рабочей частоты (12-15 ГГц).

- коэффициент усиления (Ку) от рабочей частоты (12-15 ГГц).

Надежность оценивается временем безотказной работы интегральной схемы СВЧ.

Данные представлены на фиг. 3 и фиг. 4.

Из представленных зависимостей (Фиг. 3, Фиг. 4) и таблицы (примеры 1-3, 6-7) видно:

- образцы интегральной схемы СВЧ – усилителя мощности СВЧ КРПГ.434815.600, выполненные согласно заявленной формуле изобретения, имеют:

- резонансный характер,

- выходную мощность (10,0-11,0) Вт,

- коэффициент усиления (9,0-10,0) дБ,

- рабочую полосу частот 12-15 ГГц.

Снижение себестоимости примерно в 1,5 раза.

При сохранении высокой надежности – 13000,0 (тринадцать тысяч) часов, высокой степени интеграции.

В отличие от образцов, выполненных за пределами формулы изобретения (примеры 4-5) имеют примерно выходную мощность 9,0-10,0 Вт, коэффициент усиления 8,0-10,0 дБ в рабочей полосе частот 12,0-15,0 ГГц (один каскад усиления).

Надежность – 13000,0 (тринадцать тысяч) часов.

И прототипа (пример 8), который имеет примерно выходную мощность 1,5-3,0 Вт, коэффициент усиления 8,0-10,0 дБ в рабочей полосе частот 9,0-10,0 ГГц (один каскад усиления).

Надежность – 13000,0 (тринадцать тысяч) часов.

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

- выходной мощности интегральной схемы усилителя мощности СВЧ примерно в 3 раза;

- коэффициента усиления на 1 дБ;

- уровня рабочей частоты на 5 ГГц;

Снижение себестоимости примерно в 1,5 раза.

При сохранении надежности (13000,0 часов) и высокой степени интеграции.

Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими параметрами, высокой надежностью и малыми массогабаритными характеристиками особенно востребуема в радиолокационных станциях с активными фазированными антенными решетками, в состав которых, входит множество (порядка тысячи) идентичных интегральных схем СВЧ различного назначения.

Изобретение может быть широко использовано в электронной технике СВЧ, в частности в радиолокационных станциях с активными фазированными антенными решетками (АФАР). Интегральная схема СВЧ содержит диэлектрическую подложку, на лицевой и обратной сторонах выполнено металлизационное покрытие, при этом на лицевой стороне покрытие локальное, на лицевой стороне подложки расположены пассивные элементы, линии передачи, выводы, по меньшей мере, один кристалл активного элемента, контактные площадки кристалла активного элемента, в подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, элементы интегральной схемы выполнены и соединены электрически согласно ее заданной топологии и электрической схеме, при этом подложка выполнена из карбида кремния, металлизационное покрытие на обратной стороне подложки выполнено сплошным, сквозное отверстие металлизировано, на контактных площадках кристалла активного элемента выполнен проводящий слой, содержащий олово и золото, посредством которого лицевая сторона кристалла активного элемента соединена с контактными площадками кристалла активного элемента. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента усиления, выходной мощности и уровня рабочей частоты при сохранении высокой интеграции элементов и надежности. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.,1 табл.

1. Интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку заданной толщины, на лицевой и обратной сторонах которой выполнено металлизационное покрытие соответственно, при этом на лицевой стороне – в виде локального слоя,

на лицевой стороне диэлектрической подложки расположены пассивные элементы, линии передачи, выводы, по меньшей мере, один кристалл активного элемента, собственно контактные площадки кристалла активного элемента,

в диэлектрической подложке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие,

при этом элементы интегральной схемы выполнены и соединены электрически согласно ее заданной топологии и электрической схеме соответственно,

интегральная схема заземлена, отличающаяся тем, что

диэлектрическая подложка выполнена из материала карбида кремния толщиной 50-100 мкм,

металлизационное покрытие на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено в виде сплошного слоя толщиной 1-3 мкм,

сквозное отверстие металлизировано,

непосредственно на собственно контактных площадках кристалла активного элемента дополнительно выполнен проводящий слой, из, по меньшей мере, одной последовательности системы металлических слоев олово-золото, либо золото-олово-золото, либо их сплава, при этом каждая – толщиной 0,5-5,0 мкм, при соотношении олово-золото, вес. %: 20,0 и 80,0 соответственно,

лицевая сторона кристалла активного элемента соединена с соответствующими собственно контактными площадками кристалла активного элемента посредством упомянутого проводящего слоя.

2. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что интегральная схема представляет собой гибридную либо гибридно-монолитную интегральную схему усилителя мощности СВЧ, приемопередающего устройства СВЧ различного назначения.

3. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что пассивные элементы представляют собой мощный резистор, индуктивность, конденсатор, кристалл активного элемента – кристалл диода, транзистора, монолитной интегральной схемы различного назначения.

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

5. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что на лицевой стороне диэлектрической подложки дополнительно выполнено пассивирующее покрытие из нитрида кремния толщиной 0,5-1,0 мкм.

6. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что интегральная схема дополнительно снабжена в области расположения кристалла активного элемента и его соединений крышкой, выполненной из высоко теплопроводящего материала, например карбида кремния.