ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2023 года по МПК H01L25/16 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к гибридным интегральным схемам, например, генераторного модуля СВЧ-диапазона.

Известна гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ-диапазона [Патент РФ №2778281 на изобретение, приоритет 26.10.2021г., МПК H 05K 1/02, H 01 L 27/12 «Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона», авторы Горюнов И.В., Иовдальский В.А., Терёшкин Е.В., Фёдоров Н.А.]. В ней гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена в виде многослойной печатной платы, которая установлена на дне металлического корпуса с крышкой и электрически соединена с ним, плата выполнена с топологическим рисунком проводников металлизации, по крайней мере, на одной из сторон каждого диэлектрического слоя многослойной печатной платы и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя; с навесными компонентами, в том числе активными генераторным компонентом и активным управляющим компонентом, расположенными на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя, а также коаксиальным диэлектрическим резонатором, выводы которых электрически соединены с топологическим рисунком проводников металлизации верхнего диэлектрического слоя многослойной платы и которые в совокупности образуют генератор, управляемый напряжением; коаксиальный диэлектрический резонатор имеет металлизационное покрытие на боковой поверхности, электрически соединённое с экранной заземляющей металлизацией платы; по меньшей мере, один коаксиальный вывод на торцевой поверхности, обращённой к указанным активным компонентам, электрически соединённым с активными генераторным и управляющим компонентам, через проводники топологического рисунка металлизации, имеющими в своём составе ёмкостные связи, при этом в многослойной печатной плате выполнено отверстие, соразмерное расположенному в нём диэлектрическому коаксиальному резонатору, который установлен на дне металлического корпуса и электрически соединён с дном корпуса металлизацией своей боковой поверхности; часть топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, соединяющая активный генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора и электрически соединена с плёночными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, и имеет в своём составе ёмкостные связи, причём ёмкостная связь между плёночным проводником соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде, по меньшей мере, одного зазора шириной 0,035-0.055мм, а ёмкостная связь между боковой стороной плёночного проводника соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора шириной 0,16-0,24 мм.

Однако это техническое решение не обеспечивает в должной мере требуемые значения спектральной плотности мощности фазовых шумов (СПМФШ), паразитной ёмкости схемы формирования СВЧ сигнала и массогабаритных характеристик.

Известна гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ-диапазона [Патент РФ № 2787313 на изобретение, приоритет 30.11.2021г., МПК H 05K 1/02, H 01 L 27/12, «Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона», авторы И.В. Горюнов, В.А. Иовдальский, Е.В. Терёшкин, Н.А. Фёдоров], принятый за прототип. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена в виде многослойной печатной платы с топологическим рисунком проводников металлизации и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя; схема содержит соединённые друг с другом активный генераторный компонент, коаксиальный диэлектрический резонатор и активный управляющий компонент, образующие генератор управляемый напряжением; коаксиальный диэлектрический резонатор имеет металлизационное покрытие на боковой поверхности, электрически соединённое с экранной заземляющей металлизацией платы, при этом в многослойной печатной плате выполнено отверстие, соразмерное расположенному в нем диэлектрическому коаксиальному резонатору, часть топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора; управляющий компонент установлен на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора, и ёмкостные связи между проводником топологического рисунка соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора и между боковой стороной проводника топологического рисунка соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнены в виде зазоров.

Однако это техническое решение также не обеспечивает в должной мере требуемые значения спектральной плотности мощности фазовых шумов (СПМФШ), паразитной ёмкости схемы формирования СВЧ сигнала и массогабаритных характеристик.

Техническим результатом изобретения является улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы.

Технический результат достигается тем, что гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена в виде многослойной печатной платы, которая установлена на дне металлического корпуса с крышкой и электрически соединена с ним, плата выполнена с топологическим рисунком проводников металлизации, по крайней мере, на одной из сторон каждого диэлектрического слоя многослойной печатной платы и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя; с навесными компонентами, в том числе активным генераторным компонентом, активным управляющим компонентом и коаксиальным диэлектрическим резонатором, по меньшей мере, часть выводов которых электрически соединена с топологическим рисунком проводников металлизации верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, и которые в совокупности образуют генератор, управляемый напряжением; коаксиальный диэлектрический резонатор, имеет металлизационное покрытие на боковой поверхности, электрически соединённое с экранной заземляющей металлизацией платы; в многослойной печатной плате выполнено отверстие соразмерное расположенному в нём диэлектрическому коаксиальному резонатору, который установлен на дне металлического корпуса и электрически соединён с дном корпуса металлизацией своей боковой поверхности; часть проводников топологического рисунка верхнего слоя многослойной печатной платы генератора, управляемого напряжением, соединяющая активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора и имеет в своём составе ёмкостные связи, и электрически соединена с проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, при этом, управляющий компонент установлен на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора и соединен с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второй его вывод соединен с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, и с топологическим рисунком проводников металлизации расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, причём ёмкостная связь между проводником топологического рисунка соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде, по меньшей мере, одного зазора, а ёмкостная связь между боковой стороной проводника топологического рисунка соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора; генераторный компонент, установлен на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора со стороны противоположной той, на которой установлен управляющий компонент, и соединен с ней электрически одним выводом, подлежащим заземлению, через параллельно соединённые между собой навесные компоненты, также установленные на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора, второй его вывод соединён с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, а также через навесной компонент, установленный на металлизации боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, соединён с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы, а третий вывод соединён с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы через навесной компонент, установленный на верхнем слое многослойной платы.

Установка генераторного компонента, на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора со стороны противоположной той, на которой установлен управляющий компонент, позволяет снизить площадь топологического рисунка проводников многослойной платы, занимаемой генератором управляемым напряжением, и, тем самым, уменьшить их паразитную ёмкость и индуктивность, а значит улучшить электрические и массогабаритные характеристики гибридной интегральной схемы.

Электрическое соединение генераторного компонента одним выводом, подлежащим заземлению, с металлизацией боковой поверхности диэлектрического резонатора через параллельно соединённые между собой навесные компоненты, также установленные на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора, электрическое соединение второго его вывода с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, а также электрическое соединение его второго вывода через навесной компонент, установленный на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы, а электрическое соединение его третьего вывода с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы через навесной компонент, позволяет существенно сократить площадь топологического рисунка металлизации многослойной платы генератора и, тем самым, уменьшить её паразитные ёмкость и индуктивность, а значит улучшить электрические и массогабаритные характеристики гибридной интегральной схемы.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1, 2, 3 представлена конструкция гибридной интегральной схемы генераторного модуля СВЧ-диапазона, где:

- многослойная печатная плата - 1;

- корпус - 2;

- крышка корпуса -3;

- топологический рисунок проводников металлизации - 4;

- диэлектрический слой - 5;

- экранная заземляющая металлизация - 6;

- навесные компоненты - 7;

- активный генераторный компонент - 8;

- активный управляющий компонент - 9;

- коаксиальный диэлектрический резонатор - 10;

- выводы навесных компонентов - 11;

- генератор, управляемый напряжением - 12;

- металлизационное покрытие на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора - 13;

- отверстие в многослойной печатной плате - 14;

- коаксиальный выход на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора -15;

- ёмкостные связи - 16;

- зазор между плёночным проводником соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора - 17;

- зазор между боковой стороной проводника топологического соединения управляющего компонента и коаксиального вывода диэлектрического резонатора - 18.

Устройство работает следующим образом. При подаче питания на активный генераторный компонент (биполярный транзистор) 8, за счёт схемотехнического решения гибридной интегральной схемы генератора 12 создаётся область рабочего диапазона с отрицательным сопротивлением в базовой области транзистора. При подключении к этой цепи коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 10 с определённой добротностью происходит возбуждение транзистора на резонансной частоте подключаемого контура. Подачей напряжения на активный управляющий компонент 9 (варакторный диод) осуществляется перестройка частоты резонансного контура в рабочем диапазоне частот. Снижение паразитной индуктивности и ёмкости топологического рисунка проводников 4, по меньшей мере, верхнего слоя 5 многослойной платы 1, имеющей экранную заземляющую металлизацию 6 на обратной стороне, за счёт уменьшения длины соединения коаксиального выхода 14 коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 10, и размещения навесных компонентов 7 на металлизации 13 боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10, позволило улучшить электрические характеристики. Это объясняется также тем, что снижение паразитной индуктивности и ёмкости позволяет снизить шунтирующий эффект паразитных ёмкостей и индуктивностей печатной платы 1 и, тем самым, повысить нагруженную добротность КДР 10 и рабочую частоту генератора 12.

Уменьшение площади многослойной платы 1, путём переноса части топологического рисунка проводников 4 и размещения части навесных компонентов 7 , в том числе. активного генераторного компонента 8 и активного управляющего компонента 9, генератора управляемого напряжением 12 на металлизации 13 боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10, соединения выводов 11 активных генераторного 8 и активного управляющего 9 компонентов с коаксиальным выходом 15 коаксиального диэлектрического резонатора 10, и с металлизацией 13 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10, части проводников топологического рисунка 4 верхнего слоя 5 многослойной платы 1, и наличия в её составе ёмкостных связей 16, электрического соединения с плёночными проводниками топологического рисунка 4 расположенного на лицевой стороне диэлектрического слоя 5 многослойной платы 1, позволило улучшить электрические характеристики гибридной интегральной схемы.

Уменьшение площади многослойной платы 1, высоты корпуса 2 за счёт размещения коаксиального диэлектрического резонатора (КДР)10 в отверстии14 многослойной платы1, а значит, и уменьшения размеров и массы корпуса 2 и крышки 3 позволило улучшить массогабаритные характеристики гибридной интегральной схемы.

Кроме того, за счёт сохранения оптимального размера КДР 10 и, соответственно, обеспечив его (КДР 10) более высокую добротность, тем самым, удаётся снизить уровень фазовых шумов генератора 12, а значит, улучшить его электрические характеристики.

Пример практического применения. Гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ - диапазона имеет размеры 20.0×18.0×10.5 мм и массу 7,35 г, выполнена в виде многослойной печатной платы 1, имеющей четыре диэлектрических слоя 5. Материалом диэлектрических слоёв является Ro4003 толщиной 0.2 мм. Каждый из диэлектрических слоёв 5 многослойной печатной платы 1 имеет топологический рисунок проводников 4 металлизации выполненной из меди толщиной 18 мкм с гальваническим покрытием золотом толщиной 3 мкм. На обратной стороне нижнего диэлектрического слоя 5 нанесена экранная заземляющая металлизация 6 со структурой аналогичной структуре топологического рисунка проводников 4 металлизации. Многослойная печатная плата 1 своей обратной стороной, имеющей экранную заземляющую металлизацию 6, припаяна на дно корпуса 2 припоем ПИнСр-3. Коаксиальный диэлектрический резонатор 10 установлен и припаян припоем ПОИН-50 на дно металлического корпуса 2 в отверстие 14 в плате 1, а его металлизационное покрытие 13 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10 электрически соединено через дно корпуса 2 с экранной заземляющей металлизацией 6 платы 1. Часть проводников топологического рисунка верхнего слоя 5 многослойной печатной платы 1 генератора 12, управляемого напряжением, соединяющая активный генераторный 8 и управляющий 9 компоненты с коаксиальным выходом 15 коаксиального диэлектрического резонатора 10,например, типа КРП 5.7х4.5х4.0 мм (производства АО «НПП «Исток» им. Шокина») расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10 и имеет в своём составе ёмкостные связи 16. и электрически соединена с проводниками 4 топологического рисунка , расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя 5 многослойной платы 1. Причём ёмкостная связь 16 между проводником 4 топологического рисунка резонатора10 выполнена в виде, по меньшей мере , одного зазора 17, а ёмкостная связь 16 между боковой стороной проводника 4 топологического рисунка соединения управляющего компонента 9 и коаксиальным выходом 15 диэлектрического резонатора 10 выполнена в виде зазора 18.

Коаксиальный диэлектрический резонатор 10 типа КРП 5.7×4.5×4.0 мм (производства АО «НПП «Исток» им. Шокина») расположен в отверстии14 в плате 1 на дне корпуса 2 и электрически соединён с ним металлизационным покрытием 13 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10. Толщина многослойной платы 1 имеет толщину 1мм, а коаксиальный диэлектрический резонатор выступает над платой на 3мм.

Активный управляющий компонент 9, например, корпусированный варакторный диод BBY55 установлен на металлизационное покрытие 13 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10 и соединён с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второй его вывод соединён с частью топологического рисунка 4 проводников, расположенной на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10, и с топологическим рисунком 4 проводников металлизации, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя 5 многослойной платы1,

На металлизационном покрытии 13 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора10 установлены навесные компоненты 7, в том числе, активный генераторный компонент 8, например, биполярный транзистор BFP420F, имеющий размеры 1.5×1.2×0.7 мм, установлен со стороны противоположной той, на которой установлен активный управляющий компонент 9, например, корпусированный варакторный диод BBY5510 и другие навесные компоненты 7, например, конденсаторы, резисторы, индуктивности, и соединён с ней электрически одним выводом 11 (эмиттером), подлежащим заземлению, через параллельно соединённые между собой навесные компоненты 11, чип-конденсатор типа КРПГ.757761 ТУ6260-002-762267-2007 размером 1.0×1.0×0.3 мм и чип-резистор типа КРПГ.254.348 номиналом 150 Ом размером 1.5×1.5×0.25 мм, также установленные на металлизации 13 боковой поверхности диэлектрического резонатора 10.

Второй вывод 11 генераторного компонента 8 (база биполярного транзистора) соединён с частью топологического рисунка 4 проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 10, а также через навесной компонент 7, например индуктивность типа КИП 1005 (размером 0.4×0.2×0.1 мм) номиналом 68нГн, установленный на металлизации боковой поверхности 13 коаксиального диэлектрического резонатора 10, с проводником топологического рисунка 4 металлизации верхнего слоя 5 многослойной платы 1. Третий вывод генераторного компонента 8 (коллектор биполярного транзистора) соединён с проводником топологического рисунка 4 металлизации верхнего слоя 5 многослойной печатной платы 1 через навесной компонент 7 - чип-конденсатор типа КРПГ.757761 ТУ6260-002-762267-2007 размером 1.0×1.0×0.3 мм

Корпус 2 и крышка 3 гибридной интегральной схемы генераторного модуля изготовлены из сплава АМГ с последующим гальваническим покрытием составом палладий-никель толщиной 6 мкм.

В таблице 1 представлены параметры для сравнения характеристик опытного образца (заявляемого технического решения) с серийно выпускающимися гибридными интегральными схемами (прототип).

Таблица 1. Параметры Серийная гибридная интегральная схема Опытный образец Спектральная плотность мощности фазовых шумов (СПМФШ) При отстройке от несущей частоты на 10 кГц
-108,2 дБ/Гц При отстройке от несущей частоты на10 кГц
-116,3 дБ/Гц Паразитная ёмкость схемы формирования СВЧ сигнала 8,2 пФ 1,12 пФ Массогабаритные характеристики 7,35 г
20.0×18.0×11.5 мм³ 4,598 г
16.0×16.0875×9.5 мм³

Все вышеизложенное подтверждает достижение заявленного технического результата.

Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона выполнена в виде многослойной печатной платы, которая установлена на дне металлического корпуса и электрически соединена с ним, с навесными компонентами, в том числе генераторным компонентом, управляющим компонентом и коаксиальным диэлектрическим резонатором, коаксиальный диэлектрический резонатор, имеет металлизационное покрытие, электрически соединённое с заземляющей металлизацией платы; в печатной плате выполнено отверстие, соразмерное расположенному в нём диэлектрическому коаксиальному резонатору; часть проводников топологического рисунка верхнего слоя платы генератора, соединяющая активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, расположена на торцевой поверхности коаксиального резонатора, управляющий компонент установлен на металлизации боковой поверхности резонатора и соединен с ним электрически одним заземленным выводом, а второй его вывод соединен с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального резонатора, и с топологическим рисунком проводников металлизации на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, ёмкостная связь между проводником топологического рисунка соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора, ёмкостная связь между боковой стороной проводника соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом резонатора выполнена в виде зазора; генераторный компонент установлен на металлизации боковой поверхности резонатора со стороны, противоположной той, на которой установлен управляющий компонент, и соединен с ней одним заземленным выводом, через параллельно соединённые между собой навесные компоненты, установленные на металлизации боковой поверхности резонатора, второй его вывод соединён с частью топологического рисунка проводников на торцевой поверхности резонатора и через навесной компонент, установленный на коаксиальном резонаторе, соединён с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя печатной платы, а третий вывод соединён с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя печатной платы через навесной компонент, установленный на верхнем слое платы. Изобретение обеспечивает улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы. 3 ил.

Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, выполненная в виде многослойной печатной платы, которая установлена на дне металлического корпуса с крышкой и электрически соединена с ним, плата выполнена с топологическим рисунком проводников металлизации, по крайней мере, на одной из сторон каждого диэлектрического слоя многослойной печатной платы и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя; с навесными компонентами, в том числе активным генераторным компонентом, активным управляющим компонентом и коаксиальным диэлектрическим резонатором, по меньшей мере, часть выводов которых электрически соединена с топологическим рисунком проводников металлизации верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, и которые в совокупности образуют генератор, управляемый напряжением; коаксиальный диэлектрический резонатор, имеет металлизационное покрытие на боковой поверхности, электрически соединённое с экранной заземляющей металлизацией платы; в многослойной печатной плате выполнено отверстие соразмерное расположенному в нём диэлектрическому коаксиальному резонатору, который установлен на дне металлического корпуса и электрически соединён с дном корпуса металлизацией своей боковой поверхности, часть проводников топологического рисунка верхнего слоя многослойной печатной платы генератора, управляемого напряжением, соединяющая активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора и имеет в своём составе ёмкостные связи, и электрически соединена с проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, при этом управляющий компонент установлен на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора и соединен с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второй его вывод соединен с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, и с топологическим рисунком проводников металлизации расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, причём ёмкостная связь между проводником топологического рисунка соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде, по меньшей мере, одного зазора, а ёмкостная связь между боковой стороной проводника топологического рисунка соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора, отличающаяся тем, что генераторный компонент установлен на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора со стороны, противоположной той, на которой установлен управляющий компонент, и соединен с ней электрически одним выводом, подлежащим заземлению, через параллельно соединённые между собой навесные компоненты, также установленные на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора, второй его вывод соединен с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, а также через навесной компонент, установленный на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы, а третий вывод соединён с проводником топологического рисунка металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы через навесной компонент, установленный на верхнем слое многослойной платы.