ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ Российский патент 2023 года по МПК H01L27/02 

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, касается интегральной схемы СВЧ и может найти широкое применение в твердотельной СВЧ-электронике, в частности, в радиолокационных станциях с активными фазированными антенными решетками (АФАР), а также в мощных светодиодах и силовой электронике.

Известна конструкция интегральной схемы СВЧ, в котором в качестве рабочей подложки использует диэлектрический материал, отличающийся низким значением диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь (кварц, поликор, сапфир и другие) и заключающийся в формировании на подложке посредством методов тонкопленочной технологии элементов линий передачи, элементов согласования, пассивных элементов и контактных площадок, разделении подложки на отдельные чипы, каждый из которых содержит пассивную часть интегральной схемы и затем устанавливается в предусмотренных местах пассивной части интегральной схемы. [А.М. Темнов и др. Гибридно-монолитные интегральные приборы СВЧ: конструирование и технология изготовления. Обзоры по электронной технике. Сер.I «Электроника СВЧ», вып.20 (1319), 1987 г.].

Недостатком этой конструкции интегральной схемы СВЧ являются неэффективный отвод тепла от кристаллов активных элементов из-за низкого коэффициента теплопроводности указанных выше диэлектрических материалов, что не позволяет значительно снизить тепловое сопротивление и ограничивает возможности создания мощных интегральных схем СВЧ.

Известна интегральная схема СВЧ-диапазона, содержащая диэлектрическую плату с отверстием, имеющую топологический рисунок металлизации на лицевой стороне и экранную заземляющую металлизацию на обратной стороне и соединенную обратной стороной с металлическим основанием, конденсатор, размещенный в отверстии платы и закрепленный нижней обкладкой на металлическом заземленном основании, а верхняя обкладка конденсатора соединена проволочным проводником с топологическим рисунком металлизации (Microwaves and RF, 1986, vol. N 9, p. 232).

Указанной интегральной схеме СВЧ-диапазона присущи низкие электрические параметры, вызванные большой паразитной индуктивностью соединения верхней обкладки конденсатора с топологическим рисунком металлизации, и низкие массогабаритные характеристики, связанные с большими линейными размерами из-за больших расстояний между верхней обкладкой конденсатора и топологическим рисунком металлизации.

Известна интегральная схема СВЧ (Авторское свидетельство SU №152652, МПК H01L 27/02, заявл. 28.12.1987, опубл. 10.10.2005, Бюл. №28), содержащая макрокристалл арсенида галлия с металлизированной нижней поверхностью, на верхней поверхности которого содержатся активные и пассивные элементы, элементы с субмикронными размерами, полевые транзисторы с электродами затвора и стока, соединенными с отрезками микрополосковых линий и с электродами истока, соединенными с нижней поверхностью через сквозное отверстие. С целью увеличения степени интеграции и уменьшения теплового сопротивления, элементы с субмикронными размерами выполнены по крайней мере на одном отдельном микрокристалле, при этом полевые транзисторы на микрокристалле имеют на всех электродах выступы, расположенные в одной плоскости и сгруппированные в одной области, под которой выполнены металлизированные площадки, каждая из которых соединена с выступом соответствующего электрода, при этом указанное сквозное отверстие заполнено металлом с высокой теплопроводностью и расположено под металлизированной площадкой истока, т.е. чипы с полевыми субмикронными транзисторами устанавливаются перевернутым монтажом на макрочип с пассивными элементами и отрезками микрополосковых линий, а под местом установки транзистора в макрочипе для эффективного отвода тепла формируют сквозные отверстия, заполненные металлом с высокой теплопроводностью.

Недостатком известной интегральной схемы является неэффективный отвод тепла от кристаллов активных элементов из-за низкого коэффициента теплопроводности указанных выше диэлектрических материалов, что не позволяет значительно снизить тепловое сопротивление и ограничивает возможности создания мощных интегральных схем СВЧ, у которых часть кристаллов ИС в соответствии с топологической схемой должна быть электрически изолирована от заземленной обратной стороны подложки.

Известна интегральная схема СВЧ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн [L.T. Juan and P.G. Asher. A.W. - band monolithic balanced mixer. JEEE 1985 microwave and millimeter-wave monolithic circuits Symp.Digest of papers Ed. M. Cohn. New Jork. 1985 г., р.71.], содержащая активные и пассивные элементы, элементы линий передачи и элементы согласования на полуизолирующей подложке из арсенида галлия (GaAs) с выращенными на ней слоями заданной рабочей структуры методом эпитаксии. При этом пассивные элементы, элементы линий передачи, элементы согласования формируют в едином технологическом цикле с активными элементами. После чего пластину разделяют на отдельные чипы, каждый из которых представляет собой монолитную интегральную схему СВЧ. Такая технология изготовления позволяет повысить воспроизводимость электрических характеристик и снизить трудоемкость изготовления, благодаря исключению операции монтажа кристаллов активных элементов. Однако использование в конструкции интегральной схемы СВЧ полуизолирующей подложки из арсенида галлия не обеспечивает эффективного отвода тепла от активных элементов из-за низкого коэффициента теплопроводности материала подложки из арсенида галлия, что не позволяет уменьшить тепловое сопротивление цепи «активный элемент-корпус интегральной схемы СВЧ» и создавать интегральные схемы СВЧ повышенной мощности.

Известна интегральная схема СВЧ (прототип) [Патент РФ №2474921 МПК H01L 27/00, Н05К 1/00, приоритет 30.08.2011 г., опубл. 10.02.2013 г.], содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы, либо пассивные элементы, линии передачи, выводы и активные элементы, при этом элементы соединены электрически, а интегральная схема заземлена, диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной, равной (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.

В известной интегральной схеме СВЧ с целью улучшения электрических характеристик, повышения надежности и уменьшения массогабаритных характеристик диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной (100-200)×10^-6 м с нанесенным металлизационным покрытием. Так как алмаз обладает высокой теплопроводностью и является диэлектрическим материалом, то сочетание указанных свойств алмаза позволяет обеспечить, возможность выполнения одновременно трех функций: теплоотвода, металлического основания и заземляющего элемента. Однако, выполнение диэлектрической подложки из алмаза толщиной менее 100×10^-6 м нежелательно, так как диэлектрическая подложка теряет требуемую механическую прочность, а при толщине более 200×10^-6 м увеличиваются длительность цикла изготовления толстого алмаза и его массогабаритные характеристики, значительно повышается стоимость подложки из алмаза и ухудшаются электрические характеристики интегральной схемы СВЧ.

С другой стороны, выполнение металлизационного покрытия диэлектрической подложки в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах диэлектрической подложки, и локального слоя - на лицевой ее стороне в виде прямой последовательности проводящих металлов системы титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем в виде слоя кремния, облученного ускоренными ионами посредством метода ионной имплантации, не обеспечивает одинаковой толщины покрытия на лицевой, обратной и торцевых сторонах диэлектрической подложки. На торцевых сторонах при таком способе изготовления толщина покрытия будет меньше, чем на лицевой и обратной сторонах из-за явления подпыла, а адгезионный подслой не будет облучен ионами из-за его экранирования от потока ионов, что не обеспечит необходимой адгезионной прочности покрытия на торцах. Кроме того, в силу меньшей толщины покрытия на торцах и большего электросопротивления использование торцевого покрытия в качестве заземляющего элемента приведет к неоднородности покрытия торцов золотом и к потерям на них СВЧ энергии, что вызовет большой разброс электрических характеристик.

К тому же в процессе формирования топологии интегральной схемы СВЧ затруднительно равномерно нанести золото на локальное расположение слоя металлизационного покрытия на лицевой стороне.

Наличие на лицевой стороне диэлектрической подложки в местах соединения шунтирующих элементов и в местах отвода тепла от активных элементов металлических столбов сечением и высотой (40-50)×10^-6 м, посредством которых на диэлектрической подложке устанавливаются активные элементы усложняет конструкцию интегральной схемы и не позволяет при монтаже обеспечить одновременно контакты со всеми столбами, что приводит к снижению выхода годных изделий.

В прототипе в качестве диэлектрической подложки использован поликристаллический алмаз малой толщины, который имеет низкую механическую прочность на разрыв и сжатие. В процессе изготовления интегральной схемы СВЧ диэлектрическая подложка из алмаза неоднократно испытывает как температурные, так и механические воздействия, которые приводят к разрушению хрупких подложек, что приводит к повышенному браку и увеличивает затраты на производство и стоимость готовой интегральной схемы. При эксплуатации такой диэлектрической подложки в интегральной схеме происходит его деформация под действием термомеханических напряжений в условиях перепада температур в процессе сборки изделия и последующей эксплуатации, в результате чего происходит разрушение такой подложки. Кроме того, имеется проблема механического крепления интегральной схемы к корпусу или шасси устройства, для решения которой потребуются либо сверление отверстий для монтажа, либо крепежные прижимы, либо пайка, что также вызовет действие растягивающих и сжимающих сил и приведет к нестабильности эксплуатационных свойств и разрушению интегральной схемы.

Техническим результатом заявленного изобретения является устранение перечисленных недостатков, повышение эффективности отвода тепла от активных элементов различных вариантов схемного подключения и монтажа, увеличение механической прочности диэлектрической подложки с тонким слоем алмаза, улучшение электрических характеристик интегральной схемы за счет снижения индуктивности и электросопротивления заземляющих соединений, а также снижение стоимости диэлектрической подложки и всей конструкции интегральной схемы СВЧ в целом.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в интегральной схеме СВЧ, содержащей 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, диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной, равной (100-200)·10^-6 м, которая имеет металлизационное покрытие, выполненное в виде сплошного слоя одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, а заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия на торцевых сторонах, диэлектрическая подложка выполнена из пластины нитрида алюминия, на лицевой и на обратной стороне подложки нанесены слои алмаза толщиной, равной 150·10^-6 м, она снабжена сквозными отверстиями, причем в местах отвода тепла от активных элементов, изолированных от заземленной обратной стороны подложки, отверстиями диаметром 0,1-0,3 мм, заполненных алмазом, в местах отвода тепла от активных элементов с заземленным с обратной стороной истоком и в местах схемного заземления пассивных элементов с обратной стороной подложки отверстиями диаметром более 0,3 мм, заполненных металлизационным покрытием и припоем, а диэлектрическая подложка установлена заземленной стороной на металлическое основание. Между диэлектрической подложкой и металлическим основанием размещена свинцовая прокладка, плакированная мягким припоем.

Слой алмаза может быть нанесен на диэлектрическую подложку из пластины нитрида алюминия со сквозными отверстиями только на лицевой стороне подложки.

Активные элементы, изолированные от заземленной обратной стороны подложки и размещенные над отверстиями диаметром 0,1-0,3 мм, а также активные элементы, соединенные с заземленной обратной стороной подложки выводами истоков и размещенные над отверстиями диаметром более 0,3 мм, установлены на диэлектрической подложке методом «перевернутого кристалла».

Существенными отличиями заявляемого изобретения являются, во-первых, то, что диэлектрическая подложка является композиционным материалом, полученный в результате осаждения из газовой фазы слоев поликристаллического алмаза на лицевую и обратную стороны диэлектрической подложки из нитрида алюминия со сквозными отверстиями диаметром 0,1-0,3 мм, полностью заполненными в процессе осаждения алмазом, во-вторых, дополнительно подложка имеет вертикальные сквозные отверстия диаметром более 0,3 мм, образованные для решения схемных задач по соединению с землей выводов истоков полевых транзисторов и отвода от них тепла, а также для выполнения заземления контактных площадок интегральной схемы на лицевой стороне подложки с экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне диэлектрической подложки. Такое сочетание признаков позволяет повысить рассеиваемую мощность активных элементов, обеспечить более эффективный отвод тепла от всех тепловыделяющих элементов схемы, различные варианты соединения с землей на одной подложке, в том числе выводов истоков полевых транзисторов и соединения элементов топологии схемы с одной стороны подложки с элементами топологии, расположенных на обратной стороне, с помощью короткозамыкающих перемычек в виде металлических столбиков, находящихся в сквозных отверстиях диаметром более 0,3 мм.

Возможность нанесения слоя алмаза на диэлектрическую подложку из пластины нитрида алюминия со сквозными отверстиями только на одной, лицевой стороне подложки позволяет не только обеспечить такую же работоспособность и необходимые параметры интегральной схемы СВЧ, но и снизить массогабаритные характеристики интегральной схемы и ее стоимость.

Размещение диэлектрической подложки на металлическом основании через свинцовую прокладку, плакированную мягким припоем, позволяет обеспечить релаксацию термомеханических напряжений, возникающих при смене температур в процессе эксплуатации и исключить растрескивание диэлектрической подложки.

Заявленной совокупности признаков в известном уровне техники не обнаружено, поэтому созданная интегральная схема СВЧ обладает существенными отличиями и новизной.

Изобретение поясняется чертежами, на которых приведены предлагаемая конструкция СВЧ интегральной схемы и последовательность операций ее изготовления, где:

- на фиг. 1 изображена диэлектрическая подложка 1 (вид в разрезе);

- на фиг. 2 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2 (вид в разрезе);

- на фиг. 3 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2, заполненными поликристаллическим алмазом 3, который осажден также на лицевой и обратной сторонах (вид в разрезе);

- на фиг. 4 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2, заполненными поликристаллическим алмазом 3, который осажден также и на лицевой и обратной сторонах и на который нанесена металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) или может быть нанесена последовательность проводящих металлов системы титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем в виде слоя кремния 4 (вид в разрезе);

- на фиг. 5 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2, заполненными поликристаллическим алмазом 3, который осажден также и на лицевой и обратной сторонах и на который нанесена металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) или может быть нанесена последовательность проводящих металлов системы титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем в виде слоя кремния 4 с выполненными из нее контактными площадками 5 (вид в разрезе);

- на фиг. 6 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2, заполненными поликристаллическим алмазом 3, который осажден также и на лицевой и обратной сторонах и на который нанесена металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) или может быть нанесена металлизационная система титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем в виде слоя кремния 4 с выполненными из нее контактными площадками 5 и установленными на них методом «перевернутого кристалла» активными элементами 6 (вид в разрезе);

- на фиг. 7 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2, заполненными поликристаллическим алмазом 3, который осажден также и на лицевой и обратной сторонах и на который с лицевой и обратной сторон нанесена металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) или может быть нанесена металлизационная система титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем в виде слоя кремния 4 с выполненными из нее контактными площадками 5 и установленными на них методом «перевернутого кристалла» активными элементами 6, а также с металлическим основанием 7, припаянным с обратной стороны подложки (вид в разрезе).

- на фиг. 8 изображена диэлектрическая подложка из нитрида алюминия с отверстиями диаметром от 0,1 до 1,2 мм.

- на фиг. 9 изображена диэлектрическая подложка из нитрида алюминия с отверстиями и нанесенным слоем алмаза.

- на фиг. 10 изображена диэлектрическая подложка из нитрида алюминия с отверстиями диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм, зарощенных нанесенным слоем алмаза.

на фиг. 11 изображен вид отверстий диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм, зарощенных нанесенным слоем алмаза, в разрезе.

- на фиг. 12 изображен вид сверху отверстия диаметром 0,5 мм с нанесенным слоем алмаза на внутренней поверхности.

- на фиг. 13 изображен вид сверху отверстия диаметром 0,9 мм с нанесенным слоем алмаза на внутренней поверхности.

Патентуемая интегральная схема СВЧ содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг. 1) из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2 (фиг. 2), заполненными поликристаллическим алмазом 3, который осажден также на лицевой и обратной сторонах (фиг. 3). На поликристаллический алмаз 3, осажденный на лицевой и обратной сторонах, нанесена металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) или может быть нанесена последовательность проводящих металлов системы титан-молибден-никель-золото с адгезионным подслоем в виде слоя кремния 4 (фиг. 4), из которой на лицевой стороне методом фотолитографии сформирован топологический рисунок схемы и контактные площадки 5 (фиг. 5), расположенные над отверстиями, заполненными алмазом, с размещенными на них активными навесными элементами 6 (фиг. 6). К обратной стороне композитной многослойной диэлектрической подложки 1 припаяно металлическое основание 7 (фиг. 7) через свинцовую прокладку толщиной 300 мкм, плакированную с обеих сторон мягким припоем ПОИн-52 толщиной 30 мкм (на чертеже не показано). Часть контактных площадок 5 топологического рисунка схемы размещена на алмазном слое и заземлена электрическим соединением с металлическим теплопроводящим основанием 7 (фиг. 7) с помощью отверстий (на чертеже не показаны). Отверстия в диэлектрической подложке 1(фиг. 1) со сквозными отверстиями 2 (фиг. 2) диаметром 500 мкм соединяют контактные площадки 5 с экранной заземляющей металлизацией 4 на обратной стороне диэлектрической подложки 1. На стенки отверстий, покрытых алмазом, нанесена металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) и затем они полностью заполняются припоем при последующей пайке диэлектрической подложки с металлическим теплопроводящим основанием 7.

Полученные таким образом короткие связи контактных площадок 5, подлежащих заземлению, с экранной заземляющей металлизацией 4, обеспечивают снижение паразитных индуктивностей соединений и улучшают электрические характеристики схемы.

Для обеспечения соединения контактных площадок 5 на подложке 1 с контактными площадками кристаллов активных элементов 6 методом «перевернутого кристалла», на кристаллах активных элементов 6 выполнены объемные выводы высотой 20-30 мкм, полученные гальваническим наращиванием металлизационной структуры Ni-Cu-Ni (0,5 мкм) - Au (3 мкм).

Изготавливают интегральную схему СВЧ следующим образом. Сначала с помощью лазера в диэлектрической пластине из нитрида алюминия размером 30×24×0,25 мм прошивают отверстия диаметром от 0,1 до 0,9 мм (фиг. 8). Затем на эту диэлектрическую подложку из нитрида алюминия с отверстиями наносится слой алмаза толщиной 150 мкм методом осаждения из газовой фазы в микроволновом плазменном реакторе пониженного давления без автономного подогрева подложки (фиг. 9).

В процессе осаждения слоя алмаза на подложку отверстия диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм заращиваются алмазом (фиг. 10).

Полное зарастание нанесенным слоем алмаза происходит в отверстиях диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм. Момент начала перекрытия отверстия показан на рисунке (фиг. 11), где изображен вид в разрезе отверстий диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм, зарощенных нанесенным слоем алмаза.

В отверстиях диаметром более 0,3 мм слой алмаза осаждается на внутренней поверхности отверстий и не заполняет их полностью (фиг. 12 и фиг. 13).

Полученные образцы подложек с отверстиями и с нанесенными на обе стороны алмазными слоями характеризуются шероховатой поверхностью. Чтобы обеспечить в дальнейшем напыление металлизационной структуры, для уменьшения шероховатости алмазных пленок подложку с алмазным слоем шлифуют и полируют.

Для изготовления и обеспечения требуемых электрофизических параметров интегральной схемы СВЧ на подложке с отверстиями, заполненными и не заполненными алмазом, была разработана плата усилители мощности СВЧ в диапазоне частот 9-10,5 ГГц с использованием мощных транзисторов из нитрида галлия (GaN).

В соответствии с технологической схемой изготовления на подготовленные поверхности подложек с алмазными слоями наносили с обеих сторон металлизационную структуру сначала путем последовательного напыления в вакууме резистивного слоя, а затем двухслойного покрытия, состоящего из адгезионного подслоя титана и электропроводного слоя палладия, которое в дальнейшем покрывалось защитным слоем гальванического золота. Топологический рисунок проводящих пленочных элементов, контактных площадок, технологических проводников и экранной заземляющей металлизации ИС СВЧ формировали методом фотолитографии. На подготовленные таким образом подложки с алмазными слоями и металлизационной структурой, нанесенных с обеих сторон, на лицевой стороне подложки с топологическим рисунком схемы осуществляли монтаж навесных конденсаторов и кристаллов мощных транзисторов СВЧ из GaN на контактные площадки, расположенные над отверстиями, заполненными алмазом, обеспечивая, таким образом, помимо электрического контакта с элементами схемы еще и тепловой контакт с алмазным столбиком, размещенном в отверстии подложки для высокоэффективного отвода тепла. Такая многослойная структура из алмазных слоев, нанесенных с обеих сторон подложки и находящихся друг с другом в двойном тепловом контакте, во-первых, через керамику из нитрида алюминия и, во-вторых, через столбики алмаза в отверстиях, позволяет эффективно отводить тепло от кристаллов мощных транзисторов СВЧ из GaN и GaAs (источников тепла) независимо от их линейных размеров, так как в данном конструктивном варианте подложки при увеличении размеров кристаллов мощных транзисторов СВЧ из GaN и GaAs (источников тепла) не надо пропорционально увеличивать толщину алмазного слоя на подложке. Для подтверждения этого был опробован вариант нанесения слоя алмаза только с одной, с лицевой стороны подложки с отверстиями, что так же подтвердило работоспособность интегральной схемы усилителя мощности СВЧ.

Интегральная схема СВЧ работает следующим образом. Сигнал со входной контактной площадки по микрополосковым линиям (МПЛ) поступает через контактные площадки 5 на активные элементы 6, которые этот сигнал усиливают и передают с помощью МПЛ на выходные контактные площадки 5 (фиг.7), а затем обработанный СВЧ сигнал выводится из схемы.

Выделяющееся в процессе преобразования сигнала тепло через контактные площадки 5 под активными элементами передается на алмазный слой 3 на лицевой стороне подложки, затем с помощью столбиков из алмаза, размещенных в сквозных отверстиях 2, передается на алмазный слой 3 на обратной стороне подложки и далее сквозь покрытие из металлизационной структуры Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) или из металлизационной системы титан-молибден-никель-золото 4 на обратной стороне подложки 1 поступает непосредственно в металлическое заземляющее основание 7(фиг. 7) и затем стекает в массивное днище корпуса устройства, которое, в свою очередь, контактирует с охлаждаемым теплоприемником (на чертежах не показаны) размещение подложки на металлическом основании, прикрепляемому к массивному корпусу позволяет увеличить время работы кристаллов мощных транзисторов СВЧ из GaN и реализовать, как импульсный, так и непрерывный режимы работы.

Измеренные электрофизические параметры изготовленного усилителя мощности показали, что разработанная технология совместима с типовыми процессами изготовления ИС СВЧ и позволяет получать высокодобротные усилители мощности СВЧ в диапазоне частот 9-10,5 ГГц.

Интегральная схема СВЧ является объемной структурой, образованной композитной многослойной диэлектрической подложкой, состоящей из центрального слоя в виде пластины из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, заполненными поликристаллическим алмазом в виде столбиков, и верхнего и нижнего слоев алмаза, нанесенных на лицевую и на обратную стороны центрального слоя из нитрида алюминия. При этом на лицевую и обратную стороны подложки нанесена многослойная металлизационная структура Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм), из которой на лицевой стороне методом фотолитографии сформирован топологический рисунок схемы и контактные площадки, расположенные над отверстиями, заполненными алмазом, с размещенными на них активными элементами и пассивными навесными элементами, размещенными на алмазном слое, вне отверстий. К обратной стороне композитной многослойной диэлектрической подложки припаяно металлическое теплопроводящее основание через свинцовую прокладку, плакированную мягким припоем.

Предлагаемая конструкция интегральной схемы СВЧ с указанной объемной структурой может выполнять различную обработку мощного высокочастотного сигнала: усиление, генерирование, преобразование, фильтрация, детектирование. Одной из ключевых операций изготовления интегральной схемы СВЧ является получение короткозамыкающих перемычек для соединения элементов топологии схемы с одной стороны подложки с элементами топологии обратной стороны. Основными требованиями к перемычкам являются: низкое электрическое сопротивление, малые размеры и точная привязка к топологии интегральной схемы СВЧ. В предлагаемой ИС СВЧ перемычки выполнены в виде отверстий диаметром более 0,3 мм, металлизированных в процессе нанесения металлизационной структуры Ti (0,02 мкм) - Pd (0,2 мкм) - Au (3 мкм) на лицевую и обратную стороны подложки (на чертежах не показано) и заполненных в процессе пайки подложки к металлическому основанию мягким припоем за счет капиллярного эффекта.

Тепло, выделяемое кристаллами активных элементов (полупроводниковых приборов) интегральной схемы СВЧ, отводится за счет кондуктивного механизма передачи тепла. Сначала тепло от кристаллов активных элементов проходит сквозь алмазный слой на лицевой стороне подложки, затем протекает по объему сквозных отверстий, заполненных алмазом, далее проходит сквозь алмазный слой на обратной стороне подложки и поступает в металлическое теплопроводящее основание, поверхность которого соединена с охлаждаемым корпусом устройства. Наличие алмазных столбиков в отверстиях под активными элементами позволяет отвести тепло от активных элементов кратчайшим путем и тем самым улучшить теплоотвод и повысить надежность интегральных схем СВЧ.

Таким образом, патентуемая многослойная интегральная схема СВЧ позволяет обеспечить более эффективный отвод тепла от активных элементов, благодаря выполнению под кристаллами отверстий, заполненных алмазом в случае изолированных от земли активных элементов и заполненных металлизацией и мягким припоем в случае соединения с землей, а также обеспечить улучшение электрических характеристик схемы и снижение паразитных индуктивностей за счет уменьшения длины короткозамыкающих перемычек, соединяющих элементы топологии схемы с одной стороны подложки с элементами топологии на обратной стороне, что сокращает расход драгоценных металлов, улучшает условия теплоотвода от кристаллов и снижает массогабаритные характеристики за счет монтажа кристаллов ИС СВЧ на подложке методом «перевернутого кристалла» и повышения степени интеграции.

Наличие в слоистой структуре диэлектрической подложки алмазных слоев на лицевой и обратной ее сторонах, работающих при нагреве подложки с отверстиями, заполненными алмазом, на сжатие, что для слоя из нитрида алюминия более предпочтительно, чем растяжение, предотвращает растрескивание подложки и концентрацию механических напряжений, которые обусловлены различием в слоистой структуре подложки коэффициентов теплового расширения алмаза и нитрида алюминия.

Патентуемая интегральная схема СВЧ позволяет увеличить площадь теплового контакта с металлическим основанием за счет комбинации передачи тепла через алмазные столбики в отверстиях, через короткозамыкающие перемычки (заземления) из металлических слоев в отверстиях, заполненных припоем, а также от резисторов на подложке через верхний слой алмаза, нитрид алюминия и нижний слой алмаза, что в совокупности позволяет обеспечить всесторонний отвод тепла и повысить эффективность отвода тепла, уменьшить длину заземляющих проводников, снизить паразитные индуктивности схемы и, тем самым, улучшить электрические характеристики интегральной схемы СВЧ.

Полное исключение металлических столбиков на подложке, которые применяются в прототипе для монтажа навесных активных элементов позволяет обеспечить планарность подложки, повысить надежность контактов при монтаже и существенно снизить наряду со стоимостью алмаза и стоимость интегральной схемы СВЧ.

Нанесение на диэлектрической подложке из нитрида алюминия слоев из алмаза толщиной менее 100×10^-6 м нежелательно, так как сквозные отверстия в диэлектрической подложке не заращиваются полностью алмазом и не обеспечивают требуемые теплоотвод и механическую прочность, а нанесение на подложку слоев алмаза толщиной более 200×10^-6 м приводит к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости, при этом из-за потерь СВЧ энергии ухудшаются электрические характеристики интегральной схемы СВЧ.

Предлагаемая конструкция СВЧ интегральной схемы по сравнению с прототипом позволяет повысить воспроизводимость параметров СВЧ интегральной схемы и выход годных схем из-за полного исключения соединений с помощью выращенных металлических столбиков, высоту которых сложно получить одинаковой в одной плоскости на подложке, и повысить надежность за счет улучшения соединения контактных площадок навесных активных элементов с контактными площадками на подложке, обеспечить многовариантный эффективный отвода тепла от активных и пассивных элементов разного вида схемных подключений, а также снизить ее стоимость.

Такая комбинация нитрида алюминия и поликристаллического алмаза позволяет обеспечить отвод тепла от кристаллов мощных транзисторов СВЧ из GaAs и GaN. Тонкие алмазные слои, нанесенные на нитрид алюминия и алмаз, заполнивший сквозные отверстия, позволяют повысить теплопроводность подложек минимум в 7 раз, поскольку в этом случае тепло от источника при его контакте с поверхностью алмазного слоя и столбика алмаза в отверстии под ним отводится в две стороны, т.е. перпендикулярно и параллельно поверхности алмазного покрытия и таким образом рассеивается на большую площадь, что повышает эффективность отвода тепла.

Использование в качестве схемного элемента и теплоотвода интегральной схемы СВЧ пластины из нитрида алюминия с тонким алмазным слоем на обеих ее поверхностях и со сквозными отверстиями, заполненными алмазом, позволяет улучшить характеристики устройств СВЧ и обеспечить снижение их стоимости по сравнению с монолитной алмазной подложкой такой же толщины, как и пластина из нитрида алюминия. Наличие на пластине из нитрида алюминия одновременно отверстий диаметром 0,1- 0,3 мм, полностью заполняемых алмазом, и отверстий диаметром более 0.3 мм, у которых алмазом покрыты стенки отверстий, значительно расширяет возможности проектирования СВЧ устройств, так как такое сочетание позволяет на одной плате размещать кристаллы из GaAs и GaN, требующих изоляции от заземленной экранной стороны подложки, и кристаллы из GaAs и GaN, которым необходимо соединение с заземленной стороной подложки, а также покрывать стенки отверстий с алмазным слоем диаметром более 0,3 мм слоями металлических пленок или полностью заполнять металлом (например, мягким припоем), что позволяет получить короткозамыкающие перемычки для соединения элементов топологии схемы с одной стороны подложки с элементами топологии, расположенными на обратной стороне и улучшить электрические характеристики за счет уменьшения паразитной индуктивности соединений.

Конструкция интегральной схемы СВЧ с использованием пластины из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, заполненными алмазом, с проводящей металлизационной структурой, позволяет формировать топологический рисунок, включающий пассивные элементы и микрополосковые линии, и создавать устройства СВЧ повышенной мощности, обладающие улучшенными электрофизическими параметрами.

Применение алмазного слоя на пластине из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, заполненными алмазом, позволяет увеличить предельную выходную мощность, обеспечить эффективный отвод тепла от кристаллов из GaAs и GaN и повысить срок службы усилителей мощности приемопередающих устройств СВЧ.

Данная интегральная схема СВЧ может быть конструкцией широкого применения, использоваться в качестве СВЧ усилителя мощности, генератора, умножителя и как СВЧ преобразовательная схема.

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, касается интегральной схемы СВЧ и может найти широкое применение в твердотельной СВЧ-электронике. Активные элементы, изолированные от заземленной обратной стороны подложки и размещенные над отверстиями диаметром 0,1-0,3 мм, а также активные элементы, соединенные с заземленной обратной стороной подложки выводами истоков и размещенные над отверстиями диаметром более 0,3 мм, установлены на диэлектрической подложке методом «перевернутого кристалла». Техническим результатом заявленного изобретения является устранение перечисленных недостатков, повышение эффективности отвода тепла от активных элементов различных вариантов схемного подключения и монтажа, увеличение механической прочности диэлектрической подложки с тонким слоем алмаза, улучшение электрических характеристик интегральной схемы за счет снижения индуктивности и электросопротивления заземляющих соединений, а также снижение стоимости диэлектрической подложки и всей конструкции интегральной схемы СВЧ в целом. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. 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, диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной, равной (100-200)·10^-6 м, которая имеет металлизационное покрытие, выполненное в виде сплошного слоя одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, а заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия на торцевых сторонах, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из пластины нитрида алюминия, на лицевой и на обратной стороне подложки нанесены слои алмаза толщиной, равной 150·10^-6 м, она снабжена сквозными отверстиями, причем в местах отвода тепла от активных элементов, изолированных от заземленной обратной стороны подложки, отверстиями диаметром 0,1-0,3 мм, заполненных алмазом, в местах отвода тепла от активных элементов с заземленным с обратной стороной истоком и в местах схемного заземления пассивных элементов с обратной стороной подложки отверстиями диаметром более 0,3 мм, заполненных металлизационным покрытием и припоем, а диэлектрическая подложка установлена заземленной стороной на металлическое основание.

2. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что между диэлектрической подложкой и металлическим основанием размещена свинцовая прокладка, плакированная мягким припоем.

3. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что слой алмаза может быть нанесен на диэлектрическую подложку из пластины нитрида алюминия со сквозными отверстиями только на лицевой стороне подложки.

4. Интегральная схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что активные элементы, изолированные от заземленной обратной стороны подложки и размещенные над отверстиями диаметром 0,1-0,3 мм, а также активные элементы, соединенные с заземленной обратной стороной подложки выводами истоков и размещенные над отверстиями диаметром более 0,3 мм, установлены на диэлектрической подложке методом «перевернутого кристалла».