RU2713917C1 - Microwave switching board from high-resistance silicon on a metal base - Google Patents
Microwave switching board from high-resistance silicon on a metal base Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713917C1 RU2713917C1 RU2019130088A RU2019130088A RU2713917C1 RU 2713917 C1 RU2713917 C1 RU 2713917C1 RU 2019130088 A RU2019130088 A RU 2019130088A RU 2019130088 A RU2019130088 A RU 2019130088A RU 2713917 C1 RU2713917 C1 RU 2713917C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- board
- metal
- metal base
- front side
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
- H05K1/0237—High frequency adaptations
- H05K1/024—Dielectric details, e.g. changing the dielectric material around a transmission line
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
- H05K1/0237—High frequency adaptations
- H05K1/0243—Printed circuits associated with mounted high frequency components
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/0058—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates
- H05K3/0061—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates onto a metallic substrate, e.g. a heat sink
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Waveguides (AREA)
Abstract
Description
Заявленное изобретение относится к конструкции коммутационной платы из кремния с удельным сопротивлением не менее 10 кОм·см, расположенной на металлическом основании и может быть использовано при изготовлении СВЧ усилителей мощности, применяемых в системах дистанционного зондирования земли и высокочастотных радиолиниях. The claimed invention relates to the design of a silicon patch circuit board with a resistivity of at least 10 kOhm · cm, located on a metal base and can be used in the manufacture of microwave power amplifiers used in remote sensing systems of the earth and high-frequency radio lines.
Из уровня техники известен способ размещения микроволновых полупроводниковых компонентов и интегральных схем (см. US5063177A, опубл. 05.11.1991). Изобретение относится к коммутации монолитных СВЧ интегральных микросхем и передаче энергии на ВЧ частотах. Кремниевая плата используется в качестве пассивного элемента для передачи энергии на высоких частотах. Кремниевая плата обладает высокой теплопроводностью. Методом анизотропного травления в плате формируются углубления под кристаллы микросхем и металлизированные отверстия. Углубления под кристаллы выполнены с высокой точностью.The prior art method for placement of microwave semiconductor components and integrated circuits (see US5063177A, publ. 05.11.1991). The invention relates to switching monolithic microwave integrated circuits and energy transfer at high frequencies. A silicon board is used as a passive element for transmitting energy at high frequencies. Silicon board has high thermal conductivity. By the method of anisotropic etching, indentations are formed in the circuit board for chip crystals and metallized holes. The recesses for the crystals are made with high accuracy.
Среди недостатков следует отметить большие потери в проводниковых микрополосках при распространении энергии на высоких частотах. Также конструкция имеет недостаточную прочность из-за хрупкости кремния.Among the shortcomings, it should be noted the large losses in the conductive microstrips during the propagation of energy at high frequencies. Also, the design has insufficient strength due to the fragility of silicon.
Из уровня техники известен наиболее близкий к предлагаемому решению аналог, раскрывающий микрополосковую линию и содержащее ее микрополосковое устройство (см. US6445345B1, опубл. 03.09.2002).From the prior art, the closest analogue to the proposed solution is known, revealing a microstrip line and a microstrip device containing it (see US6445345B1, published 03.09.2002).
В изобретение описывается микрополосковая линия с малыми потерями. Микрополосковая линия выполнена в диэлектрической подложке, соединенной с металлической пластиной для заземления. В металлической пластине в местах под микрополосками сформированы воздушные прослойки, позволяющие снизить потери энергии в проводниковых полосках при распространении СВЧ сигнала.The invention describes a microstrip line with low losses. The microstrip line is made in a dielectric substrate connected to a metal plate for grounding. In the metal plate in the places under the microstrips, air gaps are formed, which make it possible to reduce the energy loss in the conductor strips during the propagation of the microwave signal.
Недостатками указанного в качестве наиболее близкого аналога решения являются:The disadvantages of the solution indicated as the closest analogue are:
– воздушная прослойка формируется в металлической пластине, при постоянной толщине диэлектрической пластины. Конструкция позволяет изменять комбинированную диэлектрическую проницаемость микрополосковой линии передачи в узких пределах. - the air gap is formed in a metal plate, with a constant thickness of the dielectric plate. The design allows you to change the combined dielectric constant of the microstrip transmission line within narrow limits.
– в изобретении описывается пластины, теплопроводность материала которых в сотни раз меньше, чем теплопроводность кремния.- the invention describes plates, the thermal conductivity of the material of which is hundreds of times less than the thermal conductivity of silicon.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение омических потерь при распространении энергии СВЧ, обечение возможности варьировать в более широких пределах комбинированную относительную диэлектрическую проницаемость микрополосковой линии передачи, устранение перегрева СВЧ кристаллов и линий передач, сформированных на плате, обеспечение сохранения конструкционной прочности пластины из кремния и возможности изготовления коммутационной платы групповым методом. The technical result of the claimed invention is to reduce ohmic losses in the propagation of microwave energy, the ability to vary within a wider range the combined relative dielectric constant of the microstrip transmission line, eliminating the overheating of microwave crystals and transmission lines formed on the board, ensuring the preservation of the structural strength of the silicon wafer and the possibility of manufacturing circuit board group method.
Технический результат достигается посредством создания СВЧ коммутационной платы из высокоомного кремния на металлическом основании, состоящей из монокристаллической кремниевой платы ориентации (100), с удельным сопротивлением не менее 10 кОм·см и металлического основания, на лицевой стороне кремниевой платы выполнено не менее двух полостей-колодцев разной глубины, на дне которых сформированы электропроводящие отверстия, на лицевой стороне сформированы полоски микрополосковых линий передачи из металла с малым электросопротивлением разной толщины, с обратной стороны кремниевой платы сформированы методом жидкостного анизотропного травления воздушные пазы разной глубины, идущие параллельно полоскам, области заземленных контактов на лицевой стороне соединены с металлическим экраном тыльной стороны платы с помощью электропроводящих отверстий, контакты, предназначенные для сварки или пайки находятся за габаритами полостей-колодцев и пазов, на тыльной стороне кремниевой платы везде, кроме пазов, выполнен металлический экран с малым удельным электросопротивлением, тыльная сторона кремниевой платы полностью, кроме пазов покрыта припоем, металлическое основание имеет покрытие из металла с низким электросопротивлением и соединено с кремниевой платой пайкой.The technical result is achieved by creating a microwave switching board made of high-resistance silicon on a metal base, consisting of a single crystal silicon orientation board (100), with a resistivity of at least 10 kOhm · cm and a metal base, at least two well cavities are made on the front side of the silicon board of different depths, at the bottom of which electrically conductive holes are formed, on the front side are formed strips of microstrip metal transmission lines with low electrical resistance p of a certain thickness, on the reverse side of the silicon board, air grooves of different depths running parallel to the strips are formed by liquid anisotropic etching, the areas of grounded contacts on the front side are connected to the metal screen of the back side of the board using electrically conductive holes, the contacts for welding or soldering are outside the dimensions cavities-wells and grooves, on the back side of the silicon board everywhere, except grooves, a metal screen with a low electrical resistivity is made, t Ordering side silicon wafer entirely, except for the grooves is covered with solder, the metal base has a coating of a metal with low electric resistance and is connected to the silicon board by soldering.
Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими фигурами:The claimed invention is illustrated by the following figures:
Фиг.1 – Лицевая сторона кремниевой платы;Figure 1 - The front side of the silicon board;
Фиг.2 – Тыльная сторона кремниевой платы;Figure 2 - The back side of the silicon board;
Фиг.3 – Разрез кремниевой платы;Figure 3 - Section of a silicon board;
Фиг.4 – Фрагмент разреза кремниевой платы с основанием.Figure 4 - A fragment of a section of a silicon board with a base.
Позиции на фигурах обозначают следующее:The positions in the figures indicate the following:
1 – металлическое основание; 1 - metal base;
2 – проводящее покрытие;2 - conductive coating;
3 – припой;3 - solder;
4 – металлический экран тыльной стороны кремниевой платы;4 - a metal screen on the back of a silicon board;
5 – кремниевая плата;5 - silicon board;
6 – полосок микрополосковой линии передачи;6 - strips of a microstrip transmission line;
7 – воздушная полость (паз); 7 - air cavity (groove);
8 – сквозные металлизированные отверстия с контактными площадками;8 - through metallized holes with contact pads;
9 – полости-колодцы под кристаллы;9 - cavity-wells for crystals;
10 – сквозные металлизированные отверстия в полостях.10 - through metallized holes in the cavities.
Заявленное изобретение относится к конструкции коммутационной платы из кремния с удельным сопротивлением не менее 10 кОм·см, расположенной на металлическом основании и может быть использовано при изготовлении бортовых усилителях мощности космического назначения в диапазоне частот от L до Ka. The claimed invention relates to the design of a silicon patch circuit board with a resistivity of at least 10 kOhm · cm, located on a metal base and can be used in the manufacture of onboard power amplifiers for space purposes in the frequency range from L to Ka.
СВЧ коммутационная плата из высокоомного кремния на металлическом основании содержит:A microwave impedance circuit board made of high resistance silicon on a metal base contains:
– металлическое основание с покрытием высокой электропроводности;- a metal base coated with high electrical conductivity;
– припаянную к основанию кремниевую плату со сформированными методом анизотропного травления разной глубины полостями под кристаллы на лицевой стороне и воздушными пазами на тыльной;- a silicon board soldered to the base with cavities formed by the method of anisotropic etching of different depths for crystals on the front side and air grooves on the back;
– металлизированные отверстия разной длины с контактными площадками, сформированные в полостях и на плате;- metallized holes of different lengths with contact pads formed in the cavities and on the board;
– металлические полоски разной ширины, сформированные на лицевой стороне кремниевой пластины;- metal strips of different widths formed on the front side of the silicon wafer;
– проводящий экран, сформированный на тыльной стороне кремниевой пластины везде, кроме мест, где сформированы пазы с воздушной прослойкой;- a conductive screen formed on the back side of the silicon wafer everywhere except in places where grooves with an air gap are formed;
– припой соединяющий кремниевую плату с основанием.- solder connecting the silicon board to the base.
В предпочтительном варианте материалом основания является ковар.In a preferred embodiment, the base material is a carpet.
Потери в микрополосковой линии передачи необходимо уменьшать до минимума. Известно, что потери при передаче включают потери в диэлетрическом материале, из которого изготовлена плата, омические потери полоскового проводника и потери излучения от полоскового проводника. Диэлектрические потери высокоомного кремния становятся заметными на высоких частотах. Потери на излучение становятся заметными также на высоких частотах.Losses in the microstrip transmission line must be minimized. It is known that transmission losses include losses in the dielectric material of which the board is made, ohmic losses of the strip conductor and radiation losses from the strip conductor. The dielectric loss of high-resistance silicon becomes noticeable at high frequencies. Radiation loss also becomes apparent at high frequencies.
Таким образом, в области частот до 10 ГГц для линий передачи большой мощности определяющим являются омические потери в полосках.Thus, in the frequency range up to 10 GHz, for ohmic transmission lines, ohmic losses in the strips are decisive.
Основной эффект, позволяющий уменьшить омические потери при передачи энергии достигается использованием материалов диэлекрических подложек, имеющих малую относительную диэлектрическую проницаемость. Применение таких подложек позволяет сделать полоски более широкими и тем самым уменьшить омические потери.The main effect, which allows to reduce ohmic losses during energy transfer, is achieved using dielectric substrate materials having a low relative permittivity. The use of such substrates allows us to make the strips wider and thereby reduce ohmic losses.
Создание в кремниевой пластине вытравленных анизотропно пазов позволяет уменьшить толщину кремниевой пластины с диэлектрической проницаемостью Εk = 11,67 и увеличить воздушную прослойку с диэлектрической проницаемостью Εв = 1 между границей кремния и проводящим покрытием.Creating a silicon wafer anisotropically etched grooves allows to reduce the thickness of a silicon wafer with a dielectric constant k Ε = 11.67 and an air layer to increase the permittivity Ε = 1 in the boundary between silicon and a conductive coating.
В этом случае комбинированный слой диэлектрика можно представить как два последовательно соединенных конденсатора. Исходя из этого комбинированную диэлектрическую проницаемость Εэфф можно оценить из формулы:In this case, the combined dielectric layer can be represented as two series-connected capacitors. Based on this, the combined dielectric constant Ε eff can be estimated from the formula:
Εэфф = (dk+dв) × Εk × Εв×( Εk× dв + Εв× dk)-1;Ε eff = (d k + d in ) × Ε k × Ε in × (Ε k × d in + Ε in × d k ) -1 ;
Таким образом, подставляя Εэфф в формулы расчета полосковой линии можно увеличить ширину полосков и тем самым уменьшить омические потери, возникающие при распространении СВЧ сигнала. Thus, substituting Ε eff in the strip line calculation formulas, it is possible to increase the width of the stripes and thereby reduce the ohmic losses that occur during the propagation of the microwave signal.
Например, при толщине кремниевой пластины равной 0,38 мм, dk=0,05 мм, а dв = 0,33 мм Εэфф = 1,13.For example, when the thickness of the silicon wafer is 0.38 mm, d k = 0.05 mm, and d in = 0.33 mm Ε eff = 1.13.
Кремний имеет коэффициент теплопроводности 120 Вт/м·К, он в 5 раз выше поликоровой керамики и более чем в 200 раз превышает теплопроводность СВЧ ламинатов Rogers. Это позволяет использовать кремниевые платы в усилителях мощности для передатчиков.Silicon has a thermal conductivity of 120 W / m · K, it is 5 times higher than polycoric ceramics and more than 200 times higher than the thermal conductivity of Rogers microwave laminates. This allows the use of silicon boards in power amplifiers for transmitters.
Металлическое основание придает изделию необходимую механическую прочность.The metal base gives the product the necessary mechanical strength.
Вывод контактных площадок за пределы утоненных мест пластины позволяет проводить монтаж проводников традиционными методами пайки или сварки.The withdrawal of contact pads beyond the thinned places of the plate allows the installation of conductors by traditional methods of soldering or welding.
Кремниевая плата изготавливается на стандартном технологическом оборудовании, используемом при производстве микросхем по групповой технологии. The silicon circuit board is manufactured using standard technological equipment used in the manufacture of microchips using group technology.
В результате работы по созданию СВЧ коммутационной платы на высокоомном кремнии были получены параметры, позволяющие утверждать, что на частотах до 10 ГГц данная технология по СВЧ характеристикам превосходит технологию СВЧ многослойных печатных плат, а именно материал Rogers RO4350. Потери в СВЧ линиях в высокоомном кремнии меньше, чем потери в СВЧ ламинате Rogers RO4350. As a result of work on the creation of a microwave switching board on high-resistance silicon, parameters were obtained that suggest that at frequencies up to 10 GHz this technology surpasses microwave technology in multi-layer printed circuit boards, namely Rogers RO4350. Losses in microwave lines in high-resistance silicon are less than losses in microwave laminate Rogers RO4350.
Теплопроводность высокоомного кремния превышает в разы теплопроводность плат из СВЧ ламинатов, LTCC и поликора, что может быть широко использовано для усилителей мощности. Технология позволяет создавать в платах высокоомного кремния колодцы для кристаллов и переходные металлизированные отверстия. The thermal conductivity of high-resistance silicon is several times higher than the thermal conductivity of boards made of microwave laminates, LTCC and polycor, which can be widely used for power amplifiers. The technology allows creating crystals wells and transitional metallized holes in high-resistance silicon circuit boards.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает:Thus, the claimed invention provides:
- малые омические потери при распространении энергии СВЧ за счет широких полосков; - small ohmic losses in the propagation of microwave energy due to wide strips;
- изменение соотношений толщины кремниевой платы и воздушной прослойки позволяет варьировать в более широких пределах комбинированную относительную диэлектрическую проницаемость микрополосковой линии передачи; - changing the ratio of the thickness of the silicon board and the air gap allows you to vary within a wider range of the combined relative permittivity of the microstrip transmission line;
– высокая теплопроводность кремния, позволяет устранить перегрев СВЧ кристаллов и линий передач, сформированных на плате;- high thermal conductivity of silicon, eliminates overheating of microwave crystals and transmission lines formed on the board;
– конструкционная прочность пластины из кремния при утонении не ухудшается за счет формировании полостей-колодцев и пазов внутри пластины, и для увеличения прочности конструкции соединяется с металлическим основанием. Для уменьшения механических нагрузок, возникающих при пайке и сварке места контактов вынесены за пределы утоненных мест кремниевой пластины.- the structural strength of the silicon wafer during thinning does not deteriorate due to the formation of cavity-wells and grooves inside the wafer, and is connected to a metal base to increase the structural strength. To reduce mechanical stresses arising during soldering and welding, the contact points are moved outside the thinned spots of the silicon wafer.
– возможность изготовления коммутационной платы групповыми методами по стандартным технологиям, применяемым в технологии изготовления микросхем.- the possibility of manufacturing a patch board by group methods using standard technologies used in the technology of manufacturing microcircuits.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019130088A RU2713917C1 (en) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Microwave switching board from high-resistance silicon on a metal base |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019130088A RU2713917C1 (en) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Microwave switching board from high-resistance silicon on a metal base |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2713917C1 true RU2713917C1 (en) | 2020-02-11 |
Family
ID=69625625
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019130088A RU2713917C1 (en) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Microwave switching board from high-resistance silicon on a metal base |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2713917C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2820301C1 (en) * | 2023-12-01 | 2024-06-03 | Акционерное общество "Микроволновые системы" | High-stability broadband microstrip structure |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5321549A (en) * | 1976-08-12 | 1978-02-28 | Fujitsu Ltd | Microwave integrated circuit |
JPH09298407A (en) * | 1996-05-08 | 1997-11-18 | Nec Corp | Microstrip line |
US6445345B1 (en) * | 2000-02-15 | 2002-09-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Microstrip line and microwave device using the same |
RU2546856C2 (en) * | 2013-05-28 | 2015-04-10 | Закрытое акционерное общество "НИИМП-Т" | Production of semiconductor microwave devices |
RU154339U1 (en) * | 2014-12-01 | 2015-08-20 | Зао "Группа Кремний Эл" | SILICON SWITCHBOARD |
-
2019
- 2019-09-25 RU RU2019130088A patent/RU2713917C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5321549A (en) * | 1976-08-12 | 1978-02-28 | Fujitsu Ltd | Microwave integrated circuit |
JPH09298407A (en) * | 1996-05-08 | 1997-11-18 | Nec Corp | Microstrip line |
US6445345B1 (en) * | 2000-02-15 | 2002-09-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Microstrip line and microwave device using the same |
RU2546856C2 (en) * | 2013-05-28 | 2015-04-10 | Закрытое акционерное общество "НИИМП-Т" | Production of semiconductor microwave devices |
RU154339U1 (en) * | 2014-12-01 | 2015-08-20 | Зао "Группа Кремний Эл" | SILICON SWITCHBOARD |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2820301C1 (en) * | 2023-12-01 | 2024-06-03 | Акционерное общество "Микроволновые системы" | High-stability broadband microstrip structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9812750B2 (en) | High frequency band pass filter with coupled surface mount transition | |
US4777718A (en) | Method of forming and connecting a resistive layer on a pc board | |
JPH0583015A (en) | Directional coupler and manufacture thereof and manufacture of circuit board having directional coupler | |
TW200901834A (en) | Method for ultimate noise isolation in high-speed digital systems on packages and printed circuit boards (PCBs) | |
CN115551239B (en) | Thick-film circuit substrate grounding method and thick-film circuit | |
WO2018067776A1 (en) | Flipped rf filters and components | |
JP2005051331A (en) | Coupling structure between microstrip line and dielectric waveguide | |
JP3464116B2 (en) | High frequency transmission line coupling structure and multilayer wiring board having the same | |
RU2713917C1 (en) | Microwave switching board from high-resistance silicon on a metal base | |
CN111194136B (en) | Ceramic powder filled polytetrafluoroethylene glass cloth mixed pressure multilayer power divider circuit board | |
CN115693080B (en) | High-power synthesizer implementation method based on thick-film circuit substrate | |
JP5361024B2 (en) | Wiring board | |
IL277054B (en) | Thin film surface mountable high frequency coupler | |
JP2006042098A (en) | High frequency wiring board | |
WO2000031821A1 (en) | Microwave mixer with baluns having rectangular coaxial transmission lines | |
JP2007027518A (en) | High-frequency circuit module, and laminated high-frequency circuit module | |
US20240213185A1 (en) | System, electronic device and package with vertical to horizontal substrate integrated waveguide transition and horizontal grounded coplanar waveguide transition | |
KR101264106B1 (en) | Waveguide and method of manufacturing the waveguide | |
JP4377725B2 (en) | High frequency wiring board | |
KR20230134421A (en) | Composite structure of ceramic substrate | |
CN115720414B (en) | Forming method of thick film anti-sparking circuit board | |
CN106848518B (en) | Double-sided double-slot line transmission line | |
US20230068119A1 (en) | Electronic device | |
CN106937478A (en) | The product structure and its manufacture craft of multi-layer precise circuit are made on ceramic substrate | |
JP2003224405A (en) | Dielectric filter |