RU2803110C2

RU2803110C2 - Microwave integrated circuit

Info

Publication number: RU2803110C2
Application number: RU2020116144A
Authority: RU
Inventors: Юрий Кондратьевич Непочатов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС"
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2023-09-06

Abstract

FIELD: electronic engineering.

SUBSTANCE: present invention relates to a microwave integrated circuit and can be widely used in solid-state microwave electronics. Active elements isolated from the grounded reverse side of the substrate and placed above holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, as well as active elements connected to the grounded reverse side of the substrate by source leads and placed above holes with a diameter of more than 0.3 mm, are mounted on a dielectric substrate using the flip-crystal method.

EFFECT: eliminating the above disadvantages, increasing the efficiency of heat removal from active elements of various circuit connection and installation options, increasing the mechanical strength of the dielectric substrate with a thin layer of diamond, improving the electrical characteristics of the integrated circuit by reducing the inductance and electrical resistance of ground connections, as well as reducing the cost of the dielectric substrate and the entire structure of the microwave integrated circuit as a whole.

4 cl, 13 dwg

Description

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. The present invention relates to the field of electronic engineering, concerns a microwave integrated circuit and can find wide application in solid-state microwave electronics, in particular, in radar stations with active phased array antennas (AFAR), as well as in high-power LEDs and power electronics.

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.].The design of a microwave integrated circuit is known, in which a dielectric material is used as a working substrate, characterized by a low dielectric constant and dielectric loss tangent (quartz, polycor, sapphire and others) and consists in forming transmission line elements, elements on the substrate using thin-film technology methods matching, passive elements and pads, dividing the substrate into separate chips, each of which contains the passive part of the integrated circuit and is then installed in the designated places of the passive part of the integrated circuit. [A.M. Temnov et al. Hybrid-monolithic integrated microwave devices: design and manufacturing technology. Reviews on electronic technology. Series I "Microwave Electronics", issue 20 (1319), 1987].

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.The disadvantage of this microwave integrated circuit design is the ineffective heat removal from the crystals of active elements due to the low thermal conductivity of the above dielectric materials, which does not significantly reduce thermal resistance and limits the possibility of creating high-power microwave integrated circuits.

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).An integrated circuit for the microwave range is known, containing a dielectric board with a hole, having a topological metallization pattern on the front side and a screen grounding metallization on the back side and connected on the back side to a metal base, a capacitor placed in the hole of the board and secured by the bottom plate to a metal grounded base, and the upper plate of the capacitor is connected by a wire conductor with a topological metallization pattern (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.The specified integrated circuit of the microwave range is characterized by low electrical parameters caused by the large parasitic inductance of the connection of the upper plate of the capacitor with the topological metallization pattern, and low weight and size characteristics associated with large linear dimensions due to the large distances between the upper plate of the capacitor and the topological metallization pattern.

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.A microwave integrated circuit is known (Author's Certificate SU No. 152652, IPC H01L 27/02, application 12/28/1987, published 10/10/2005, Bulletin No. 28), containing a gallium arsenide macrocrystal with a metallized lower surface, on the upper surface of which active and passive elements, elements with submicron dimensions, field-effect transistors with gate and drain electrodes connected to sections of microstrip lines and with source electrodes connected to the bottom surface through a through hole. In order to increase the degree of integration and reduce thermal resistance, elements with submicron dimensions are made on at least one separate microcrystal, while field-effect transistors on the microcrystal have protrusions on all electrodes, located in the same plane and grouped in one area, under which metallized pads are made , each of which is connected to the protrusion of the corresponding electrode, while the specified through hole is filled with metal with high thermal conductivity and is located under the metallized source platform, i.e. chips with field-effect submicron transistors are installed inverted on a macrochip with passive elements and sections of microstrip lines, and through holes filled with metal with high thermal conductivity are formed under the transistor installation site in the macrochip for effective heat removal.

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.The disadvantage of the known integrated circuit is the ineffective removal of heat from the crystals of active elements due to the low thermal conductivity coefficient of the above dielectric materials, which does not allow to significantly reduce the thermal resistance and limits the possibility of creating high-power microwave integrated circuits, in which part of the IC crystals, in accordance with the topological diagram, should be electrically isolated from the grounded back of the substrate.

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. There is a well-known microwave integrated circuit for the centimeter and millimeter wavelength ranges [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 York. 1985, p. 71.], containing active and passive elements, transmission line elements and matching elements on a semi-insulating substrate made of gallium arsenide (GaAs) with layers of a given working structure grown on it by the epitaxy method. In this case, passive elements, transmission line elements, and matching elements are formed in a single technological cycle with active elements. The wafer is then divided into individual chips, each of which is a monolithic microwave integrated circuit. This manufacturing technology makes it possible to increase the reproducibility of electrical characteristics and reduce the labor intensity of manufacturing, due to the elimination of the installation of crystals of active elements. However, the use of a semi-insulating gallium arsenide substrate in the design of a microwave integrated circuit does not provide effective heat removal from the active elements due to the low thermal conductivity coefficient of the gallium arsenide substrate material, which does not allow reducing the thermal resistance of the “active element-microwave integrated circuit housing” circuit and creating High-power microwave integrated circuits.

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^-6м, 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.A microwave integrated circuit (prototype) is known [RF Patent No. 2474921 IPC H01L 27/00, N05K 1/00, priority 08/30/2011, publ. 02/10/2013], containing a dielectric substrate, on the front side of which only passive elements, or passive elements, transmission lines, leads and active elements are made, while the elements are electrically connected, and the integrated circuit is grounded, the dielectric substrate is made of a diamond plate of thickness , equal to (100-200)×10 ^-6 m, which has a metallization coating, while the metallization coating is made in the form of a continuous layer on the back and end sides, and a local layer on the front side of the said dielectric substrate, while the mentioned layers are made of the same thickness , equal to every 3-7 skin depths, and the grounding of the integrated circuit is carried out through the mentioned metallization coating.

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.In the known microwave integrated circuit, in order to improve electrical characteristics, increase reliability and reduce weight and size characteristics, the dielectric substrate is made of a diamond plate with a thickness of (100-200) × 10 ^-6 m with an applied metallization coating. Since diamond has high thermal conductivity and is a dielectric material, the combination of these properties of diamond makes it possible to simultaneously perform three functions: a heat sink, a metal base and a grounding element. However, making a dielectric substrate from diamond with a thickness of less than 100×10 ^-6 m is undesirable, since the dielectric substrate loses the required mechanical strength, and with a thickness of more than 200×10 ^-6 m, the cycle time for producing thick diamond and its weight and size characteristics increase, and the cost increases significantly diamond substrates and the electrical characteristics of the microwave integrated circuit deteriorate.

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. On the other hand, performing a metallization coating of a dielectric substrate in the form of a continuous layer on the back and end sides of the dielectric substrate, and a local layer on its front side in the form of a direct sequence of conductive metals of the titanium-molybdenum-nickel-gold system with an adhesive sublayer in the form of a silicon layer irradiated with accelerated ions using the ion implantation method does not provide the same coating thickness on the front, back and end sides of the dielectric substrate. On the end sides with this manufacturing method, the thickness of the coating will be less than on the front and back sides due to the phenomenon of dust, and the adhesive sublayer will not be irradiated by ions due to its shielding from the flow of ions, which will not provide the necessary adhesive strength of the coating on the ends. In addition, due to the smaller thickness of the coating on the ends and higher electrical resistance, the use of the end coating as a grounding element will lead to inhomogeneity of the gold coating of the ends and to losses of microwave energy on them, which will cause a large scatter in the electrical characteristics.

К тому же в процессе формирования топологии интегральной схемы СВЧ затруднительно равномерно нанести золото на локальное расположение слоя металлизационного покрытия на лицевой стороне.In addition, in the process of forming the topology of a microwave integrated circuit, it is difficult to uniformly apply gold to the local location of the metallization coating layer on the front side.

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.The presence on the front side of the dielectric substrate at the junction of the shunt elements and at the points of heat removal from the active elements of metal pillars with a cross-section and height of (40-50)×10 ^-6 m, through which active elements are installed on the dielectric substrate, complicates the design of the integrated circuit and does not allow during installation, ensure simultaneous contacts with all pillars, which leads to a decrease in the yield of suitable products.

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.The prototype uses thin-thick polycrystalline diamond as a dielectric substrate, which has low mechanical tensile and compressive strength. During the manufacturing process of a microwave integrated circuit, the dielectric diamond substrate repeatedly experiences both thermal and mechanical impacts, which lead to the destruction of fragile substrates, which leads to increased defects and increases production costs and the cost of the finished integrated circuit. When such a dielectric substrate is used in an integrated circuit, it deforms under the influence of thermomechanical stresses under conditions of temperature changes during the assembly of the product and subsequent operation, resulting in the destruction of such a substrate. In addition, there is the problem of mechanical fastening of the integrated circuit to the body or chassis of the device, the solution of which will require either drilling holes for mounting, or mounting clamps, or soldering, which will also cause tensile and compressive forces and lead to instability of operational properties and destruction of the integrated circuit .

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. The technical result of the claimed invention is the elimination of the listed disadvantages, increasing the efficiency of heat removal from the active elements of various circuit connection and installation options, increasing the mechanical strength of the dielectric substrate with a thin layer of diamond, improving the electrical characteristics of the integrated circuit by reducing the inductance and electrical resistance of ground connections, as well as reducing the cost of the dielectric substrate and the entire structure of the microwave integrated circuit as a whole.

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^-6м, 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.The technical result of the invention is achieved due to the fact that in a microwave integrated circuit containing a dielectric substrate, on the front side of which only passive elements are made, or passive elements, transmission lines, leads, active elements, while the elements are electrically connected, the integrated circuit is grounded, dielectric the substrate is made of a diamond plate with a thickness equal to (100-200)·10 ^-6 m, which has a metallization coating made in the form of a continuous layer of the same thickness, equal to every 3-7 depths of the skin layer on the back and end sides and a local layer on the front side of the said dielectric substrate, and the integrated circuit is grounded by means of the said metallization coating on the end sides, the dielectric substrate is made of an aluminum nitride plate, diamond layers with a thickness of 150·10 ^-6 m are deposited on the front and back sides of the substrate, it is equipped with through holes, and in places of heat removal from active elements, isolated from the grounded back side of the substrate, holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, filled with diamond, in places of heat removal from active elements with a source grounded on the back side and in places of circuit grounding passive elements with the back side of the substrate with holes with a diameter of more than 0.3 mm, filled with a metallization coating and solder, and the dielectric substrate is installed with the grounded side on a metal base. Between the dielectric substrate and the metal base there is a lead gasket clad with soft solder.

Слой алмаза может быть нанесен на диэлектрическую подложку из пластины нитрида алюминия со сквозными отверстиями только на лицевой стороне подложки.The diamond layer can be deposited on a dielectric substrate made of an aluminum nitride plate with through holes only on the front side of the substrate.

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».Active elements isolated from the grounded back side of the substrate and placed above holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, as well as active elements connected to the grounded back side of the substrate by source leads and placed above holes with a diameter of more than 0.3 mm, are mounted on a dielectric substrate using the “inverted crystal” method.

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.The significant differences of the claimed invention are, firstly, that the dielectric substrate is a composite material obtained by vapor deposition of layers of polycrystalline diamond onto the front and back sides of a dielectric substrate made of aluminum nitride with through holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, completely filled with diamond during deposition; secondly, the substrate additionally has vertical through holes with a diameter of more than 0.3 mm, formed to solve circuit problems of connecting the source leads of field-effect transistors to the ground and removing heat from them, as well as to perform grounding integrated circuit pads on the front side of the substrate with screen ground metallization on the back side of the dielectric substrate. This combination of features makes it possible to increase the dissipated power of active elements, provide more efficient heat removal from all heat-generating elements of the circuit, various options for connecting to ground on one substrate, including the terminals of the sources of field-effect transistors and connecting circuit topology elements on one side of the substrate with topology elements, located on the reverse side, using short-circuiting jumpers in the form of metal posts located in through holes with a diameter of more than 0.3 mm.

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.The possibility of depositing a diamond layer on a dielectric substrate made of an aluminum nitride plate with through holes on only one, the front side of the substrate, allows not only to ensure the same performance and the necessary parameters of a microwave integrated circuit, but also to reduce the weight and size characteristics of the integrated circuit and its cost.

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.Placing a dielectric substrate on a metal base through a lead gasket clad with soft solder allows for relaxation of thermomechanical stresses that arise when temperatures change during operation and prevents cracking of the dielectric substrate.

Заявленной совокупности признаков в известном уровне техники не обнаружено, поэтому созданная интегральная схема СВЧ обладает существенными отличиями и новизной.The declared set of features was not found in the prior art, therefore the created microwave integrated circuit has significant differences and novelty.

Изобретение поясняется чертежами, на которых приведены предлагаемая конструкция СВЧ интегральной схемы и последовательность операций ее изготовления, где:The invention is illustrated by drawings, which show the proposed design of a microwave integrated circuit and the sequence of operations for its manufacture, where:

- на фиг. 1 изображена диэлектрическая подложка 1 (вид в разрезе);- in fig. 1 shows a dielectric substrate 1 (sectional view);

- на фиг. 2 изображена диэлектрическая подложка 1 из нитрида алюминия со сквозными отверстиями 2 (вид в разрезе);- in fig. Figure 2 shows a dielectric substrate 1 made of aluminum nitride with through holes 2 (sectional view);

- 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);- in fig. Figure 3 shows a dielectric substrate 1 made of aluminum nitride with through holes 2 filled with polycrystalline diamond 3, which is also deposited on the front and back sides (sectional view);

- 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);- in fig. Figure 4 shows a dielectric substrate 1 made of aluminum nitride with through holes 2 filled with polycrystalline diamond 3, which is also deposited on the front and back sides and on which a metallization structure of Ti (0.02 μm) - Pd (0.2 μm) - Au is applied (3 μm) or a sequence of conductive metals of the titanium-molybdenum-nickel-gold system can be applied with an adhesive sublayer in the form of a silicon layer 4 (sectional view);

- 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);- in fig. Figure 5 shows a dielectric substrate 1 made of aluminum nitride with through holes 2 filled with polycrystalline diamond 3, which is also deposited on the front and back sides and on which a metallization structure of Ti (0.02 μm) - Pd (0.2 μm) - Au is applied (3 μm) or a sequence of conductive metals of the titanium-molybdenum-nickel-gold system can be applied with an adhesive sublayer in the form of a layer of silicon 4 with contact pads 5 made from it (sectional view);

- 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);- in fig. Figure 6 shows a dielectric substrate 1 made of aluminum nitride with through holes 2 filled with polycrystalline diamond 3, which is also deposited on the front and back sides and on which a metallization structure of Ti (0.02 μm) - Pd (0.2 μm) - Au is applied (3 μm) or a titanium-molybdenum-nickel-gold metallization system can be applied with an adhesive sublayer in the form of a layer of silicon 4 with contact pads 5 made from it and active elements 6 installed on them using the “inverted crystal” method (sectional view);

- 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).- in fig. Figure 7 shows a dielectric substrate 1 made of aluminum nitride with through holes 2 filled with polycrystalline diamond 3, which is also deposited on the front and back sides and on which a metallization structure Ti (0.02 μm) - Pd (0. 2 μm) - Au (3 μm) or a titanium-molybdenum-nickel-gold metallization system can be applied with an adhesive sublayer in the form of a layer of silicon 4 with contact pads 5 made from it and active elements 6 installed on them using the “inverted crystal” method, and also with a metal base 7, soldered on the back side of the substrate (sectional view).

- на фиг. 8 изображена диэлектрическая подложка из нитрида алюминия с отверстиями диаметром от 0,1 до 1,2 мм.- in fig. 8 shows a dielectric aluminum nitride substrate with holes with a diameter of 0.1 to 1.2 mm.

- на фиг. 9 изображена диэлектрическая подложка из нитрида алюминия с отверстиями и нанесенным слоем алмаза.- in fig. Figure 9 shows a dielectric substrate made of aluminum nitride with holes and a deposited layer of diamond.

- на фиг. 10 изображена диэлектрическая подложка из нитрида алюминия с отверстиями диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм, зарощенных нанесенным слоем алмаза.- in fig. 10 shows a dielectric substrate made of aluminum nitride with holes with a diameter of 0.1; 0.2 and 0.3 mm, overgrown with an applied layer of diamond.

на фиг. 11 изображен вид отверстий диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм, зарощенных нанесенным слоем алмаза, в разрезе.in fig. 11 shows a view of holes with a diameter of 0.1; 0.2 and 0.3 mm, overgrown with an applied layer of diamond, in the section.

- на фиг. 12 изображен вид сверху отверстия диаметром 0,5 мм с нанесенным слоем алмаза на внутренней поверхности.- in fig. 12 shows a top view of a hole with a diameter of 0.5 mm with a deposited layer of diamond on the inner surface.

- на фиг. 13 изображен вид сверху отверстия диаметром 0,9 мм с нанесенным слоем алмаза на внутренней поверхности.- in fig. 13 shows a top view of a hole with a diameter of 0.9 mm with a layer of diamond deposited on the inner surface.

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.The patented microwave integrated circuit contains a dielectric substrate 1 (Fig. 1) made of aluminum nitride with through holes 2 (Fig. 2) filled with polycrystalline diamond 3, which is also deposited on the front and back sides (Fig. 3). Polycrystalline diamond 3 deposited on the front and back sides is coated with a metallization structure of Ti (0.02 µm) - Pd (0.2 µm) - Au (3 µm) or a sequence of conductive metals of the titanium-molybdenum-nickel system can be deposited. gold with an adhesive sublayer in the form of a layer of silicon 4 (Fig. 4), from which on the front side a topological pattern of the circuit and contact pads 5 (Fig. 5) are formed on the front side using photolithography, located above the holes filled with diamond, with active hanging elements placed on them 6 (Fig. 6). A metal base 7 (Fig. 7) is soldered to the back side of the composite multilayer dielectric substrate 1 through a lead gasket 300 μm thick, clad on both sides with POIn-52 soft solder 30 μm thick (not shown in the drawing). Part of the contact pads 5 of the topological pattern of the circuit is placed on the diamond layer and grounded by an electrical connection with a metal heat-conducting base 7 (Fig. 7) using holes (not shown in the drawing). Holes in the dielectric substrate 1 (Fig. 1) with through holes 2 (Fig. 2) with a diameter of 500 μm connect the contact pads 5 with the screen grounding metallization 4 on the back side of the dielectric substrate 1. The walls of the holes coated with diamond are coated with a Ti metallization structure ( 0.02 µm) - Pd (0.2 µm) - Au (3 µm) and then they are completely filled with solder during subsequent soldering of the dielectric substrate with a metal heat-conducting base 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.The short connections obtained in this way between the contact pads 5 to be grounded and the screen grounding metallization 4 reduce the parasitic inductances of the connections and improve the electrical characteristics of the circuit.

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).To ensure the connection of the contact pads 5 on the substrate 1 with the contact pads of the crystals of the active elements 6 using the “inverted crystal” method, volumetric leads with a height of 20-30 μm are made on the crystals of the active elements 6, obtained by galvanic growth of the Ni-Cu-Ni metallization structure (0.5 µm) - Au (3 µm).

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).A microwave integrated circuit is manufactured as follows. First, using a laser, holes with a diameter of 0.1 to 0.9 mm are pierced in a dielectric aluminum nitride plate measuring 30×24×0.25 mm (Fig. 8). Then, a 150 μm thick layer of diamond is deposited onto this dielectric aluminum nitride substrate with holes using the gas phase deposition method in a reduced pressure microwave plasma reactor without autonomous heating of the substrate (Fig. 9).

В процессе осаждения слоя алмаза на подложку отверстия диаметром 0,1; 0,2 и 0,3 мм заращиваются алмазом (фиг. 10).During the process of deposition of a diamond layer on the substrate, holes with a diameter of 0.1; 0.2 and 0.3 mm are overgrown with diamond (Fig. 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.Complete overgrowth with the applied diamond layer occurs in holes with a diameter of 0.1; 0.2 and 0.3 mm. The moment when the hole begins to overlap is shown in the figure (Fig. 11), which shows a cross-sectional view of holes with a diameter of 0.1; 0.2 and 0.3 mm, overgrown with an applied layer of diamond.

В отверстиях диаметром более 0,3 мм слой алмаза осаждается на внутренней поверхности отверстий и не заполняет их полностью (фиг. 12 и фиг. 13).In holes with a diameter of more than 0.3 mm, a layer of diamond is deposited on the inner surface of the holes and does not fill them completely (Fig. 12 and Fig. 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.The resulting substrate samples with holes and diamond layers deposited on both sides are characterized by a rough surface. To ensure further deposition of the metallization structure, the substrate with the diamond layer is ground and polished to reduce the roughness of the diamond films.

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). To manufacture and provide the required electrical parameters of a microwave integrated circuit on a substrate with holes filled and not filled with diamond, a microwave power amplifier board was developed in the frequency range 9-10.5 GHz using high-power gallium nitride (GaN) transistors.

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.In accordance with the manufacturing process, a metallization structure was applied to the prepared surfaces of substrates with diamond layers on both sides, first by sequential deposition of a resistive layer in a vacuum, and then a two-layer coating consisting of an adhesive titanium sublayer and an electrically conductive palladium layer, which was subsequently covered with a protective layer of galvanic gold. The topological pattern of conductive film elements, contact pads, process conductors and screen grounding metallization of the microwave IC was formed by photolithography. On substrates prepared in this way with diamond layers and a metallization structure deposited on both sides, on the front side of the substrate with a topological pattern of the circuit, mounted capacitors and crystals of powerful GaN microwave transistors were mounted on contact pads located above the holes filled with diamond, thus ensuring Thus, in addition to electrical contact with the circuit elements, there is also thermal contact with a diamond column placed in the hole of the substrate for highly efficient heat removal. Such a multilayer structure of diamond layers deposited on both sides of the substrate and in double thermal contact with each other, firstly, through aluminum nitride ceramics and, secondly, through diamond columns in the holes, makes it possible to effectively remove heat from high-power crystals microwave transistors made of GaN and GaAs (heat sources), regardless of their linear dimensions, since in this design variant of the substrate, when increasing the size of the crystals of high-power microwave transistors made of GaN and GaAs (heat sources), it is not necessary to proportionally increase the thickness of the diamond layer on the substrate. To confirm this, we tested the option of applying a diamond layer to only one, on the front side of the substrate with holes, which also confirmed the functionality of the integrated circuit of the microwave power amplifier.

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.The microwave integrated circuit works as follows. The signal from the input pad via microstrip lines (MSL) is supplied through the contact pads 5 to the active elements 6, which amplify this signal and transmit it using the MSL to the output pads 5 (Fig. 7), and then the processed microwave signal is output from the circuit.

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. The heat released during signal conversion is transferred through contact pads 5 under the active elements to the diamond layer 3 on the front side of the substrate, then, using diamond columns placed in through holes 2, it is transferred to the diamond layer 3 on the back side of the substrate and then through the coating from metallization structure Ti (0.02 μm) - Pd (0.2 μm) - Au (3 μm) or from the metallization system titanium-molybdenum-nickel-gold 4 on the back side of the substrate 1 goes directly to the metal grounding base 7 (Fig. 7) and then flows into the massive bottom of the device body, which, in turn, is in contact with a cooled heat sink (not shown in the drawings). Placing the substrate on a metal base attached to the massive body makes it possible to increase the operating time of high-power GaN microwave transistor crystals and implement, both pulse and continuous operating modes.

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. The measured electrophysical parameters of the manufactured power amplifier showed that the developed technology is compatible with standard processes for manufacturing microwave ICs and makes it possible to obtain high-quality microwave power amplifiers in the frequency range 9-10.5 GHz.

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.A microwave integrated circuit is a volumetric structure formed by a composite multilayer dielectric substrate, consisting of a central layer in the form of an aluminum nitride plate with through holes filled with polycrystalline diamond in the form of columns, and upper and lower layers of diamond deposited on the front and back sides of the central layer made of aluminum nitride. In this case, a multilayer metallization structure Ti (0.02 μm) - Pd (0.2 μm) - Au (3 μm) is applied to the front and back sides of the substrate, from which a topological pattern of the circuit and contact pads located on the front side are formed by photolithography. above the holes filled with diamond, with active elements placed on them and passive hanging elements placed on the diamond layer, outside the holes. A metal heat-conducting base is soldered to the reverse side of the composite multilayer dielectric substrate through a lead gasket clad with soft solder.

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. The proposed design of a microwave integrated circuit with the specified volumetric structure can perform various processing of a powerful high-frequency signal: amplification, generation, conversion, filtering, detection. One of the key operations in the manufacture of a microwave integrated circuit is the production of short-circuiting jumpers to connect the circuit topology elements on one side of the substrate with the topology elements on the reverse side. The main requirements for jumpers are: low electrical resistance, small size and precise connection to the topology of the microwave integrated circuit. In the proposed IC, microwave jumpers are made in the form of holes with a diameter of more than 0.3 mm, metallized during the application of a Ti (0.02 μm) - Pd (0.2 μm) - Au (3 μm) metallization structure on the front and back sides of the substrate ( not shown in the drawings) and filled with soft solder during soldering of the substrate to the metal base due to the capillary effect.

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.The heat generated by the crystals of the active elements (semiconductor devices) of the microwave integrated circuit is removed due to the conductive heat transfer mechanism. First, the heat from the crystals of the active elements passes through the diamond layer on the front side of the substrate, then flows through the volume of through holes filled with diamond, then passes through the diamond layer on the back side of the substrate and enters the metal heat-conducting base, the surface of which is connected to the cooled body of the device. The presence of diamond columns in the holes under the active elements makes it possible to remove heat from the active elements in the shortest possible way and thereby improve heat removal and increase the reliability of microwave integrated circuits.

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.Thus, the patented multilayer microwave integrated circuit allows for more efficient heat removal from the active elements, thanks to the implementation of holes under the crystals filled with diamond in the case of active elements isolated from the ground and filled with metallization and soft solder in the case of connection to the ground, as well as providing improved electrical characteristics of the circuit and reduction of parasitic inductances by reducing the length of short-circuiting jumpers connecting the circuit topology elements on one side of the substrate with the topology elements on the reverse side, which reduces the consumption of precious metals, improves the conditions for heat removal from the crystals and reduces the weight and size characteristics due to the installation of microwave IC crystals on substrate using the “inverted crystal” method and increasing the degree of integration.

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. The presence in the layered structure of the dielectric substrate of diamond layers on its front and back sides, which work when heating the substrate with holes filled with diamond, in compression, which is more preferable for a layer of aluminum nitride than tension, prevents cracking of the substrate and the concentration of mechanical stresses that are caused by the difference in the layered structure of the substrate in the thermal expansion coefficients of diamond and aluminum nitride.

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.The patented microwave integrated circuit allows for increased thermal contact area with the metal substrate through a combination of heat transfer through diamond pillars in the holes, through short-circuiting jumpers (grounds) from the metal layers in the holes filled with solder, and from resistors on the substrate through the top layer of diamond nitride aluminum and the bottom layer of diamond, which together make it possible to ensure comprehensive heat removal and increase the efficiency of heat removal, reduce the length of grounding conductors, reduce the parasitic inductance of the circuit and, thereby, improve the electrical characteristics of the microwave integrated circuit.

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.The complete elimination of metal pillars on the substrate, which are used in the prototype for mounting suspended active elements, makes it possible to ensure planarity of the substrate, increase the reliability of contacts during installation, and significantly reduce, along with the cost of diamond, the cost of the microwave integrated circuit.

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.Applying layers of diamond with a thickness of less than 100×10 ^-6 m on a dielectric substrate made of aluminum nitride is undesirable, since through holes in the dielectric substrate are not completely filled with diamond and do not provide the required heat removal and mechanical strength, and deposition of diamond layers with a thickness of more than 200× on the substrate 10 ^-6 m leads to an increase in weight and size characteristics and cost, while due to losses of microwave energy, the electrical characteristics of the microwave integrated circuit deteriorate.

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.The proposed design of a microwave integrated circuit, in comparison with the prototype, makes it possible to increase the reproducibility of the parameters of a microwave integrated circuit and the yield of usable circuits due to the complete elimination of connections using grown metal columns, the height of which is difficult to obtain the same in one plane on the substrate, and to increase reliability by improving the connection contact pads of suspended active elements with contact pads on the substrate, provide multivariate effective heat removal from active and passive elements of various types of circuit connections, and also reduce its cost.

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.This combination of aluminum nitride and polycrystalline diamond makes it possible to remove heat from the crystals of high-power microwave transistors made of GaAs and GaN. Thin diamond layers deposited on aluminum nitride and diamond filling through holes make it possible to increase the thermal conductivity of the substrates by at least 7 times, since in this case the heat from the source, when it comes into contact with the surface of the diamond layer and the diamond column in the hole under it, is removed in two directions, those. perpendicular and parallel to the surface of the diamond coating and thus dispersed over a large area, which improves the efficiency of heat dissipation.

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. The use of an aluminum nitride plate with a thin diamond layer on both surfaces and with through holes filled with diamond as a circuit element and heat sink for an integrated circuit of a microwave makes it possible to improve the characteristics of microwave devices and reduce their cost compared to a monolithic diamond substrate of the same thickness. as well as an aluminum nitride plate. The presence on an aluminum nitride plate at the same time of holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, completely filled with diamond, and holes with a diameter of more than 0.3 mm, in which the walls of the holes are coated with diamond, significantly expands the possibilities of designing microwave devices, since this combination allows on one board to place crystals from GaAs and GaN, which require isolation from the grounded screen side of the substrate, and crystals from GaAs and GaN, which need to be connected to the grounded side of the substrate, and also cover the walls of holes with a diamond layer with a diameter of more than 0.3 mm with layers of metal films or completely filled with metal (for example, soft solder), which makes it possible to obtain short-circuiting jumpers for connecting circuit topology elements on one side of the substrate with topology elements located on the reverse side and improve electrical characteristics by reducing the parasitic inductance of the connections.

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. The design of the microwave integrated circuit using an aluminum nitride plate with through holes filled with diamond with a conductive metallization structure allows the formation of a topological pattern that includes passive elements and microstrip lines, and the creation of high-power microwave devices with improved electrophysical parameters.

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.The use of a diamond layer on an aluminum nitride plate with through holes filled with diamond makes it possible to increase the maximum output power, ensure efficient heat removal from GaAs and GaN crystals, and increase the service life of power amplifiers of microwave transceiver devices.

Данная интегральная схема СВЧ может быть конструкцией широкого применения, использоваться в качестве СВЧ усилителя мощности, генератора, умножителя и как СВЧ преобразовательная схема. This microwave integrated circuit can be a widely used design, used as a microwave power amplifier, oscillator, multiplier and as a microwave converter circuit.

Claims

1. A microwave integrated circuit containing a dielectric substrate, on the front side of which only passive elements are made, or passive elements, transmission lines, leads, active elements, while the elements are electrically connected, the integrated circuit is grounded, the dielectric substrate is made of a diamond plate of thickness, equal to (100-200)·10 ^-6 m, which has a metallization coating made in the form of a continuous layer of the same thickness, equal to every 3-7 depths of the skin layer on the back and end sides and the local layer on the front side of the said dielectric substrate, and grounding of the integrated circuit is carried out by means of the mentioned metallization coating on the end sides, characterized in that the dielectric substrate is made of an aluminum nitride plate, diamond layers with a thickness of 150·10 ^-6 m are deposited on the front and back sides of the substrate, it is equipped with through holes, and in places of heat removal from active elements, isolated from the grounded back side of the substrate, holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, filled with diamond, in places of heat removal from active elements with a source grounded from the back side and in places of circuit grounding of passive elements with the back side of the substrate has holes with a diameter of more than 0.3 mm, filled with a metallization coating and solder, and the dielectric substrate is installed with the grounded side on a metal base.

2. Microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that a lead gasket clad with soft solder is placed between the dielectric substrate and the metal base.

3. Microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the diamond layer can be deposited on a dielectric substrate made of an aluminum nitride plate with through holes only on the front side of the substrate.

4. Microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the active elements are isolated from the grounded back side of the substrate and placed above holes with a diameter of 0.1-0.3 mm, as well as active elements connected to the grounded back side of the substrate by source leads and placed over holes with a diameter of more than 0.3 mm, mounted on a dielectric substrate using the “inverted crystal” method.