SU1598238A1 - Высокочастотный интегральный модуль - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к высокочастотной интегральной технике и может быть использовано в приемоусилительных, радиопередающих устройствах и устройствах обработки информации в радиорелейной св зи, св зи с первичными объектами и т.д. Цель изобретени  - повышение плотности компоновки и технологичности конструкции - достигаетс  тем, что высокочастотный интегральный модуль содержит основание-радиатор 1, тепловую трубу, состо щую из корпуса 2, фитил  3 и парового канала 4, а также компоненты в виде пр моугольных параллелепипедов: полупроводниковые кристаллы 5, металлические элементы 6 и 7, диэлектрические элементы 8, дисикативные (поглощающие, резистивные) элементы 9, гиромагнитные элементы 10, элементы 11 интегральной оптики, элементы 12 из анизотропного диэлектрика, с использованием которого сформирован направленный ответвитель 13. Металлические элементы 6 и 7 образуют экранные слои металлизации полосковых плат, которые в сочетании с полупроводниковыми кристаллами 5 образуют управл емый резонансный узел 14. Пенистый диэлектрик 15 заполн ет зоны несочленени  между стенками корпуса 16 и компонентами. Сборка корпуса 16 с основанием 1 по ребрам 17 выполн етс  пайкой или микросваркой. Корпус имеет выступы 18 под крепление модул  в изделии. Дл  внешней коммутации модул  служат высокочастотные коаксиальные 19 и волноводные соединители, содержащие фланец 20, волновод 21 и волноводно-полосковый переход 22, а также низкочастотные металлостекл нные соединители. Теплоотвод от основани -радиатора 1 выполн етс , например, в общей системе принудительной вентил ции издели  при соответствующей ориентации ребер 24 радиатора. Высокочастотный интегральный модуль может быть использован дл  реализации различных микроэлектронных устройств до частот 50-70 ТГц. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

экранные слои металлизации полосковых плат, которые в сочетании с полупроводниковыми кристаллами 5 образуют управл емый резонансный узел 14. Пенистый диэлектрик 15 заполн ет зоны несочленени  между стенками корпуса 16 и компонентами . Сборка корпуса 16с основанием 1 по ребрам 17 выполн етс  пайкой или микросваркой . Корпус имеет выступы 18 под крепление модул  в изделии. Дл  внешней коммутаций модул  служат высокочастотные коаксиальные 19 и волноводные соединители , содержащие фланец 20, волновод 21 и волноводно-полосковый переход 22, а также низкочастотные металлостекл нные соединители. Теплоотвод от основани -радиатора 1 выполн етс , например, в общей системе принудительной вентил ции издели  при соответствующей ориентации ребер 24 радиатора. Высокочастотный интегральный модуль может быть использован дл  реализации различных микроэлектронных устройств до частот 50-70 ГГц. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относитс  к высокочастотной интегральной технике и может быть ис- пользовано в приемоусилительных, радиопередающих устройствах и устройствах обработки информации в радиорелейной св зи, св зи с подвижными обьектами, в промышленном телевидении, автоматике и в радиоизмерительной технике.

Цель изобретени  -повышение плотности компоновки и технологичности конструкции .

На фиг. 1 приведена конструкци  высокочастотного интегрального модул  объемного формообразовани  (ВИМОФ); на фиг. 2 и 3 - примеры наращивани  структуры в одном и в двух направлени х соответственно; на фиг. 4-компоновочна  схема ВИМОФ с полосковыми лини ми передачи (ЛП) с послойным наращиванием интеграции; на фиг, 5 - компоновочна  схема ВИМОФ с полосковыми и волноводными ЛП с объемным наращиванием интеграции; на фиг. 6 - компоновочна  схема ВИМОФ с комбинацией диэлектрических, диэлектрико-полу- проводниковых и квазиоптических ЛП с объемным наращиванием интеграции; на фиг. 7 - пример конкретной реализации ВИМОФ; на фиг. 8 - пример электрического соединени  различных компонентов; на фиг. 9 - типичный пассивный компонент ВИМОФ; на фиг. 10 - типичный активный компонент ВИМОФ.

ВИМОФ (фиг. 1) содержит основание- радиатор 1, в квадратном глухом отверстии которого жестко (с помощью пайки или по плотной посадке) закреплена миниатюри- зованна  низкотемпературна  теплова  труба (ТТ), состо ща  из пр моугольного (в поперечном сечении) корпуса 2, фитил  3 и парового канала 4. Данный узел в сборе  вл етс  основным элементом несущей конструкции, вокруг которого размещена непрерывна  трехмерна  структура, образованна  из компонентов, преимущественно в виде пр моугольнь1х параллелепипедов с кратными размерами ребер. Набор последних определ етс  конкретным схемным решением ВИМОФ, в частности, может содержать полупроводниковые кристаллу 5, металлические элементы 6 и 7, диэлектрические элементы 8, диссипативные (погло- щающие, резистивные) элементы 9,

гиромагнитные элементы 10, элементы 11 интегральной радиооптики, элементы 12 из анизотропного диэлектрика и . Компоненты 5-12 образуют объемные функциональные узлы (ФУ), в которых компоненты

преимущественно в виде пр моугольных параллелепипедов электрически соедин ютс  по тракту передачи высокочастотного сигнала по контактирующим гран м тонкими прослойками из жидких провод щих

композиций.

Металлические элементы 7 и 6 образуют экранные слои металлизации (ЭСМ), а ЭСМ в сочетании с токонесущими полосковыми проводниками (ТПП)- полосковые линии передачи (ЛП), например компланарную ЛП. ФУ сформированы из различных элементов и кристаллов. Например, на основе двух элементов из анизотропного диэлектрика и двух ТПП сформирован- направленный ответвитель 13 с высоким коэффициентом направленности; на основе двух ТПП (или ТПП и ЭСМ) и кристалла полупроводника сформирован электрически управл емый резо- нансный узел 14.

Пенистый диэлектрик 15 заполн ет зоны несочленени  между стенками корпуса 16 и непрерывной трехмерной структурой при асимметричной компоновке последней,

.как показано на фиг. 1. Одновременно диэлектрик 15 при необходимости электрически изолирует трехмерную структуру от стенок корпуса 16.

Сборка корпуса 16 с основанием 1 по ребрам 17 выполн етс  пайкой или микросваркой . Корпус имеет выступы 18 под креп- ление модул  в изделии. Дл  внешней коммутации модул  на стенках корпуса 16 установлены проходные соединители: высо кочастотные коаксиальные 19 и волновод- ные соединители, последние содержат фланец 20, волновод 21 и волноводно-поло- сковыйпереход 22. Также установлены низ- кочастотиыеметаллостекл нные

соединители 23. Теплоотвод от основани - радиатора 1 выполн етс , например, в общей системе принудительной вентил ции издели  при соответствующей ориентации ребер 24 радиатора.

Узел обработки сигнала (фиг. 2) содержит диэлектрический изотропный 8 и диэлектрический анизотропный 12 элементы. полупроводниковый кристалл 5. общий ЭСМ 7 и общий ТПП 25; зона 26 заполн етс  другими компонентами или пенистым диэлектриком до условно выделенного обьема параллелепипеда.

На фиг. 3 приведен более сложный фрагмент с наращиванием интеграции в двух измерени х: пр моугольные отрезки 27, 28. 29, 31 и 32, уголковый элемент 30 поворота ТПП, ЭСМ 33 компланарной ЛП, содержащий ФУ: активной обработки сигт нала (элементы 5, 7 и 25), передачи сигнала (элементы 7, 8 и 25), ответвлени  сигнала (элементы 7, 8, 12, 25 и 27), направленного ответвлени  сигнала (элементы 7, 8. 12, 27, 28 и 29), который через уголковый поворот (элементы 7, В, 28, 29, 30 и 31) соединен с невзаимным узлом - компланарной ЛП на ферритовой подложке (элементы 7, 10, 32 и 33). При этом в ВИМОФ элементы ТПП и ЭСМ изготавливаютс  либо в виде отдель- ных металлических элементов, либо по пле- ночной технологии на поверхности .кристаллов, диэлектрических и тому подобных элементов.

Наращивание интеграции в третьем из- мерении выполн етс  аналогичным образом .

На фиг. 4-6 обозначены: N ± х; N± у; N ± Z- направлени  наращивани  мозаичной структуры.

Компоновочна  схема ВИМОФ (фиг. 4) на основе параллелепипеидальных компонентов 34 с поуровневым расположением ТПП 25 и ЭСМ 7 используетс  в СВЧ-диапа- зоне..

На фиг. 5 приведена компоновочна  схема ВИМОФ на основе параллелепипеидальных компонентов 34 с произвольно-ортогональным ориентированием ТПП 25 и

ЭСМ 7, а также с конструктивными волноводами , образованными замкнутыми в локальном обьеме ЭСМ 35 и диэлектрическим заполнением 36. Данный ВИМОФ сочетает в себе ФУ, реализованные на полосковых, диэлектрических и волноводных направл ющих и резонансных структурах, и работает на частотах, переходных от СВЧ к КВЧ диапазону .

В ВИМОФ по фиг. 6 пространственна  передача и обработка сигналов КВН-диапазона (частоты свыше 50-70 ГГц) выполн ютс  с помощью ФУ, выполненных на основе диэлектрических и полупроводниковых элементов (кристаллов) 34, контактирующих друг с другом по виртуал ьным границам 37.

Дл  создани  контактов между элементами в ВИМОФ по тракту передачи СВЧ (КВЧ)-сигналов простого механического контакта недостаточно, например, между металлическими элементами и полупроводниковыми кристаллами (в различных их со- четани х) можно использовать контактирующие прослойки из жидких ме- талличес.чих композиций.

На фиг. 7 -показано сечение одного из четырех идентичных каналов (позици  38 - зона сечени  аналогичного соседнего канала ). Каналы имеют выходы на коммутационную многослойную плату (подложку) 39, средний диэлектрический (материал ФАФ- 4) слой 40. который одновременно  вл етс  верхней крышкой модул , на лицевой поверхности сло  нанесены слои металлизации: излучатели 41 и экранные слои 42, образующие компланарные микрополоско- выеантенны.

Передача высокочастотного сигнала в канале выполн етс  по тракту: коаксиальный соединитель 19 - металлический стержень 43 возбуждени  волноводно-диэлектрического фильтра с запредельными св з ми (ВДФЗС), образованного чередующимис  сло ми (пластинами) диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью (е 1)44 и с относительно большой (е 3-5) 45. стенки и торцева  заглушка образованы металлическими пластинами 46 и 47 соответственно (незаполненна  полезными элементами зона заполнена пенистым диэлектриком 15) - .выходной металлический стержень 48 ВДФЗС - четырехканаль- ный объемный делитель мощности, образованный диэлектрическими пластинами 49 с напыленными на них полосковыми элементами 50 - двухслойна  структура, реализующа  набор фазовращателей 51 - набор усилителей мощности, реализованных на полупроводниковых кристаллах (подложках ) 52, проложенных диэлектрическими пластинами 53 - коммутационна  плата 39 - компланарные пакеты тепловыдел ющих элементов 54 с корпусом тепловой трубы.

Дл  уменьшени  присоединительных габаритов высокочастотный коаксиальный соединитель 19 выполнен с угловым изгибом 90°. Аналогичные соединители имеютс  и со стороны других стенок корпуса 16 модул . Стрелками показано направление передачи энергии сигнала (Прием-передача ). При разработке ВИМОФ дл  работы в коротковолновой части СВЧ-диапазона BjyiecTO коаксиальных используютс  волно- водные соединители (элементы 20-22 на фиг. 1), Низкочастотные соединители (соединитель 19 на фиг. 1) в данном ВИМОФ размещены со стороны основани -радиатора (на фиг. 7 не показаны).

Соединение полупроводникового, изотропного диэлектрического и диссипатив- ного (резистивного) компонентов (фиг. 8) по гран м обеспечивает передачу СВЧ-энер- гии прослойками 55 жидкой провод щей композиции (ЖПК). ЖПКоб зательна только дл  создани  электромагнитного контакта между металлическими и полупроводниковыми компонентами в различных сочетани х . Дл  контактировани , например, диэлектрических, резистивных(в различных их сочетани х) компонентов можно использовать и ЖПК, и обычные клеевые соединени , например компаунд ВК-9, либо вообще ограничитьс  механическим контактированием по гран м. Возможно использование дл  контакта металл-полупроводник полиме- ризующих после нанесени  электропроводных покрытий типа пленкообразователей-rio- лупроводников, соединений с сопр женными-двойными или тройными св з ми: полиимидов, полибензимидазолов с графитовым наполнителем, а также пентафта- лееой эмали ПФ-910, полиакрилатной эмали АС-588, АК-562, эмали ХС-775, ХС- 928, ХС-972, кремнийорганической эмали КО-811 и р да других материалов. Однако наиСЗолее эффективно, конструктивно и технологически просто (а на рабочих частотах свыше 10-15 ГГц единственно преемлемо) использование в качестве ЖПК нематиче- ских жидкокристаллических материалов, например материала ЖК-404 (при толщине контактирующей прослойки пор дка 20-30 мкм), либо материалов с различными типа- ми анизотропии; ЖК-440, ЖК-807, ЖК-654. Еще более эффективно, особенно дл  обеспечени  контактировани  полупроводниковых компонентов, использование в качестве ЖПК щелочных металлов в жидком состо нии, например лить .

Дискретные компоненты и ФУ ВИМОФ выполнены преимущественно в виде пр моугольных параллелепипедов с кратными размерами ребер, которые контактируют

друг с другом по гран м.

Провод ща  жидка  композици  используетс  дл  контакта полупроводниковых подложек 52 с металлическими элементами фазовращателей и коммутаци0 онной платы 39. Все ФУ сформированы в трехмерной компоновке без прив зки к каким-либо вертикальным уровн м. В данной конструкции, при модернизации схемного решени , возможно применение компоиен5 тов из других материалов, например ги- ромагнитйых в фазовращател х, анизотропных диэлектрических в делител х мощности и т.п., при сохранении самого принципа компоновки.

0 Типичный пассивный компонент(дисси- пативный или резистивный) содержит (фиг. 9) элемент 9 из резистивного материала и контактные площадки 56 металлизации. Данный компонент может быть выполнен и

5 резистивным полупроводниковым.

Типичный активный компонент ВИМОФ из класса активных устройств с распределительными параметрами (АУРП) представл ет собой (фиг. 10) полупроводниковые

0 усилители бегущей волны (УБВ) на основе эффекта с отрицательной дифференциальной проводимостью УБВ представл ет собой полупроводниковый кристалл 5 с приповерхностной активной зоной, на по5 верхности которого сформирована управл юща  компланарна  лини  (токонесущий полосковый проводник 57 и экранный слой 58 металлизации) и переход 59 расширени  компланарной линии; металлизаци  торцов

0 60 необходима дл  контактировани  с соседним компонентом. На фиг. 10 УБВ показан в сборе с диэлектрическим компонентом (прослойка 55 ЖПК).

5 .ВИМОФ работает следующим образом. Высокочастотный сигнал подаетс  через волноводный 22 или коаксиальный 19 соединители на вход модул , в непрерывной трехмерной структуре которого выпол50 н етс  требуема  объемна  обработка сигнала. Выдел емое при работе ВИМОФ мощными тепловыдел ющими элементами тепло передаетс  черезТПП, ЭСМ, полупроводниковые кристаллы 5 и элементы 6-12 на

55 стенку ТТ и выводитс  с помощью ТТ на основание-радиатор 1, Обработанный высокочастотный сигнал подаетс  на выходные соединители. Подача питающих напр жений и низкочастотных сигналов выполн етс  через соединитель 23.

Claims (3)

1. ВИМОФ может быть использован дл  реализации различных микроэлектронных устройств как в СВЧ-диапазоне до частот 50-70 ГГц (при формировании ФУ на основе полосковых ЛП), так и в КВЧ-диапазоне на частотах свыше 50-70 ГГц (при формировании ФУ на основе диэлектрических ЛП). Формула изобретени  1. Высокочастотный интегральный модуль , содержащий корпус, выполненный в виде соединенных между собой основани  и кожуха, размещенные в корпусе функциональные узлы дл  трехмерной обработки сигналов с активными и пассивными компонентами , размещенными с образованием трехмерной пространственной структуры, и с электрическими высокочастотными соединител ми и распределенные переходы дл  передачи высокочастотных сигналов, отличающийс  тем, что, с целью повышени  плотности компоновки и технологичности конструкции, он снабжен тепловой трубой, установленной в центре основани  корпуса и жестко закрепленной на нем, каждый компо 2ВВ

   .

   .

   S г /г гб гв гд л з/ s зг зз да fui.J

   0

   5

   0

   нент функциональных узлов дл  трехмерной обработки сигналов выполнен в форме пр моугольного параллелепипеда с кратными размерами ребер, а электрические соединители функциональных узлов дл  трехмерной обработки сигналов - в виде прослоек из жидких токопровод щих композиций , расположенных между прилежащими одна к другой гран ми соответствующих соседних компонентов, причем функциональные узлы дл  трехмерной обработки сигналов установлены вокруг тепловой с обеспечением теплового контакта с ней.
2. 2. Модуль поп, 1,отличающийс  тем, что основание корпуса выполнено из теплопроводного материала с внешними ребрами.

   -.
3. 3. Модуль по п. 1,отличающийс  тем, что полости между стенками корпуса и функциональными узлами трехмерной обработки сигналов заполнены пенистым диэлектриком .

   М

   //

   7 г ff 25 fSге 3 Т 25 а 3S 36

   /К

   Фи2. 6.

   2€ jy 34

   3

   50

   51

   52

   SJ

   5

   8

   33

   fZ

   38 18

   9аг.7

   59

   Фиг. 9

   57