книги из ГПНТБ / Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств

130

§

XD

СО

É4

ІЗ І

пшми диэлектрическими свойствами, малыш температурными из­ менениями параметров и высокой стабильностью во времени. В

тех случаях, когда необходимо получить высокое разрешение

элементов микросхемы, применяется сапфир (монокристалл окиси алюминия) . Сапфир допускает более тонкую обработку поверхно­

сти .

Для изготовления СВЧ микросхем, работающих на сравни­ тельно высоких уровнях мощности сигнала, используют керамику на основе окиси бериллия, обладающую высокой теплопроводно­ стью (до 62% от теплопроводности м еди). Чистота бериллиевой керамики должна быть выше 99%. Примеси и пористость снижают теплопроводность. Недостатками бериллиевой керамики являются малое значение диэлектрической проницаемости и большая труд­

ность обработки поверхности подложек до высоких классов ше­ роховатости.

Общим недостатком заготовок керамических подложек является грубый микрорельеф поверхности. Для улучшения состояния их поверхности применяется покрытие глазурью слоем толщиной в несколько десятков микрон.

Опытным путем установлено, что подложки из керамики о удельным объемным сопротивлением выше ІО ^ о м -см удовлетворяют требованиям применения на СВЧ. Диэлектрические потери в таких подложках меньше потерь в нанесенных на них проводящих плен­ к а х .

Керамические подложки находят применение в устройствах,

работающих при относительно высоких уровнях рассеиваемой те­ пловой мощности. Для маломощных микросхем используются более дешевые и менее трудоемкие в обработке подложки из боросилн-

132

катных стекол и ситалла.

Особые требования предъявляются к материалам подложек СВЧ микросхем, содержащим полосковые элементы. Основным требованием является наибольшая возможная величина диэлек­ трической постоянной и её однородность в пределах одной под­ ложки и в партиях подложек.

Так как всевозможные неровности на поверхности подложки

приводят к появлению электрических неоднородностей в линиях,

а также к коротким замыканиям конденсаторов микросхемы, тре­ буются высокие плоскостность поверхностей подложки и их чи­ стота.

Системы температурной компенсации микросхем значительно усложняют их конструкцию, поэтому стремятся применять подлож­ ки из материалов с малым температурным коэффициентом диэлек­ трической проницаемости, обеспечивая тем самым в определен­ ных температурных интервалах стабильность параметров СВЧ микросхем.

3 . ЗАЩИТА МИКРОСХЕМ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

Микросхемы СВЧ устройств после напыления пассивных эле­ ментов, сборки и монтажа транзисторов и диодов необходимо защищать от неблагоприятных влияний таких внешних факторов,

как повышенная влажность, пыль, механические воздействия и д р .

Микросхемы, подвергающиеся в процѳосе эксплуатации ци­ клическому воздействию повышенной влажности порядка 98^ в

133

электроизоляционными свойствами, устойчивое к воздействию влаги и минеральных кислот.

Возможно также использование для защиты микросхем на ча­ стотах до 250 МГц полимерных материалов, таких как компаунд М БК -І, полиизобутилен, полииэобутилен совместно с полиэтиле­ ном. Для придания конструкции узлов надлежащей механической прочности рекомендуется экранированные микросхемы заливать пенополиуретаном.

Для установления возможности применения перечисленных материалов для защиты ВЧ и СВЧ микросхем производилось по­ крытие высокочастотных гибридных пленочных усилительных ми­ кросхем , работающих в диапазоне частот 10-260 МГц, уретано­ вым лаком УР-23І и фторопластовым лаком ФП-525. Так, усили­ тельные микросхемы, работающие на частотах 10-100 МГц, по­ крывались лаком У Р -2 3 І. После сушки лакового покрытия рабо­ чая частота таких микросхем понижалась соответственно на О ,1 -0 ,8 $ . Например, рабочая частота трехкаскадного усилите­

л я , имеющего две катушки индуктивности по 0 ,3 мкГн каждая диаметром 2 мм и высотой 2 мм, намотанные на ферритовом сер­ дечнике ВЧ -50, до покрытия лаком УР-23І была равна 43 МГЦ,

после нанесения лака средняя частота уменьшалась на 0,25??.

Лак ФП-525 наносился на микросхемы двухкаскадного уси­ лителя с рабочей частотой 130 МГЦ и однокаскадного усили­

134

теля на частоту 260 МГц. После сушки лака уход частоты наз­ ванных микросхем составлял соответственно 0 ,4 $ и 0,6% . За­ метный уход частоты для усилителя 130 МГц объясняется нали­ чием у него двух резонансных систем со спиральными проволоч­ ными катушками индуктивности. В этом случае расстройка кон­ туров двухкаскадного усилителя за очёт увеличения паразитной емкости проявилась заметно сильнее, чем у однокаскадного.

На основе литературных сведений, проверенных эксперимен­ тально, можно рекомендовать:

1) для защиты микросхем, работающих на частотах І0-І00М Гц,

применение таких полимерных материалов, как компаунда М БК-І,

полиизобутилена, лаков УР-23І и ФП-525; 2) для защиты микросхем, работающих на частотах выше

100 МГц, применение защитного покрытия лаком ФП-525 и поли­ изобутиленом.

4 . ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ГИБРИДНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ВЧ УСТРОЙСТВ

При выборе конструктивного исполнения любого радиоэлектрон­ ного устройства приходится решать целый комплеко взаимосвязан­ ных задач, из которых основными являются вопросы обеспечения надлежащих функциональных, гёометрических и механических связей между отдельными схемными и конструктивными частями устройства.

Кроме того , конструкция должна обеспечивать нормальный тепло­ вой режим отдельных элементов и всего устройства в целом, за­

щиту от дестабилизирующего и разрушающего действия внешних факторов, а такяе сведение к минимуму и стабилизацию паразит­

135

ных параметров устройств.

При разработке устройств на микросхемах широко использу­ ется функционально-узловой и модульный принцип конструирова­

ния. Электрическая схема сложного устройства разбивается на ряд функционально законченных частей . Конструктивно они вы­ полняются на отдельных подложках. Процесс расчленения электри­ ческой схемы является наиболее сложным при выработке общего конструктивного решения всего устройства. При этом придержи­

ваются следующих рекомендаций:

а) линия расчленения электрической схемы должна происхо­

дить в местах наименьших связей между функционально закончен­ ными частями схемы, например между каскадами усилителя без обратной связи;

б) отдельные части устройства должны рассеивать примерно

одинаковые мощности в пределах, допустимых для данного типо­

должно быть минимальным;

д) при разработке общей схемы компоновки устройства и то­ пологических чертежей микросхем нужно стремиться к минималь­ ной длине соединений между микросхемами,в особенности в высо­ кочастотных и чувствительных к внешним полям цепях;

е) отдельные микросхемы должны располагаться на типовых подложках с размерами, позволяющими получить наилучшее ис­

136

пользование площади общего основания в устройстве.

Тепловой режим радиоэлектронных устройств характеризует­ ся предельно допустимой рабочей температурой элементов схе­ мы и материалов. Предельная рабочая температура активных эле­ ментов (транзисторов, диодов) определяет рабочую температуру микросхем.

Ввиду малости воз,душных прослоек и высокой плотности раз­ мещения элементов можно считать распределение температуры в пленочной микросхеме равномерным и принимать во внимание лишь составляющую теплообмена за счёт теплопроводности элементов конструкции и , в первую очередь, подложки. Отвод тепла от микросхем и от воего устройства можно выполнить обычными ме­ тодами, используя контактный теплообмен и воздушное охлажде­ ние - естественное и принудительное.

Существенную роль в процессе теплообмена играет подложка микросхемы. Тепловое сопротивление подложек из стекол и боль­ шинства марок керамики составляет величины порядка 100-

300 град/Вт, что обусловливает разность температур I —^°С

между активными элементами и металлическим основанием, на котором крепится подлоика, при рассеиваемых транзисторами мощностях порядка 3-15 мВт.

Тепловое сопротивление подложки из бериллиевой керамики по сравнению со стеклянными на два порядка меньше, что дает возможность повысить уровень рассеиваемой мощности до деся­ тых долей и единиц ватта на транзистор. Использование под­ ложек из бериллиевой керамики б сочетании с общим корпусом-

радиатором позволяет реализовать в сравнительно малых объэ-

137

мах гибридные пленочные устройства с рассеиваемой мощностью порядна нескольких в атт .

Микротранзисторы в беокорпусном исполнении обычно приклеи­ ваются непосредственно к подложке из стекла, ситалла или кера­ мики. Рассеиваемая мощность ограничивается величинами І0-І5м Вт

на транзистор. В более мощных микросхемах при использовании • подложек из бериллиевой керамики и сапфира транзисторы также можно приклеивать к подложкам. При применении подложек из материалов с меньшей теплопроводностью мощные транзисторы при­ клеиваются непосредственно к металлическому корпусу-радиатору

полнителей в таких клеях используются тонкодисперсные металли­ ческие порошки, графит, окись алюминия и окись бериллия.

Для защиты от воздействия внешних факторов микросхемы и устройства в целом заключаются в корпусы, выполненные из ме­ талла, пластм асс, стекла в сочетании с заливочными компаунда­ ми. Отдельные микросхемы, преимущественно модули общего при­ менения, имеют индивидуальные герметичные корпуса.

Существует несколько конструктивных разновидностей корпу­ со в . В основном это плоские корпуоа для микросхем без индук­ тивных элементов и с использованием бескорпусных транзиоторов.

Большинство высокочастотных микросхем с избирательными и ре­ зонансными свойствами содержит индуктивные элементы, кроме того имеются цепи, для которых желательно иметь минимальное значение емкости между корпусом. Такие микросхемы реализуют­ ся в корпусах объемного типа с увеличенными расстояниями меж­

138

ду стенками. Как показали исследования, расстояние между стенкой корпуса и плоской спиральной катушкой индуктивности должно быть не менее половины её диаметра. Это требование приводит к увеличению размеров корпуса и к существенному ухудшению использования объема.

К увеличению объема и ухудшению компоновочных характери­ стик приводит и необходимость использования в устройствах таких объемных элементов, как кварцевые резонаторы, подстро­ ечные конденсаторы, высокочастотные разъемы и д р ., известные конструкции которых не приспособлены к применению их в микро­ электронных устройствах.

Некоторого улучшения компоновочных и других характеристик

34 гибридных пленочных устройств І/ІОШІО достигнуть, исполь­ зуя общий корпус для нескольких функционально связанных микросхем. Такоі-і корпус может выполнить также функции тепло­ отвода, для чего используемые объемы его служат для выполне­ ния радиаторов охлаждения. Один из вариантов конструкции корпуса представлен на рис. 5.2.

Корпус может быть выполнен фрезерованием из сплава ДЕ6Т с последующим покрытием из серебра. Для улучшения теплоизлуче­ ния наружная его поверхность покрывается черным матовым лаком.

В отсеке меньшего размера размещается пленочный гибридный усилитель мощности на частоте 260 МГц, который выполнен на ситэлловой подложке. Мощные бескорпусные транзисторы усилите­ ля приклеены непосредственно к корпусу, для чего на нем пре­ дусмотрена специальная площадка. В большем отсеке расположены

139

элементы кварцованного генератора. Микросхема генератора, квар­ цевый резонатор и подстроенный воздушный конденсатор закрепле­ ны на печатной коммутационной плате из фольгированного стекло­ текстолита. Пленочный генератор о навесными бескорпусными тран­ зисторами выполнен на ситалловой подложке. Кварцевый резона-

Р и с .5 .2 . Конструкция ВЧ устройства на гибридных пленочных микросхемах.

тор установлен на печатной плате с помощью пружинного держа­ тел я . С нижней стороны печатной платы закреплен миниатюрный подстроечный конденсатор с воздушным диэлектриком. Корпус закрывается сверху плоской крышкой, герметичность прилегания которой к корпусу обеспечивается тонкой прокладкой из резины,

не содержащей соединений серы.