книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Корпус МЭИ СВЧ выполняет также важные защитные функции. Он должен защитить бескорпусные полупроводни­ ковые приборы ЭРК и пленочные элементы от влаги и ак­ тивных газов. Это требование обеспечивается его герметич­ ностью. Защитные функции корпуса связаны также с воз­ можностью восприятия и “демпфирования” им механических нагрузок: ударов и вибраций. Это требование обеспечивается прочностью и жесткостью корпуса.

Как теплоотводящий элемент корпус должен иметь мини­ мальное тепловое сопротивление и обеспечить рассеивание те­ плоты, выделяемой в полупроводниковых приборах и других ЭРК и пленочных элементах. Наилучшую теплопроводность среди материалов, используемых для изготовления корпуса, имеют алюминиевые сплавы.

Как составная часть конструкции РЭА корпус должен иметь минимальную массу, что определяется его конструк­ цией и материалом, минимальные габаритные размеры и уни­ фицированную конструкцию. Унификация конструкций кор­ пусов касается прежде всего размеров внутренней полости (это связано с размерами устанавливаемых плат), а также расположением СВЧ-соединителей и низкочастотных вводов.

П л а т ы изготавливают из диэлектрических материалов (керамики, кварца, сапфира и др.), которые поставляются спе­ циализированными предприятиями в виде пластин размером 60 X 48 мм и менее, толщиной 0,5 и 1 мм; в отдельных случаях пластины из кварца и сапфира имеют толщину 0,25; 0,3 и 0,4 мм.

Применяемые в конструкциях МЭИ СВЧ платы имеют прямоугольную форму. Так как основным размером подложек является размер 60 х 48 мм, то платы меньшего размера по­ лучают разделением подложки, а большего размера - за счет набора из отдельных плат. Выбор габаритных размеров одно- и многоплатных конструкций проводят в соответствии с ря­ дом, приведенным на рис. 8.4 (этот ряд лежит в основе выбора размеров внутренней полости корпуса).

Рис. 8.4. Унифицированный ряд разме­ ров плат, лежащий в основе выбора раз­ меров корпусов МЭИ СВЧ

С оединительны е элем ен ты : СВЧ-соединители, низ­ кочастотные вводы, межплатные и внутрикорпусные пере­ мычки, являются неотъемлемой частью МЭИ СВЧ и служат для передачи энергии СВЧ-диапазона или подачи питания на полупроводниковые приборы. Соединение МЭИ СВЧ с дру­ гими изделиями СВЧ-диапазона осуществляется при помощи коаксиальных СВЧ-соединителей - разъемов. От качества са­ мого переходника и его соединения с проводниками микрополосковой платы зависят электрические характеристики и экс­ плуатационная надежность МЭИ СВЧ.

СВЧ-соединитель должен удовлетворять следующим тре­ бованиям: иметь низкий КСВН, широкополосность, мини­ мальные величины неоднородностей, малые потери; быть гер­ метичным, иметь устойчивость к механическим воздействи­ ям.

Большое применение при проектировании МЭИ СВЧ на­ шел герметичный СВЧ-соединитель типа СРГ-50-751Ф. Ос­ новные элементы конструкции этого соединителя приведены на рис. 7.16, а.

Перед установкой необходимо убедиться, что соедини­ тель не имеет дефектов и не загрязнен; использование погну­

тых штырей (гнезд), наличие дефектов у изоляторов, нару­ шения покрытия у наружной втулки не допускаются. Изо­ ляторы, штыри (гнезда) и внутренние поверхности должны быть протерты спиртом. Целостность контакта внутри СВЧсоединителя определяется электрической проверкой. Такие же требования предъявляются к низкочастотным вводам.

Выполнение перечисленных требований перед их уста­ новкой оправдано в связи с тем, что обнаружение указанных недостатков в собранном устройстве и работы, связанные с их заменой, обойдутся гораздо дороже.

В качестве материалов соединительных перемычек, изо­ браженных на рис. 7.21, применяют золото или медь, покры­ тую серебром или сплавом олово - висмут. Преимуществен­ ное использование золота обусловлено его пластичностью, вы­ сокой электропроводностью и технологичностью, отсутствием на его поверхности оксидных пленок, что обеспечивает хоро­ шее качество сварного и паяного соединения. Золотые пере­ мычки присоединяют способом сварки.

Перемычки имеют размеры: ширина - 0,4 и 0,9 мм, длина - 3 . . . 4 мм, толщина - 40 и 50 мкм.

8.2. М атериалы М Э И СВЧ и способы их обработки

Выбор материалов проводится из условий обеспечения определенных электрических, механических и тепловых ха­ рактеристик. При выборе материалов также учитывается их недефицитность, малая стоимость.

Широкая номенклатура применяемых для изготовления МЭИ СВЧ материалов: металлов, сплавов, диэлектриков, паст, химических кислот, щелочей, органических растворите­ лей и прочего, требует создания определенных условий, гаран­ тирующих сохранение их свойств, а также условий, исключа­ ющих их взаимное нежелательное влияние друг на друга.

Материалы, используемые при изготовлении гибридных пленочных МЭИ СВЧ, можно разделить на две группы: кон­ струкционные и технологические.

Титановые сплавы обладают высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью, хорошо прокатыва­ ются и штампуются в горячем состоянии, подвергаются ар­ гонодуговой сварке, удовлетворительно обрабатываются реза­ нием.

Титан имеет ТКЛР, близкий к ТКЛР керамики, исполь­ зуемой для изготовления микрополосковых плат, что имеет большое значение для создания надежного контакта плата - корпус.

У титановых сплавов низкая теплопроводность, что явля­ ется его отрицательным свойством с точки зрения передачи тепла от элементов, выделяющих тепло.

При изготовлении корпусов целесообразно использовать листовой титан, например марки ВТ1-0, максимально умень­ шив его механическую обработку и применив способ сварки для соединения отдельных частей корпуса.

Алюминиевые сплавы обладают рядом достоинств для использования их в качестве материала корпусов: имеют до­ статочную механическую прочность, хорошо обрабатываются резанием, способом обработки давлением или литьем, имеют хорошую теплопроводность, низкую стоимость, малую удель­ ную массу, не дефицитны.

Наилучшие механические и коррозионные свойства име­ ют сплавы В95 и Ал2. Сплавы АМц обладают хорошей сва­ риваемостью и коррозионной стойкостью, механические свой­ ства этого сплава по сравнению с другими ниже. Сплавы АМг являются наиболее подходящими для использования в качестве материала корпуса МЭИ СВЧ, у них хорошие проч­ ностные и технологические свойства, они поддаются процессу электролитической металлизации.

Внутри МЭИ СВЧ в процессе их эксплуатации необходи­ мо поддерживать определенные параметры воздушной среды, т.е. давление и состав газов. Поэтому к материалам кор­ пусов МЭИ СВЧ необходимо также предъявить требование минимального газовыделения. Обычно в объеме металла сор­ бируются такие газы как: водород, азот, кислород, оксид и

диоксид углерода, которые попадают в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кроме того, газы адсорбируются металлами в процессе их обработки и в процессе технологиче­ ского цикла изготовления изделий. Количество поглощенных газов зависит от вида материала и состояния его поверхности. Лучшим способом удаления поглощенных газов из алюмини­ евых и титановых сплавов является их нагрев в вакуумной камере и выдержка в течение 8 . . . 10 ч.

Важное значение в достижении определенных технико­ экономических характеристик корпуса имеет способ его изго­ товления. Процессы изготовления корпуса, крышек, проме­ жуточных рамок, перемычек и других элементов МЭИ СВЧ выходят за рамки микроэлектронной технологии и относятся к технологии изготовления изделий общего машиностроения. Выбранный способ изготовления этих элементов должен быть таким, чтобы обеспечить требования, предъявляемые к МЭИ СВЧ.

В зависимости от материала корпуса и годовой програм­ мы выпуска МЭИ СВЧ возможно использование следующих технологических процессов: механической обработки - фрезе­ рования, литья под давлением или сварки. Общими требова­ ниями, которым должен удовлетворять способ изготовления, являются: наибольшая производительность, минимальные от­ ходы материала, обеспечение определенных требований точ­ ности размеров, чистоты обработки, отсутствие пор и других дефектов.

Механическая обработка - наиболее универсальный спо­ соб получения изделий сложной формы, позволяющий обес­ печить требуемую точность размеров и чистоту обработ­ ки. Основными операциями, используемыми при изготовле­ нии корпусов, являются фрезерование и сверление отверстий. Процесс механической обработки может быть автоматизиро­ ван при использовании станков с ЧПУ. Достигаемые точность механической обработки ± 0,1 мм; при шероховатости поверх­ ности Ra = 0 ,63 ... 2,5 мкм. Механической обработке легко

поддаются корпуса из алюминия и его сплавов, обработка ти­ тана затруднена. Способ фрезерования характеризуется боль­ шим отходом металла в стружку (до 50 %) и высокой трудо­ емкостью. Этот способ применяется, в основном, для изгото­ вления корпусов чашечного и рамочного типа.

Литье под давлением является прогрессивным способом изготовления большой номенклатуры изделий машинострое­ ния и радиотехнической аппаратуры. Основное достоинство этого способа - высокая производительность непосредствен­ но самого процесса литья: 3 ... 5 мин на один корпус. Однако процессу литья присущи и недостатки: достигаемая точность, которая составляет на длине 30... 50 мм ± 0 , 5 - 0 , 6 мм, а на длине 120... 180 мм - ±0,6 - 0,7 мм; шероховатости поверхно­ сти Ra = 1,25... 2,5 мкм; наличие следов стыков форм, рисок, узорчатости как следа струи металла и, как следствие, необхо­ димость дополнительной ручной зачистки изделий, необходи­ мость дополнительной механической обработки, недостаточ­ ная вакуумная плотность, наличие большого количества пор на поверхности, служащих источником газовыделений.

Опыт изготовления корпусов МЭИ СВЧ методом литья свидетельствует об их недостаточной герметичности и труд­ ностях достижения высоких требований, которые предъявля­ ются к ним. Следует также учесть, что выход годной продук­ ции при литье корпусов составляет примерно 70 .. .80 %; его целесообразно использовать в серийном производстве.

Жидкая штамповка позволяет улучшить физико-механи­ ческие свойства. Детали, полученные этим способом, имеют более плотную структуру и более высокий класс шерохова­ тости поверхности, что позволяет уменьшить газопроницае­ мость и газоотделение. Кроме того, отсутствуют ограничения на толщину снятия металла с поверхности корпуса (у деталей, полученных литьем под давлением, эта толщина составляет примерно 0,65 мм). Этим способом можно изготовить корпуса чашечного и рамочного типа, используя для этого алюминий или его сплавы, односекционные корпуса небольшой номен­ клатуры при большой программе выпуска. Способ литья по

сравнению с фрезерованием имеет меньшую трудоемкость и материалоемкость.

Сварка является прогрессивным методом получения из­ делий, особенно с точки зрения экономии металлов. Кроме того, сварка позволяет получить высокую прочность и гер­ метичность шва, большой процент выхода годной продукции (98 %). Процесс легко механизируется и автоматизируется.

К недостаткам сварки корпусов МЭИ СВЧ следует отне­

сти:

-деформацию стенок корпуса, приводящую к потере точ­ ности геометрических размеров;

-трудности получения изделий сложной конструкции, ка­ кими являются корпуса МЭИ СВЧ, содержащие внутри раз­ личного вида полки, уступы и прочие элементы;

-трудности сварки материалов, имеющих хорошую теп­ лопроводность, в частности алюминия;

-после сварки элементов корпуса необходима частичная дополнительная механическая обработка.

Общее требование, которое предъявляется к материалам, используемым для получения пленочных элементов, - это вы­ сокая химическая чистота. Для ее достижения применяют специальные методы глубокой очистки: зонную перекристал­ лизацию (для алюминия), электрохимическое осаждение с ра­ финированием (для хрома), электронно-лучевую вакуумную плавку (медь, титан, тантал, молибден и др.).

Материалы поставляются в виде гранул (медь, алюми­ ний), лент (нихром, ванадий, никель и др.), проволоки (золо­ то, алюминий, ванадий), порошка (сплавы PC, боросиликат­ ное стекло, монооксид кремния и др.) или в виде мишеней (сплавы PC, диоксид кремния).

Пасты изготавливаются и поставляются специализиро­ ванными предприятиями.

В качестве материалов межплатных или внутриплатных перемычек используют золотую фольгу или проволоку (марка золота Зл 999,9 или ЗлПд-2,5) или медную фольгу (марка M l)