Высокочастотный интегральный модуль

 

Изобретение относится к высокочастотной интегральной технике и может быть использовано в приемоусилительных, радиопередающих устройствах и устройствах обработки информации в радиорелейной связи, связи с первичными объектами и т.д. Цель изобретения - повышение плотности компоновки и технологичности конструкции - достигается тем, что высокочастотный интегральный модуль содержит основание-радиатор 1, тепловую трубу, состоящую из корпуса 2, фитиля 3 и парового канала 4, а также компоненты в виде прямоугольных 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 управляемый резонансный узел 14. Пенистый диэлектрик 15 заполняет зоны несочленения между стенками корпуса 16 и компонентами. Сборка корпуса 16 с основанием 1 по ребрам 17 выполняется пайкой или микросваркой. Корпус имеет выступы 18 под крепление модуля в изделии. Для внешней коммутации модуля служат высокочастотные коаксиальные 19 и волноводные соединители, содержащие фланец 20, волновод 21 и волноводно-полосковый переход 22, а также низкочастотные металлостеклянные соединители. Теплоотвод от основания-радиатора 1 выполняется, например, в общей системе принудительной вентиляции изделия при соответствующей ориентации ребер 24 радиатора. Высокочастотный интегральный модуль может быть использован для реализации различных микроэлектронных устройств до частот 50-70 ТГц. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Н 05 К 7/02, 1/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

14 24 (21).4198299/24-21 (22) 04.01.87 (46) 07 10.90. Бюл. М 37 (72) А.А.Яшин и В.Н.Серебренников (53) 621.3,04.9.75(088.8) (56) Патент США М 4574331, кл. Н 05 К 1/14, 1986.

Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. — M.: Наука, 1985, с; 210-211, рис. 6.16. (54) ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ (57) Изобретение относится к высокочастотной интегральной технике и может быть использовано в приемоусилительных, радиопередающих устройствах и устройствах обработки информации в радиорелей„„Я „„1598238 Al ной связи, связи с первичными объектами и т.д. Цель изобретения — повышение плотности компоновки и технологичности конструкции — достигается тем, что высокочастотный интегральный модуль содержит основание-радиатор 1, тепловую трубу, состоящую из корпуса 2, фитиля 3 и парового канала 4, а также компоненты в виде прямоугольных параллелепипедов: полупроводниковые кристаллы 5, металлические элементы 6 и 7, диэлектрические элементы 8, диссипативные (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

1598238

15

30 экранные слои металлизации полосковых плат, которые в сочетании с полупроводниковыми кристаллами 5 образуют управляемый резонансный узел 14. Пенистый диэлектрик 15 заполняет эоны несочленения между стенками корпуса 16 и компонентами. Сборка корпуса 16 с основанием 1 по ребрам 17 выполняется пайкой или микросваркой. Корпус имеет выступы 18 под крепление модуля в изделии, Для внешней коммутации модуля служат высокочастотные коаксиальные 19 и волноводные соедиИзобретение относится к высокочастотной интегральной технике и может быть использовано в приемоусилительных,, радиопередающих устройствах и устройствах обработки информации в радиорелвйной связи, связи с подвижными объектами, в промышленном телевидении, автоматике и в радиоизмерительной технике.

Цель изобретения — повышение плотности компоновки и технологичности конструкции

На фиг. 1 приведена конструкция высокочастотного интегрального модуля объемного формообразования (ВИМОФ); на фиг.

2 и 3 — примеры наращивания структуры в одном и в двух направлениях соответственно; на фиг. 4 — компоновочная схема ВИМОФ с полосковыми линиями передачи (ЛП) с послойным наращиванием интеграции; на фиг, 5 — компоновочная схема ВИМОФ с полосковыми и волноводными ЛП с объемным наращиванием интеграции, на фиг. 6— компоновочная схема ВИМОФ с комбинацией диэлектрических, диэлектрика-полупроводниковых и квазиоптических ЛП с объемным наращиванием интеграции; на фиг. 7 — пример конкретной реализации ВИМОФ; на фиг. 8 — пример электрического соединения различных компонентов; на фиг. 9 — типичный пассивный компонент

ВИМОФ; на фиг, 10 — типичный активный компонент ВИМОФ.

ВИМОФ (фиг. 1) содержит основаниерадиатор 1, в квадратном глухом отверстии которого жесгко (с помощью пайки или по платной посадке) закреплена миниатюри. зованная низкотемпературная тепловая труба (ТТ), состоящая из прямоугольного (в поперечном сечении) корпуса 2, фитиля 3 и парового канала 4. Данный узел в сборе является основным элементам несущей конструкции, вокруг которого размещена непрерывная трехмерная структура, обранители, содержащие фланец 20, волновод . 21 и волноводно-полосковый переход 22, а также низкочастотные металлостеклянные соединители, Теплоотвод от основания-радиатора 1 выполняется, например, в общей системе принудительной вентиляции изделия при соответствующей ориентации ребер 24 радиатора, Высокочастотный интегральный модуль может быть использован для реализации различных микроэлектронных устройств до частот 50-70 ГГц.

2 з.п.ф-лы, 10 ил. зованная из компонентов, преимущественно в виде прямоугольных параллелепипедов с кратными размерами ребер. Набор последних определяется конкретным схемным решением ВИМОФ, в частности, может содержать полупроводниковые кристаллы

5, металлические элементы 6 и 7, диэлектрические элементы 8, диссипативные (поглощающие, резистивные) элементы 9, гиромагнитные элементы 10, элементы 11 интегральной радиооптики, элементы 12 из анизатрапного диэлектрика и т.п. Компоненты 5 — 12 образуют объемные функциональные узлы (ФУ), в которых компоненты преимущественно в виде прямоугольных параллелепипедов электрически соединяются по тракту передачи высокочастотного сигнала по контактирующим граням тонкими прослойками из жидких проводящих композиций.

Металлические элементы 7 и 6 образуют экранные слои металлизации (3СМ), а ЭСМ в сочетании с токанесущими полосковыми проводниками (ТПП) — полосковые ликии 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 3CM) и кристалла полупроводника сформирован электрически управляемый резонансный узел 14.

Пенистый диэлектрик 15 заполняет зоны несочленения между стенками корпуса

16. и не и реры аной трехмерной структурой при асимметричной компоновке последней, 40 .как показано на фиг. 1. Одновременно дизлектрик 15 при необходимости электрически изолирует трехмерную структуру от стенок корпуса 16, 1598238

25

55

Сборка корпуса 16 с основанием 1 по ребрам 17 выполняется пайкой или микросваркой. Корпус имеет выступы 18 под крепление модуля в иэделии. Для внешней коммутации модуля на стенках корпуса 16 установлены проходные соединители: высокочастотные коаксиальные 19 и волноводные соединители, последние содержат фланец 20, волновод 21 и волноводно-полосковый переход 22. Также установлены низ кочастотные металлостеклянные соединители 23. Теплоотвод от основаниярадиатора 1 выполняется, например, в общей системе принудительной вентиляции . изделия 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 заполняется другими компонентами или пенистым диэлектриком до условно выделенного объема параллелепипеда.

На фиг. 3 приведен более сложный фрагмент с наращиванием интеграции в двух измерениях: прямоугольные отрезки

27, 28, 29, 31 и 32, уголковый элемент 30 поворота ТПП, ЭСМ 33 компланарной ЛП, содержащий ФУ; активной обработки сиг-. нала (элементы 5, 7 и 25), передачи сигнала (элементы 7, 8 и 25), ответвления сигнала (элементы 7, 8, 12, 25 и 27), направленного ответвления сигнала (элементы 7, 8. 12, 27, 28 и 29), который через уголковый поворот (элементы 7, 8. 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 изготавливаются либо в виде отдельных металлических элементов, либо по пленочной технологии на поверхности .кристаллов, диэлектрических и тому подобных элементов, Наращивание интеграции в третьем измерении выполняется аналогичным образом, На фиг..4 — 6 обозначены: N + х; И»- у;

Й +. z — направления наращивания мозаичной структуры.

Компоновочная схема ВИМОФ (фиг. 4) на основе параллелепипеидальных компонентов 34 с поуровневым расположением

ТПП 25 и ЭСМ 7 используется в СВЧ-диапазоне.

На фиг. 5 приведена компоновочная 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 объеме ЭСМ 35 и диэлектрическим заполнением 36, Данный ВИМОФ сочетает в себе ФУ, реализованные на полосковых, диэлектрических и волноводных направляющих и резонансных структурах, и работает на частотах, переходных от СВЧ к КВЧ диапазону.

В ВИМОФ по фиг. 6 пространственная передача и обработка сигналов КВЧ-диапазона (частоты свыше 50-70 ГГц) выполняются с помощью ФУ, выполненных на основе диэлектрических и полупроводниковых элементов (кристаллов) 34, контактирующих друг с другом по виртуальным границам 37.

Для создания 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 сочетаниях) можно испольэовать контактирующие прослойки из жидких металлических композиций.

На фиг. 7 -показано сечение одного из четырех идентичных каналов (позиция 38— зона сечения аналогичного соседнего канала). Каналы имеют выходы на коммутационную многослойную плату (подложку) 39. средний диэлектрический (материал ФАФ4) слой 40, который одновременно является верхней крышкой модуля, на лицевой поверхности слоя нанесены слои металлизации: излучатели 41 и экранные слои 42, образующие компланарные микрополосковые антенны.

Передача высокочастотного сигнала в канале выполняется по тракту; коаксиальный соединитель 19 — металлический стержень 43 возбуждения волноводно-диэлектрического фильтра с запредельными связями (ВДФЗС), образованного чередующимися слоями (пластинами) диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью (e =1) 44 и с относительно большой (e = 3 — 5}

45, стенки и торцевая заглушка образованы металлическими пластинами 46 и 47 соответственно (незаполненная полезными элементами зона заполнена пенистым диэлектриком 15) — .выходной металлический стержень 48 ВДФЗС вЂ” четырехканальный объемный делитель мощности, образованный диэлектрическими пластинами 49 с напыленными на них полосковыми элементами 50 — двухслойная структура, реализующая набор фазовращателей 51 — набор усилителей мощности, реализованных на полупроводниковых кристаллах (подлож7 1598238

Ъ ках) 52, проложенных диэлектрическими пластинами 53 — коммутационная плата 39— компланарные пакеты тепловыделяющих элементов 54 с корпусом тепловой трубы.

Для уменьшения присоединительных габаритов высокочастотный коаксиальный соединитель 19 выполнен с угловым изгибом 90О. Аналогичные соединители имеются и со стороны других стенок корпуса 16 модуля. Стрелками показано направление передачи энергии сигнала (" Прием — передача"). При разработке ВИМОФ для работы в коротковолновой части СВЧ-диапазона вместо коаксиальных используются волноводные соединители(элементы 20-22 на фиг.1), Низкочастотные соединители (соединитель

19 на фиг. 1) в данном ВИМОФ размещены со стороны основания-радиатора (на фиг. 7 не показаны).

Соединение полупроводникового, изотропного диэлектрического и диссипативного (резистивного) компонентов(фиг. 8) по граням обеспечивает передачу СВЧ-энергии прослойками 55 жидкой проводящей . композиции(ЖПК). ЖПКобязательна только для создания электромагнитного контакта между металлическими и полупроводниковыми компонентами в различных сочетаниях. Для контактирования, например, диэлектрических, резистивных (в различных их сочетаниях) компонентов можно использовать и ЖПК, и обычные клеевые соединения, например компаунд BK-9, либо ьообще ограничиться механическим контактированием по граням. Возможно использование для контакта металл — полупроводник палимеризующих после нанесения электропроводных покрытий типа пленкообразователей-rioлупроводников, соединений с сопря>кенными двойными или тройными связями: полиимидов, полибензимидазолов с графитовым наполнителем, а также пентафтале ой эмали ПФ-910, полиакрилатной эмали АС-588, AK-562, эмали ХС-775, ХС928, ХС-972, кремнийорганической эмали

КО-811 и ряда других материалов. Однако наиболее эффективно, конструктивно и технологически просто (а на рабочих частотах свыше 10-15 ГГц единственно преемлемо) использование в качестве ЖПК нематических жидкокристаллических материалов, например материала ЖК-404 (при толщине контактирующей прослойки порядка 20 — 30 мкм), либо материалов с различными типами анизотропии. ЖК-440, ЖК-807, ЖК-654.

Еще более эффективно, особенно для обеспечения контактирования полупроводниковых компонентов, использование в качестве ЖПК щелочных металлов в жидком состоянии, например литья.15

30

35 компланарной линии; металлизация торцов

40 60 необходима для контактировэния с соседним компонентом, На фиг. 10 УБВ пака45

55

10

Дискретные компоненты и ФУ ВИМОФ выполнены преимущественно в виде прямоугольных параллелепипедов с кратными размерами ребер, которые контактируют друг с другом по граням.

Проводящая жидкая композиция используется для контакта полупроводниковых подложек 52 с металлическими элементами фазовращателей и коммутационной платы 39. Все ФУ сформированы в трехмерной компоновке без привязки к каким-либо вертикальным уровням. В данной конструкции, при модернизации схемного решения, возможно применение компонентов из других материалов, например гиромагнитных в фазовращателях, анизотропных диэлектрических в делителях мощности и т.п., при сохранении самого принципа компоновки, Типичный пассивный компонент(диссипативный или резистивный) содержит (фиг. 9) элемент 9 из резистивного материала и контактные площадки 56 металлизации.

Данный компонент может быть выполнен и резистивным полупроводниковым, Типичный активный компонент ВИМОФ из класса активных устройств с распределительными параметрами (АУРП) представляет собой (фиг. 10) полупроводниковые усилители бегущей волны (УБВ) на основе эффекта с отрицательной дифференциальной проводимостью,УБВ представляет собой полупроводниковый кристалл 5 с приповерхностной активной зоной, на поверхности которого сформирована управляющая компланарная линия (токонесущий полосковый проводник 57 и экранный слой

58 металлизации) и переход 59 расширения зан в сборе с диэлектрическим компонентом (прослойка 55 ЖПК)..ВИМОФ работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал подается через волноводный 22 или коаксиальный 19 соединители на вход модуля, в непрерывной трехмерной структуре которого выполняется требуемая объемная обработка сигнала. Выделяемое при работе ВИМОФ мощными тепловыделяющими элементами тепло передается через ТПП, ЭСМ, полупроводниковые кристаллы 5 и элементы 6-12 на стенку ТТ и выводится с помощью ТТ на основание-радиатор 1, Обработанный высокочастотный сигнал подается нэ выходные соединители, Подача питающих напряжений и низкочастстных сигналов выполняется через соединитель 23.

1598238

l Г7/2Рб 2829 30 Эl

p((3 8

ВИМОФ может быть использован для 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 изобретения

1, Высокочастотный интегральный модуль, содержащий корпус, выполненный в виде соединенных между собой основания и кожуха, размещенные в корпусе функциональные узлы для трехмерной обработки сигналов с активными и пассивными компонентами, размещенными с образованием трехмерной пространственной структуры, и с электрическими высокочастотными соединителями и распределенные переходы для передачи высокочастотных сигналов, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения плотности компоновки и технологичности конструкции, он снабжен тепловой трубой, установленной в центре основания корпуса и жестко закрепленной на нем, каждый компонент функциональных узлов для трехмерной обработки сигналов выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с кратными размерами ребер, а электрические сое5 динители функциональных узлов для трехмерной обработки сигналов — в виде прослоек из жидких токопроводящих композиций, расположенных между прилежащими одна к другой гранями

10 соответствующих соседних компонентов, причем функциональные узлы для трехмерной обработки сигналов установлены вокруг тепловой трубы с обеспечением теплового контакта с ней.

2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что основание корпуса выполнено из теплопроводного материала с внешними ребрами.

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

1598238

1598238

1598238

1598238

Фиг. /О

Корректор Л,Патай

Заказ 3074 Тираж 693 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель В.Садов

Редактор О.Юрковецкая Техред М.Моргентал