Современная электроника №5/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 15 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2020 электрическое соединение с металличе- скими пластинами-теплоотводами или с корпусом, используются металлизиро- ванные отверстия, заполненные метал- лом с высокой теплопроводностью [1]. В случаях, когда необходима электри- ческая изоляция от корпуса прибора или устройства, применяются неме- таллические теплоотводы в виде под- ложек из алюмонитридной керамики и алмаза [3]. В статье [4] описываются конструк- ции и методы изготовления ГИС СВЧ, использующих подложки с низкими значениями диэлектрической посто- янной и тангенса угла диэлектриче- ских потерь (кварц, поликор, сапфир и другие), на которых по тонкоплё- ночной технологии формируются элементы линий передачи и согла- сования, пассивные элементы и контактные площадки для установ- ки кристаллов активных элементов. Недостатком таких ГИС СВЧ является неэффективный отвод тепла от кри- сталлов активных элементов из-за низкого коэффициента теплопровод- ности указанных выше диэлектриче- ских материалов, что не позволяет значительно снизить тепловое сопро- тивление и ограничивает возможно- сти создания мощных ГИС СВЧ. В статье [5] изложен способ изго- товления интегральной СВЧ-схемы сантиметрового и миллиметрово- го диапазонов длин волн, заключа- ющийся в формировании активных и пассивных элементов, элемен- тов линий передачи и согласования на полуизолирующей подложке из арсенида галлия (GaAs) с выращен- ными на ней методом эпитаксии сло- ями заданной рабочей структуры. При этом пассивные элементы, эле- менты линий передачи и согласо- вания формируются в едином тех- нологическом цикле с активными элементами. После этого пласти- ну разделяют на отдельные чипы, каждый из которых представляет собой монолитную интегральную СВЧ-схему. Такая технология изго- товления позволяет повысить воспро- изводимость электрических харак- теристик и снизить трудоёмкость изготовления благодаря исключе- нию операции монтажа кристаллов активных элементов. Однако исполь- зование полуизолирующей подложки из арсенида галлия не обеспечивает эффективного отвода тепла от актив- ных элементов из-за низкого коэффи- циента теплопроводности материала подложки из арсенида галлия, что не позволяет уменьшить тепловое сопро- тивление цепи «активный элемент – корпус интегральной схемы СВЧ» и создавать интегральные СВЧ-схемы повышенной мощности. В патенте РФ [6] описан способ изго- товления интегральной СВЧ-схемы, включающий в себя: формирование методами тонкоплёночной техноло- гии на диэлектрической подложке микрополосковых линий передачи, согласующих элементов и выводов; разделение подложки на отдельные чипы, каждый из которых содержит пассивную часть интегральной схе- мы; монтаж навесных кристаллов активных элементов. Интегральную СВЧ-схему изготавливают на диэлек- трической подложке из алмаза толщи- ной 100...200 мкм, на которую наносят металлизационное покрытие в виде сплошного слоя одинаковой толщи- ны (3–7 глубин скин-слоя) на обрат- ной и торцевых сторонах. На лицевую сторону диэлектрической подложки наносят покрытие в виде локального слоя, а заземление интегральной схе- мы осуществляют посредством упо- мянутого металлизационного покры- тия. Конструкция ГИС СВЧ позволяет значительно улучшить электриче- ские характеристики и, прежде все- го, повысить выходную мощность (более 1 Вт). Однако возможности такой техно- логии изготовления с точки зрения получения более мощных ГИС СВЧ (мощных усилителей СВЧ, переклю- чателей и умножителей) с выходной мощностью более 5 Вт весьма ограни- чены из-за низкой скорости осажде- ния алмаза и экономической нецеле- сообразности получения алмазного слоя толщиной больше 200 мкм. Огра- ничение толщины применяемых в теплоотводах алмазных пластин свя- зано с тем, что их изготовление тол- щиной более 200 мкм сопряжено с определёнными трудностями. Пла- стины из монокристаллического алмаза ограничены по размерам и до ′ роги, а увеличение толщины пла- стин при сохранении скорости роста приводит к ухудшению теплопрово- дности. Снижение скорости роста приводит к резкому увеличению цены CVD-алмазной пластины. Альтернативой дорогостоящим толстым пластинам полиалмаза в ряде случаев могут стать более тон- кие (десятки микрометров) алмаз- ные слои, нанесённые на стандартные диэлектрические подложки, напри- мер на AlN-керамику [7]. Это приводит к значительному (в 3–5 раз!) увели- чению теплопроводности наибо- лее ответственного наружного слоя теплоотвода. В связи с этим вопрос выбора мате- риала для подложек стал особенно острым при создании современных мощных ГИС СВЧ с большой плотно- стью монтажа элементов. Подложки для таких приборов должны обладать высокой теплопроводностью, изоляци- онной способностью, механической прочностью, коэффициентом терми- ческого расширения (КТР), близким к КТР наиболее распространённых полупроводников: кремния, арсени- да и нитрида галлия. Также подложки должны иметь низкие значения диэлек- трической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, обеспе- чивать хорошую обрабатываемость (резку и полировку) и иметь невысо- кую стоимость. Из всех этих требова- ний главным является значение тепло- проводности, в наибольшей степени определяющей надёжность ГИС и МИС СВЧ, поскольку с увеличением темпе- ратуры активных элементов резко воз- растает скорость выхода их из строя (например, повышение температуры ГИС c +100 до +125°C увеличивает ско- рость возникновения в них дефектов в 5–6 раз). Значения теплопроводности некоторых неметаллических материа- лов подложек современных ГИС приве- дены в таблице 1. Сопоставление перечисленных выше требований к подложкам с данными из таблицы 1 указывает на перспектив- ность использования нитрида алюми- ния для подложек массовых ГИС СВЧ. Теплопроводность подложек из AlN определяется, как и для всех неметал- лических материалов, фононным меха- низмом передачи тепла. Сравнение свойств подложек из AlN с подложка- ми из Аl 2 О 3 и ВеО приведено в таблице 2. Теплопроводность керамики из AlN уменьшается с увеличением темпера- туры (слабее, чем керамики из ВеО), так что при +150°C она становится почти одинаковой с теплопроводностью ВеО (см. рис. 1). Коэффициент термическо- го расширения при комнатной темпе- ратуре у AlN (4,3 × 10 –6 1/°C) близок к КТР кремния (3,4 × 10 –6 1/°C), арсенида гал- лия (5,7 × 10 –6 1/°C) и нитрида галлия (4,0 × 10 –6 1/°C), что позволяет получать