Внутрисхемные соединения в ГИС СВЧ-диапазона

В.А. Иовдальский
Л.В. Манченко
И.А. Соколов 




ВНУТРИСХЕМНЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ
В ГИС СВЧ-ДИАПАЗОНА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Под научной редакцией А.А. Борисова,
доктора технических наук, генерального директора 
АО «НПП “Исток”» им. А.И. Шокина
Электронная копия печатной версии
Рекомендовано редакционно-издательским советом 
Российского технологического университета (МИРЭА) в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки: 2.11.03.03, 2.11.04.03 «Конструирование 
 
и технология электронных средств» (квалификации «бакалавр», «магистр»)  
и 2.11.03.04, 2.11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» 
(квалификации «бакалавр», «магистр»)
Москва
КУРС
2024

УДК	 621.3(075.8)
ББК	 32.85я73	
ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
И75  -  ------Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Российского технологического университета (МИРЭА)
Р е ц е н з е н т ы:  -
В.П. Марин — д-р техн. наук, проф., профессор кафедры МиС РТУ (МИРЭА), 
академик, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Г
осударственных премий 
СССР и РФ;
В.И. Новоселец — д-р техн. наук, гл. научн. сотр. АО «НПП “Исток”» 
им. А.И. Шокина, лауреат Г
осударственных премий СССР;
Е.И. Нефёдов — д-р физ.-мат. наук, проф., гл. научн. сотр. Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
И75
Иовдальский В.А.,
Внутрисхемные соединения в ГИС СВЧ-диапазона : учебное пособие /
В.А. Иовдальский, Л.В. Манченко, И.А. Соколов; под ред. А.А. Борисова. — Москва: КУРС. — 128 с. + цв. вкл. – Электронная копия печатной версии.
ISBN 978-5-907064-34-8
Учебное пособие посвящено вопросам совершенствования конструкции и технологии изготовления ГИС СВЧ-диапазона. Проведен анализ 
влияния геометрии внутрисхемных соединений на электрические характеристики схемы. Проведена оптимизация геометрии внутрисхемных соединений. Представлены результаты исследования возможности улучшения 
электрических характеристик различных устройств путем оптимизации 
геометрии внутрисхемных соединений. Сформированы соответствующие 
направление и концепция совершенствования ГИС СВЧ.
Пособие предназначено для студентов Российского технологического 
университета (МИРЭА) очной, очно-заочной и заочной форм образования квалификации «бакалавр» и «магистр», обучающихся по направлениям 2.11.03.03, 2.11.04.03 «Конструирование и технология электронных 
средств» и по направлениям 2.11.03.04, 2.11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», дисциплины: «Технология производства электронных 
средств», «Элементная база радиоэлектронных средств», «Основы проектирования электронной компонентной базы», «Технология электронной 
компонентной базы», аспирантов, а также для повышения квалификации 
инженерно-технических работников радиотехнических специальностей.
УДК 621.3(075.8)
ББК 32.85я73
© 
Иовдальский В.А., Манченко Л.В., Соколов И.А., 2019
ISBN 978-5-907064-34-8
© КУРС, 2019

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
БГИС	
— большая гибридная интегральная схема
БИС	
— большая интегральная схема
ГИС	
— гибридная интегральная схема
ИМС	
— интегральные микросхемы
ИС	
— интегральная схема
ИЭТ	
— изделия электронной техники
КЛТР	
— коэффициент линейного термического расширения
КММ	
— комплексная микроминиатюризация
КУР	
— коэффициент усиления мощности
МИС	
— монолитные интегральные схемы
МКМ	
— многокристальный модуль
МКП	
— многослойная коммутационная плата
МПЛ	
— микрополосковая линия
МПП	
— микрополосковая плата
МЭА	
— микроэлектронная аппаратура
МЭУ	
— микроэлектронные устройства
ОИС	
— объемная интегральная схема
ПП	
— полупроводниковые приборы
РЭА	
— радиоэлектронная аппаратура
РЭС	
— радиоэлектронная система
СБИС	
— сверхбольшие интегральные схемы
СВЧ	
— сверхвысокая частота
МСБ	
— микросборка
УМ	
— усилитель мощности
ЦНТИ	
— центр научно-технической информации
ЦАА	
— цифроаналоговая аппаратура
ТТМ	
— твердотельный транзисторный модуль
3

ВВЕДЕНИЕ
Стремление к улучшению электрических характеристик различных устройств на основе ГИС СВЧ-диапазона — процесс достаточно 
сложный и требует проработки большого числа различных конструктивно-технологических направлений. А процесс построения теоретических основ совершенствования приводит к созданию вначале 
Системы конструкторско-технологического совершенствования 
ГИС СВЧ-диапазона, а затем к созданию концептуальной парадигмы 
такого процесса. Совершенствование конструкции и технологии — 
процесс многостадийный, поэтому последовательное рассмотрение 
пути такого развития и стремление передать накопленный опыт следующему поколению специалистов привели к появлению серии 
учебных пособий [1, 2, 3], а данное пособие является четвертым 
в этой серии. Данное направление — «совершенствование конструкции и технологии внутрисхемных соединений ГИС СВЧ-диапазона» — достаточно узкое по своей направленности, однако оно 
очень существенно по своему вкладу в улучшение электрических характеристик. В данном учебном пособии рассматриваются вопросы 
конструирования плоских конусообразных, плавно сужающихся или 
плавно расширяющихся выводов для группы конкретных наборов 
плоских выводов для конкретных полупроводниковых приборов 
в виде выводных рамок. Рассматриваются особенности конструкции 
выводных рамок, позволяющие удалять технологические части выводных рамок после их присоединения к контактным площадкам 
кристаллов полупроводниковых приборов и к проводникам микрополосковых плат (МПП). Кроме того, обоснована и проверена на 
практике возможность использования выводных рамок для присоединения группы кристаллов в составе ГИС. Преимуществом использования выводных рамок также является возможность их использования для присоединения к контактным площадкам, находящимся на нескольких монтажных уровнях в составе нескольких 
кристаллов или проводников МПП. В пособии изложена оригинальная методика изготовления выводных рамок плоских выводов из 
гальванически осаждаемого золота, которая позволяет серийно изготавливать их на отечественных предприятиях по оригинальной 
запатентованной технологии.

Глава 1
НАПРАВЛЕНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ 
КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ 
ВНУТРИСХЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГИС СВЧДИАПАЗОНА
1.1. Применение выводных рамок в ГИС СВЧ усилителя 
мощности СВЧ-диапазона
1.1.1. Введение
Повышение требований к РЭА СВЧ-диапазона требует поиска 
новых путей и направлений по улучшению характеристик ГИС, на 
которых базируются блоки РЭА. Одним из таких направлений является совершенствование конструкции и технологии изготовления 
ГИС СВЧ [4, 5, 6]. Поиску новых конструктивно-технологических 
решений уделяется большое внимание как в нашей стране [7], так 
и за рубежом [8].
1.1.2. Расчетно-конструкторская часть
Одним из таких решений может быть применение выводных 
рамок с плоскими балочными выводами толщиной в несколько 
микрон, выполненных из золота и служащих для сопряжения и соединения контактных площадок полупроводниковых приборов 
с микрополосковыми линиями (МПЛ) микрополосковых плат 
(МПП) [9]. Распространенным конструктивно-технологическим 
вариантом ГИС СВЧ, применяемой, например, в усилителях мощности, является вариант, в котором для суммирования мощности 
нескольких транзисторов их кристаллы устанавливаются на металлическом основании (на пьедестале) [5,10]. Вплотную к металлическому выступу с расположенными на нем кристаллами транзисторов с двух сторон размещаются МПП. Высота металлического 
выступа подбирается такой, чтобы плоскость лицевой поверхности 
плат совпадала с лицевой поверхностью кристаллов транзисторов. 
5

Это необходимо для того, чтобы длина соединительных проводников была минимальной (рис. 1.1), что обеспечит низкие паразитные 
индуктивности схемы.
1
2
4
5
6
7
8
3
M
GaAs
Рис. 1.1. Конструкция ГИС с кристаллами транзистора на выступе 
(пьедестале) металлического теплоотводящего основания:
1 — диэлектрическая подложка; 2 — МПЛ платы; 3 — экранная заземляющая 
металлизация; 4 — металлическое теплоотводящее основание; 5 — связующее электро- и теплопроводящее вещество (припой); 6 — кристалл транзистора; 7 — контактные площадки кристалла; 8 — соединительные проводники
Наряду с явными преимуществами, такая конструкция имеет свои 
недостатки, в частности недостаточно высокие электрические и массогабаритные характеристики ГИС [8]. Применение проволочных 
соединительных проводников не является оптимальным с точки зрения электрических характеристик, так как создает неоднородности, 
возникающие в местах соединения отрезков линии передачи при 
скачкообразном изменении поперечных размеров линии, неоднородности МПЛ. Места соединения обычно носят емкостный характер [11]. Для компенсации этих паразитных емкостей необходимо 
применение специальных конструкций соединений.
Более перспективным для выполнения соединений в ГИС СВЧ 
является применение плоских проводников с конфигурацией, позволяющей осуществлять плавный переход от одного сечения линии 
передачи к другому [9, 12]. То есть, меняя соответствующим образом 
волновое сопротивление вдоль отрезка линии в месте соединения, 
можно обеспечить плавное его изменение вдоль линии, что устраняет резкие скачки волнового сопротивления при стыке секций, 
уменьшает величины неоднородностей, а значит, и отражение от них 
[12, 13].
6

На рис. 1.2 представлена конструкция ГИС СВЧ, в которой кристаллы транзистора подключены к топологическому рисунку микрополосковых линий платы при помощи выводных рамок плоских 
балочных выводов [9, 14]. Внутренние концы выводов присоединены 
к контактным площадкам транзистора, а внешние — к микрополосковым линиям. Такая конструкция позволяет существенно улучшить 
электрические характеристики ГИС СВЧ, например, усилительных 
4
2
3
1
8
7
M
5
6
7
2
2
4
1
8
5
6
9
1
Рис. 1.2. Фрагмент гибридной интегральной схемы с балочными 
выводами:
1 — диэлектрическая подложка; 2 — топологический рисунок металлизации; 
3 — экранная заземляющая металлизация; 4 — кристалл транзистора; 5 — металлическое основание с выступом; 6 — припой; 7 — контактные площадки 
транзистора; 8 — балочные выводы в составе выводной рамки; 9 — отделяемая часть рамки
7

каскадов усилителей. На рис. 1.3, 1.4 изображены расчетные амплитудно-частотные характеристики усилительного каскада на транзисторе 3П612А-5 и схема согласования его с 50-омной линией (Еподл = 
9,8; hподл = 0,5 мм). При расчете использовались S-параметры транзистора, включенного в схему; с помощью золотой проволоки и золотой выводной рамки позволяет создавать устройства в более высокочастотном диапазоне и тем самым улучшить электрические характеристики усилителей. Однако наибольшими преимуществами 
обладает конструкция ГИС СВЧ, в которой кристаллы расположены 
Kp, 
8
1
2
6
4
2
16
17
18
F, 
Рис. 1.3. Расчетные (без учета потерь в МПЛ) амплитудно-частотные 
характеристики усилительного каскада при подключении транзисторов 
с помощью золотой проволоки (1), золотой выводной рамки (2)
3
3
4
4
50Ω
50Ω
1
2
2
M
7
7
7
8
8
13
Cхема согласования
стока
Cхема согласования
затвора
Рис. 1.4. Схема согласования и подключения транзистора 3П612А-5 за 
счет 50-омной линии на диэлектрической подложке 
(Еподл = 9,8; hподл = 0,5 мм)
8

в одной плоскости с платой, на выступе основания или в углублении, 
выполненном на лицевой поверхности платы (рис. 1.2) [11, 14, 15]. 
В этом случае длина выводов транзистора уменьшается примерно 
в 3 раза, что еще больше улучшает электрические, тепловые и массогабаритные характеристики [11, 15, 16]. Плоские соединительные 
проводники с конфигурацией, выравнивающей волновое сопротивление, с успехом используют при соединении микрополосковых линий состыкованных плат. Таких плат в модулях входных усилителей 
может быть, например, 12. Кроме того, плоские проводники удачно 
используются для соединения центрального стержня коаксиального 
герметичного ввода на входе и выходе усилительного модуля с микрополосковыми линиями плат.
1.1.3. Технологическая часть
Технология изготовления выводных рамок из золота толщиной 
в несколько микрон для соединения кристаллов с проводниками 
плат, межплатных соединительных перемычек и перемычек для 
подключения гермоввода к МПЛ плат является оригинальной [17]. 
Она включает в себя стандартные операции очистки, напыления, 
гальванического наращивания, фотолитографии и травления, широко применяемые при изготовлении микрополосковых плат для 
ГИС СВЧ. Вторым важным технологическим моментом является 
вопрос присоединения изготовленных балочных выводов. Внутренние концы балочных выводов приваривают к контактным площадкам кристаллов транзисторов термокомпрессионной сваркой 
при температуре 300°С. Затем кристаллы с приваренными выводными рамками закрепляют пайкой припоем золото–олово 
эвтектического состава на выступе металлического основания. Далее при комнатной температуре сваркой расщепленным электродом 
присоединяют внешние концы балочных выводов к МПЛ платы. 
Последней операцией сборки является удаление технологических 
частей выводной рамки. Такая последовательность операций позволяет сохранять замкнутыми выводы транзисторов и, таким образом, предотвратить транзисторы от пробоя статическим электричеством. Особенностью конструкции усилителя мощности является 
суммирование мощности значительного числа транзисторов. Так, 
в выходном каскаде может складываться мощность 16 транзисторов. При выполнении проволочных соединений все кристаллы 
устанавливались на металлическом основании, а затем осуществлялось их подключение в схему, при этом транзисторы длительное 
время находились при температуре 300 °С. Это отрицательно ска9

зывалось на электрических характеристиках транзисторов. Переход 
на новую технологию с использованием выводных рамок позволяет 
сократить время нагрева транзисторов и тем самым улучшает электрические характеристики транзисторов, а значит, и самого усилителя мощности.
1.1.4. Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1.  Применение выводных рамок балочных выводов в  конструкции ГИС СВЧ позволяет улучшить характеристики изделий на 
их основе.
2.  Разработана оригинальная технология изготовления выводных 
рамок плоских балочных выводов из гальванически осаждаемого 
золота.
3.  Разработана технология сборки изделий с применением выводных рамок плоских балочных выводов.
4.  Предложенная технология позволяет изготавливать плоские 
соединительные элементы для разварки конденсаторов, межсхемных 
перемычек соединения центрального вывода гермоввода с МПЛ топологического рисунка плат.
1.2. Эффективность применения плоских 
внутрисхемных соединений в ГИС балансного 
усилителя СВЧ-диапазона
1.2.1. Введение
Использование плоских балочных конструкций для организации 
внутрисхемных соединений в полупроводниковых приборах СВЧ на 
практике показало свои неоспоримые преимущества. [18, 19]. В основном балочные выводы используются для соединения затворных 
и стоковых контактов полевых транзисторов с цепями согласования. 
Однако использование балочных конструкций для соединения других элементов в полупроводниковых СВЧ-схемах может принести 
неменьшую пользу.
1.2.2. Расчетно-аналитическая часть
Рассмотрим преимущества использования балочных выводов на 
примере моделирования балансного СВЧ-усилителя, топология которого показана на рис. 1.5. Из рисунка видно, что схема усилителя 
10