Гибридные интегральные схемы СВЧ-диапазона

В.А. Иовдальский
ГИБРИДНЫЕ 
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 
СВЧ-ДИАПАЗОНА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Под научной редакцией д-ра техн. наук, генерального 
директора АО «НПП “Исток”» им. Шокина
А.А. Борисова
Электронная копия печатной версии
Рекомендовано редакционно-издательским научным советом МГУ МИРЭА от 
13.09.2017 г. 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» 
(квалификация «бакалавр», «магистр») 

и 2.11.03.04, 2.11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» 

(квалификация «бакалавр», «магистр»)
Москва
КУРС
2024

УДК	 621.3.049.77.029.64(075.8)
ББК	 32.85я73	
ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11--И75-  ----Р е ц е н з е н т  ы:
В.П. Марин — д-р техн. наук, проф., профессор кафедры МиС МТУ 
(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. Шокина», Лауреат Г
осударственных премий СССР;
Е.И. Нефёдов — д-р физ.-мат. наук, проф., гл. научн. сотр. Фрязинского филиала института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Иовдальский В.А.
И75
Г
ибридные интегральные схемы СВЧ-диапазона: учебное пособие / В.А. Иовдальский; под ред. А.А. Борисова. — Москва: 
КУРС. — 1 файл.pdf:  144 с. – Электронная копия печатной 
версии.
ISBN 978-5-906923-93-6
Учебное пособие посвящено вопросам совершенствования конструкции 
и технологии изготовления ГИС СВЧ-диапазона, разработке направлений 
конструкторско-технологического развития для дальнейшего формирования иерархической системы направлений развития техники ГИС СВЧ. 
Проведен анализ развития конструкторско-технологических решений ГИС, 
сформированы соответствующие концепции развития. 
Пособие предназначено для студентов Московского 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 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 и 
повышения квалификации инженерно-технических работников радиотехнических специальностей.
УДК 621.3.049.77.029.64(075.8)
ББК 32.85я73
ISBN 978-5-906923-93-6
© 
Иовдальский В.А., 2018
© КУРС, 2018

ВВЕДЕНИЕ
Радиоэлектроника является одной из самых наукоемких отраслей 
промышленности, поэтому научно-технический прогресс, наблюдающийся во всех областях народного хозяйства, особенно ярко выражен именно в ней. Вместе с тем успехи радиоэлектроники во многом 
становятся возможны благодаря развитию микроэлектроники, поскольку радиоэлектронные устройства базируются на комплектующих микроэлектронных компонентах.
Развитие микроэлектроники и радиоэлектроники повлекло за собой не только расширение функциональных возможностей радиоэлектронных устройств, но и ужесточение требований к их параметрам. Это, в первую очередь, повышение надежности, улучшение 
электрических характеристик, уменьшение габаритов и  массы, 
а также снижение энергопотребления.
Успехи развития твердотельного направления радиоэлектроники 
в разработке блоков и модулей РЭА СВЧ-диапазона позволили в значительной мере улучшить электрические, тепловые и, в особенности, 
массогабаритные характеристики.
В связи с этим радиоэлектронная аппаратура (РЭА) СВЧ-диапазона базируется в основном на гибридных интегральных схемах 
(ГИС) и микросборках (МСБ). В связи с этим крайне важным является совершенствование их конструкции и технологии. Это также 
связано с использованием новых материалов и их правильным сочетанием, уменьшением массы и габаритов ГИС и МСБ, а кроме того, 
с учетом особенностей обработки сигнала в СВЧ-диапазоне.
Крайне важным является выявление закономерностей развития 
конструкции и технологии ГИС СВЧ-диапазона и создание теоретической основы такого развития. Разработка теоретических основ, 
в свою очередь, предполагает: анализ и систематизацию известных 
конструкторско-технологических решений ГИС СВЧ, их анализ; синтез новых технических решений; формирование из них отдельных 
направлений развития и соответствующих им концепций; создание 
на их основе системы направления развития техники ГИС СВЧ.
Необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов для предприятий отечественной промышленности требует 
подготовки ряда новых учебных пособий для студентов высших учебных заведений, основанных на  новейших достижениях отечественных и зарубежных специалистов в данной области.
3

В связи с тем что данная работа открывает серию учебных пособий, направленных на формирование у учащихся правильного понимания процесса развития техники гибридных интегральных схем 
СВЧ-диапазона, важным является обозначение точки отсчета этого 
процесса. Поэтому данное пособие посвящено выбору такой точки, 
обозначению места ГИС и МСБ в иерархии РЭА, обзору компоновочных структур, обзору общепринятых и узаконенных соответствующими нормативно-техническими документами определений, анализу свойств применяемых материалов, анализу существующих конструкторско-технологических решений ГИС и их надежности.
Кроме того, в пособии во второй главе, посвященной формированию первого уровня направлений развития ГИС СВЧ-диапазона, 
рассматриваются вопросы совершенствования отдельных составных 
частей твердотельных модулей на основе ГИС СВЧ; в то же время 
достаточно важные и большие по объему информации направления 
предполагается изложить в отдельных специализированных учебных 
пособиях, посвященных конкретным направлениям.

Глава 1
СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ 
И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МСБ И ГИС 
СВЧ-ДИАПАЗОНА НА ПЕРИОД 
НАЧАЛА РАБОТЫ
В первой главе приводятся сведения, определяющие уровень развития техники ГИС СВЧ-диапазона на период начала работы автора 
над совершенствованием ГИС (1980-е гг.), выбранный за точку отсчета (нулевой уровень в «Системе основных конструкторско-технологических направлений развития техники ГИС СВЧ-диапазона» 
[1]). Кроме того, приводятся сведения об уровне развития техники 
составных частей ГИС, таких как микрополосковые платы (МПП), 
комплектующие компоненты (транзисторы, конденсаторы и т. 
д.), 
а также сведения о применяемых компоновочных структурах микроэлектронной аппаратуры (МЭА). Это необходимо для обеспечения 
возможности сравнения с последующими разработками и определения их эффективности.
1.1. Иерархия РЭА и место ГИС и МСБ в ней
Специфика функционирования СВЧ-устройств предъявляет 
с ростом частоты обрабатываемого сигнала все более жесткие требования к применяемым схемотехническим и конструктивным решениям.
Твердотельная микроэлектроника в последние 30 лет завоевала 
прочные позиции при разработке ИЭТ СВЧ-диапазона. Этому способствовали успехи в изучении новых физических явлений в полупроводниках, таких как лавинно-пролетный эффект, эффект Ганна 
и т. 
д., разработка микрополосковой техники на различных линиях 
передачи, разработка и освоение технологии создания изделий элементной базы на новых материалах.
Схемотехническое изображение конструкторской иерархии РЭА 
представлено на рис. 1.1. Иерархию РЭА по функциональной сложности можно описать структурой с различными уровнями от нуле5

Радиоэлектронная система
(РЭС)
5-й
уровень
Комплекс РЭА
4-й
уровень
РЭА, реализованная
в виде шкафов, стоек и т.д.
3-й
уровень
Отдельные
электронные блоки
2-й
уровень
Функциональные
ячейки, кассеты
1-й
уровень
Суперкомпоненты
(объемные интегральные
модули, многокристальные
модули (МКМ),
многокристальные МСБ)
Коммутационные
платы
0-й
уровень
Навесные компоненты
(ИС, ГИС, БГИС и т.д.)
Прочие конструктивы РЭА
(детали, коммутаторы, реле,
кабели, трансформаторы)
Рис. 1.1. Схематическое представление конструкторской иерархии 
радиоэлектронной системы (РЭС) [3, 4]
вого до пятого. Изделия нулевого уровня: коммутационные платы, 
навесные элементы (компоненты) — ​
интегральные схемы (ИС), 
в том числе и ГИС, дискретные полупроводниковые приборы (ПП), 
резисторы, конденсаторы, индуктивности и т. 
д., а также прочие конструктивы, к которым относятся детали и узлы конструкций; например, рамки, соединители, реле, трансформаторы, переключатели, 
индикаторы и др. являются элементной базой для построения многих устройств различного функционального назначения и используются для разнообразных областей применения [2, 3].
6

С возрастанием уровня модуля от первого — ​
функциональных 
ячеек и кассет — ​
до второго, к которому относятся отдельные электронные блоки, затем третьего, то есть РЭА в виде шкафов, стоек 
и т. 
п., и далее к четвертому — ​
комплексу РЭА — и пятому — ​
радиоэлектронным системам (РЭС) значительно меняются количественные и качественные параметры и характеристики, описывающие эти устройства, возрастает их функциональная сложность.
В то же время постоянно расширяется область применения ГИС, 
МСБ, МКМ, ОИС. Так, из рис. 1.2 видно, что РЭА 1, 2 и 3-го уровней может быть выполнена в виде отдельных микросборок, а для 
РЭА 4-го и 5-го уровней ГИС и МСБ являются основными составными частями (конструктивами).
Конструктивно ГИС и МСБ представляют собой плату с топологическим рисунком пленочных элементов и межсоединений и с размещенными на ней навесными компонентами. Особенностью ГИС 
и МСБ СВЧ является то, что в состав топологического рисунка плат 
включаются пленочные элементы, специфичные для данного диапазона, например направленные ответвители (мосты Ланге), фильтры, различные согласующие элементы и МПЛ, резисторы, конденсаторы, индуктивности и т. 
д. Такие платы получили название микрополосковые платы (МПП).
Согласно требованиям КММ изделий основными путями совершенствования РЭА, а значит, и ее составных частей — ​
МСБ и ГИС 
СВЧ являются: улучшение электрических характеристик; снижение 
массы и габаритов; улучшение тепловых режимов работы; повышение надежности; повышение технологичности; снижение стоимости. 
Именно с этих позиций следует оценивать различные конструкции 
и технологии изготовления ГИС и МСБ, а также их отличия от аналогичных устройств на печатных платах. Очевидно, что ГИС и МСБ 
резко превосходят устройства на печатных платах по массогабаритным показателям [2–6].
1.2. Компоновочные структуры 
микроэлектронной аппаратуры
Успехи полупроводниковой технологии в СВЧ-диапазоне привели к появлению совершенных конструкций транзисторов на сложных эпитаксиальных многослойных структурах GaAs, GaN, InP 
и т. 
д., а развитие техники создания монолитных интегральных полупроводниковых схем на основе этих материалов позволило совершить скачок в области микроминиатюризации изделий, увеличения 
7

их функциональной сложности, улучшения электрических, тепловых 
и надежных характеристик.
С появлением МИС (а именно так принято обозначать монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона) появилось двойное толкование этого обозначения, так как на более низких частотах МИС 
означает малые интегральные схемы со степенью интеграции менее 
100 элементов на одном кристалле. Однако серьезного противоречия 
здесь нет, так как современные МИС СВЧ являются в настоящее 
время схемами малой степени интеграции и, вероятно, останутся 
таковыми еще достаточно долго.
Достижения в технике создания полупроводниковых интегральных схем обусловили их массовое использование в РЭА. Следствием 
этого явилось появление РЭА со значительно меньшими габаритами 
и массой. Такая аппаратура получила название микроэлектронной 
аппаратуры (МЭА), а основной частью элементной базы МЭА стали 
кристаллы ИМС (БИС, СБИС), в том числе и МИС СВЧ.
Основной областью применения МЭА явились ЭВМ и бортовые 
радиоэлектронные системы и комплексы аэрокосмического применения. В зависимости от предъявляемых требований МЭА может 
иметь различные компоновочные структуры и строиться на корпусированных или бескорпусных ИМС.
По мнению специалистов [6], компоновочные требования являются едва ли не самыми важными в процессе формообразования 
и общего структурного построения изделия, так как их выполнение 
позволяет создать стройную компоновочную структуру изделия — 
​
основу рациональной, гармоничной композиции его формы 
и по возможности применить функционально-блочную (модульную) 
систему построения. Эти требования также комплексны по своему 
содержанию. Очевидно, часть компоновочных требований может 
быть обеспечена в процессе инженерного конструирования. К этим 
требованиям можно отнести:
	
• обеспечение рациональных массогабаритных характеристик;
	
• максимальное сокращение кинематических связей в изделии;
	
• рациональную расчлененность на сборочные единицы;
	
• снижение (или полное исключение) взаимных наводок между 
блоками и электрическими цепями междублочного, внутриблочного монтажа между вводами и выводами;
	
• оптимальный тепловой режим и т. 
д. [6].
Столь большое внимание вопрос компоновки РЭА заслуживает 
не случайно. Еще в середине 1980-х гг. разработан ряд компоновоч8

ных структур и моделей, рекомендуемых для практического применения.
На рис. 1.2 представлены модели компоновочных структур МЭА, 
применяемые для создания цифроаналоговой аппаратуры (ЦАА) [4].
4
5
3
1
2
1
I
2
3
4
5
1
1
II
2
3
4
5
1
1
III
1
6
2
3
4
5
1
IV
2
3
6
5
1
1
V
3
6
5
1
VI
3
6
4
5
1
1
VII
Рис. 1.2. Линейные графические модели компоновочных структур МЭА: 
1 — ​
корпус устройства; 2 — ​
коммутационная плата; 3 — ​
кристалл ИМС; 

4 — ​
корпус ИМС; 5 — ​
несущая конструкция; 6 — ​
подложка микросборки
В МЭА I варианта корпусированные ИМС устанавливаются 
на печатной коммутационной плате с одной или двух сторон.
Во II варианте компоновочной структуры используются БИС 
и СБИС, а наращивание функциональной сложности и уменьшение 
габаритов и массы достигаются за счет большей интеграции элементов на кристаллах.
III вариант использует увеличение интеграции за счет объединения в одном корпусе нескольких кристаллов ИМС.
IV вариант использует в качестве компонентов, установленных 
на коммутационной плате, многокристальные ГИС или МСБ.
V вариант использует бескорпусные ГИС и МСБ и предполагает 
общую герметизацию устройства в едином корпусе.
9

VI вариант компоновки предполагает повышение степени интеграции бескорпусных ГИС и МСБ по сравнению с V.
VII вариант предполагает расположение функциональных ячеек 
в виде БГИС или многокристальных МСБ, установленных на многослойной керамической или полиамидной коммутационной плате, 
установленных, в свою очередь, на многослойной коммутационной 
плате. В приведенных моделях компоновочных структур задействованы как корпусированные ГИС и МСБ, так и бескорпусные, что 
является продолжением направления применения ИМС и полупроводниковых приборов (ПП).
Далее мы увидим, как совершенствование конструкции ГИС 
и МСБ, появление объемных многослойных интегральных схем 
(ОИС) СВЧ может существенно расширить количество компоновочных моделей МЭА.
1.3. Определения и классификация
Говоря об иерархии РЭА, необходимо привести определения основных ее частей с учетом специфики конструирования аппаратуры 
СВЧ-диапазона. Целесообразно начать с  определения модулей 
и блоков СВЧ [7], а затем уже перейти к ГИС, МСБ, полосковым 
устройствам и т. 
д. [8–11].
Модуль СВЧ — ​
изделие радиоэлектронной техники СВЧ-диапазона, имеющее законченное конструктивное и схемное выполнение, 
состоящее из одного или нескольких функциональных узлов СВЧ, 
неремонтопригодное в  условиях эксплуатации, взаимозаменяемое [7].
Блок СВЧ — ​
изделие радиоэлектронной техники СВЧ-диапазона, 
состоящее из одного или нескольких модулей СВЧ, функциональных 
узлов СВЧ и линий передачи сверхвысоких частот [7].
Интегральный модуль СВЧ — ​
модуль СВЧ, состоящий из интегральных полосковых узлов [7].
Гибридно-интегральный модуль СВЧ — ​
модуль СВЧ, состоящий 
из гибридных интегральных микросхем [7].
Корпус модуля (блока) — ​
часть конструкции модуля (блока) СВЧ, 
предназначенная для защиты от воздействия окружающей среды, 
а также для присоединения модуля (блока) СВЧ к внешним схемам 
с помощью выводов [7].
Интегральная микросхема — ​
микросхема, ряд элементов которой 
нераздельно выполнен и электрически соединен между собой таким образом, что с точки зрения технических требований, испыта10