Размещение элементов и компонентов ГИС СВЧ-диапазона в подложке МПП

В.А. Иовдальский
РАЗМЕЩЕНИЕ 
ЭЛЕМЕНТОВ
И КОМПОНЕНТОВ
ГИС СВЧ-ДИАПАЗОНА
В ПОДЛОЖКЕ МПП
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 

Московского 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» (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   ---- ---Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Московского технологического университета (МИРЭА)
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. 
А.И. Шокина, лауреат Г
осударственных премий СССР;
Е.И. Нефёдов — д-р физ.-мат. наук, проф., гл. научн. сотр. Фрязин 
ского филиала института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
И75
Иовдальский В.А.
Размещение элементов и компонентов ГИС СВЧ-диапазона в
 
подложке МПП: учебное пособие / В.А. Иовдальский; под ред. 
А.А. Борисова. — Москва: КУРС. — 1 файл.pdf: 192 с. – Электронная копия печатной версии.
ISBN 978-5-907064-07-2
Учебное пособие посвящено вопросам совершенствования конструкции и технологии изготовления ГИС СВЧ-диапазона, разработке направлений конструкторско-технологического развития, формированию иерархической Системы направлений развития техники ГИС СВЧ. Проведен 
анализ возможности улучшения электрических, тепловых и массогабаритных характеристик ГИС за счет размещения элементов и компонентов в 
объеме подложки микрополосковой платы. 
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 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 621.3.049.77.029.64(075.8)
ББК 32.85я73
ISBN 978-5-907064-07-2
© 
Иовдальский В.А., 2018
© КУРС, 2018

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
МГВУ	
—  микрополосковые гибридные вакуумные устройства
МИС	
—  монолитные интегральные схемы
МКМ	
—  многокристальный модуль
МКП	
—  многослойная коммутационная плата
МПЛ	
—  микрополосковая линия
МПП	
—  микрополосковая плата
МСБ	
—  микросборка
МЭА	
—  микроэлектронная аппаратура
МЭУ	
—  микроэлектронные устройства
ОИС	
—  объемная интегральная схема
ПП	
—  полупроводниковые приборы
РЭА	
—  радиоэлектронная аппаратура
РЭС	
—  радиоэлектронная система
СВЧ	
—  сверхвысокая частота
ТТМ	
—  твердотельный транзисторный модуль
УМ	
—  усилитель мощности
3

ВВЕДЕНИЕ
Конструкторско-технологическое проектирование изделий электронной техники (ИЭТ) СВЧ-диапазона с использованием модулей 
на базе гибридных интегральных схем (ГИС) и микросборок (МСБ) 
по-прежнему остается важнейшим этапом создания современной 
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
При этом развитие конструирования и  технологии самих 
ГИС и МСБ СВЧ образует отдельное самостоятельное направление. 
Это очень важное направление, поскольку именно от уровня параметров и характеристик узлов модулей и ГИС зависят параметры 
и характеристики РЭА.
Необходимость постоянного улучшения характеристик РЭА заставляет специалистов искать новые конструктивно-технологические решения ГИС, дающие такую возможность. Одним из таких 
возможностей является активное использование объема и материала 
подложки микрополосковой платы (МПП). Использование объема 
подложки может решать различные задачи улучшения конструкции, 
а их совокупность повышает эффективность применения данного 
направления.
За последние годы появилось достаточно большое количество 
таких отдельных конструкторско-технологических решений, образующих отдельное специфическое направление, которое впоследствии вошло в иерархическую Систему направлений развития техники ГИС СВЧ [1] в качестве составной части.
Поскольку данное учебное пособие является третьей частью данной серии книг и которое, как и две первые части, ставит своей 
целью формирование Системы конструкторско-технологических 
направлений развития техники ГИС СВЧ-диапазона [1] и концептуальной парадигмы развития этого направления [2], оно направлено 
на выполнение этой задачи.
Кроме того, учебное пособие выполняет основную свою задачу — 
подготовку нового поколения специалистов, обладающих знанием 
и пониманием логичности и необходимости пройденного пути развития техники ГИС СВЧ-диапазона.
4

Глава 1
ФОРМИРОВАНИЕ 
КОНДЕНСАТОРОВ В СОСТАВЕ МПП
1.1. Направление совершенствования конструкции 
и технологии изготовления конденсаторов 
ГИС СВЧ-диапазона
1.1.1. Введение
Одним из компонентов, наиболее широко применяемых при проектировании гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ-диапазона 
различного назначения, являются конденсаторы. Обычно это кристаллы полупроводникового материала [3] или кристаллы керамики 
[4]. Кристаллы конденсаторов обычно устанавливаются на элементы 
топологического рисунка металлизации при помощи пайки или приклеивания с последующим подключением в схему. При этом при 
выполнении этих функций они могут выполнять функции разделительных конденсаторов или блокировочных конденсаторов.
1.1.2. Конструкторская часть
Емкость на полупроводниковой подложке, как правильно (по техническим условиям) называются конденсаторы в виде кристалла 
полупроводникового материала — кремния, представлена на рис. 1.1.
В таких конденсаторах в качестве полупроводниковой основы 
выбирают пластину низкоомного кремния ЭКС — 0,01 толщиной 
300 мкм. Размеры кристаллов кремния — 0,65 × 0,65 мм; 0,9 × 0,6 мм; 
1,2 × 1,2 мм и 2 × 2 мм.
В качестве диэлектрика таких конденсаторов обычно используют 
термически выращенный слой двуокиси кремния толщиной 
0,8 мкм. При выполнении верхней обкладки конденсатора используют слоистую структуру металлизации Crвак.нап (80–150)Ом/мм2 — 
Cuвак.нап 3 мкм — Cuгальв 3 мкм — Niгальв (0,6–0,8) мкм — Аuгальв 
3,5 мкм. Иногда для облегчения монтажа кристаллов кремниевых 
конденсаторов на их обратную сторону наносят слой металлизации, 
5

2
Si
1
4
Рис. 1.1. Емкость, сосредоточенная на полупроводниковой подложке:
1 — кремниевый кристалл (нижняя обкладка конденсатора); 2 — двуокись 
кремния (SiO2); 3 — слой металлизации (верхняя обкладка конденсатора); 
4 — слой металлизации на нижней стороне кремниевого кристалла
аналогичный по структуре верхней обкладке конденсатора. Выбор 
низкоомного кремния в данном случае важен, так как кремниевый 
кристалл является нижней обкладкой конденсатора и от ее сопротивления зависят потери энергии в ГИС СВЧ.
Термически выращенный слой SiO2, являясь диэлектриком конденсатора, определяет максимальное рабочее напряжение 20 В, а его 
толщина вместе с площадью обкладок определяет емкость конденсаторов. Емкость выпускаемых конденсаторов колеблется в широких 
пределах: 5–800 пФ. Качество диэлектрика конденсатора характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь и находится в пределах 5 × 10-3–5 × 10-2.
Для некоторых типов емкостей сосредоточенных вместо покрытия металлизации обкладок конденсаторов золотом применяют 
покрытие гальванически наносимым сплавом олово–висмут (Sn–Bi) 
толщиной 6 мкм.
Иногда в емкостях сосредоточенных в качестве диэлектрика 
конденсатора используют пленки пятиокиси тантала Та2О5 
(рис. 1.2) [3].
Толщина напыленного слоя тантала составляет 1 мкм. Толщина 
диэлектрика (Та2О5) — 0,3 мкм. Структура и толщина слоев 4 и 5 аналогичны структуре слоев металлизации емкостей сосредоточенных, 
представленных на рис. 1.1.
Емкости, сосредоточенные на полупроводниковой подложке, изготавливают на пластинках кремния диаметром 60 или 76 мм, толщиной 300 мкм по маршруту, представленному на рис. 1.3.
Очистку кремниевых пластин проводят в аммиачно-перекисном 
и соляно-перекисном растворах с последующей промывкой в деионизированной воде. Термическое окисление проводят при температуре 1100°С в парах воды.
6

5
3
2
Si
1
Рис. 1.2. Емкость, сосредоточенная на полупроводниковой подложке 
с Ta2O5 в качестве диэлектрика:
1 — кремниевый кристалл; 2 — слой напыленного тантала (нижняя обкладка 
конденсатора); 3 — диэлектрик (Ta2O5); 4 — верхняя обкладка конденсатора; 
5 — контакт нижней обкладки конденсатора
Формирование диэлектрика конденсатора проводят методом фотолитографии по SiO2, вскрывая разделительные дорожки между 
кристаллами конденсаторов.
Формирование обкладок конденсатора осуществляют вакуумным 
напылением пленок хрома с поверхностным сопротивлением 80–
150 Ом/мм2 и меди толщиной 1 мкм в одном процессе с различных 
испарителей и последующей фотолитографией для формирования 
топологии верхних обкладок конденсаторов. Одновременно с верхними обкладками формируются проводники, соединяющие верхние 
обкладки отдельных конденсаторов, для гальванического наращивания. Затем осуществляется последовательное гальваническое наращивание меди (3 мкм), никеля (0,6–0,8 мкм) и золота (3 мкм). При 
3
4
1
Очистка
пластин
кремния
Термическое
окисление
кремния
2
Формирование
диэлектрика
конденсаторов
фотолитографией
Напыление
меди
с подслоем
хрома
5
6
7
Гальваническое
наращивание
меди
Гальваническое
никелирование
и золочение
Формирование
топологии
верхних
обкладок
8
9
10
Удаление
технологических
проводников
Разделение
пластин на
кристаллы
Контроль
параметров
конденсаторов
Рис. 1.3. Маршрут изготовления емкостей, сосредоточенных 
на полупроводниковой подложке
7

этом подслой хрома обеспечивает хорошую адгезию металлизации 
к диэлектрику, напыленный слой меди обеспечивает необходимую 
точность конфигурации верхних обкладок, гальванически осажденная медь усиливает проводимость обкладок, никель исполняет роль 
барьерного слоя и препятствует взаимной диффузии меди в золото. 
Золото толщиной 3  мкм защищает металлизацию от коррозии 
и обеспечивает паяемость и свариваемость к обкладкам конденсаторов. Затем удаляются технологические проводники фотолитографией, пластина разделяется на кристаллы дисковой резкой. После 
чего проводится контроль параметров измерителем Е7-12.
Другой разновидностью конденсаторов для ГИС СВЧ являются 
конденсаторы керамические [4, 5]. Конструкция конденсаторов керамических представлена на рис. 1.4 [4].
3
2
1
Рис. 1.4. Конструкция конденсаторов керамических:
1 — нижняя обкладка конденсатора; 2 — диэлектрик конденсатора; 3 — верхняя обкладка конденсатора
В таких конденсаторах в качестве диэлектрика конденсатора используется керамика ПК-Т-150, ПК-Т-1000, ПК-Т-4500 и ПК-Т10000. Последняя цифра в обозначении керамики примерно соответствует значению диэлектрической проницаемости керамики и соответствует ОСТ11 0309-86. Электрическая прочность керамики 
составляет 3,14–20,2 мВ/м, а тангенс угла диэлектрических потерь — 
1×10-4–1,7×10-2.
Обкладки конденсаторов представляют собой трехслойную структуру:
Tiвак.нап 100 Ом/мм2 – Pd вак.нап 0,2 мкм – Auгальв 3 мкм.
Пределы значений емкостей согласно [6] 0,8–2000 пФ. При этом 
значение tgδ таких конденсаторов не более 0,0002–0,017, а электрическая прочность Епр 6–15 мВ/м.
Применение такой металлизации позволяет увеличить температурную стабильность по сравнению с металлизацией на полупроводниковых конденсаторах.
8

Если металлизация (Cr-Cu-Ni-Au) может выдержать при сборке 
ГИС температурный нагрев 400°С в течение 5 мин, то структура 
Ti-Pd-Au легко выдерживает нагрев 420°С до 20 мин и более.
Технология изготовления описанных керамических конденсаторов сводится к очистке керамической пластины, двухстороннему 
напылению Ti и Pd с последующим гальваническим наращиванием 
золота на обе стороны одновременно. Затем керамическая пластина 
разделяется на кристаллы дисковой резкой кругами с внешней алмазной кромкой, производится удаление заусенцев и очистка боковой поверхности кристаллов с помощью ультразвуковой очистки. 
Далее следует контроль параметров конденсаторов. Нетрудно заметить, что технология керамических конденсаторов проще, чем полупроводниковых.
Конденсаторы для ГИС СВЧ в виде полупроводниковых или керамических кристаллов предназначены для установки на контактные 
площадки в составе топологического рисунка металлизации микрополосковых плат (МПП) ГИС СВЧ или на их металлические основания нижней обкладкой и подключения верхней обкладки к пленочным проводникам топологического рисунка металлизации 
(рис. 1.5).11
4
5
6
7
4
5
6
7
С
С
2
2
1
8
8
1
9
10
9
10
3
3
а)
б)
Рис. 1.5. Фрагменты ГИС СВЧ с кристаллами конденсаторов (С), 
установленными на МПП:
а — разделительный конденсатор; б — блокировочный конденсатор; 1 — диэлектрическая подложка; 2 — контактная площадка в составе топологического рисунка металлизации; 3 — экранная заземляющая металлизация; 4 — 
связующее вещество (припой или клей); 5 — нижняя обкладка конденсатора; 
6 — верхняя обкладка конденсатора; 7 — проволочный соединительный проводник; 8 — пленочный проводник в составе топологического рисунка металлизации; 9 — связующее вещество (припой); 10 — металлическое теплопроводящее основание; 11 — металлизированное отверстие
9

Закрепление конденсаторов из кремния может осуществляться на 
золоченую поверхность методом вибрационной эвтектической пайки 
при температуре 410°С на установках ЭМ-4025, ЭМ-4075 и т.д. Однако 
на практике для посадки кристаллов полупроводниковых и керамических конденсаторов достаточно часто применяются припойные 
прокладки из припоя золото-кремний эвтектического состава толщиной 20–50 мкм. Соединение верхней обкладки с пленочными проводниками топологического рисунка металлизации осуществляется термокомпрессионной сваркой или сваркой расщепленным электродом 
с использованием золотой проволоки или золотых плоских выводов. 
Иногда для посадки кристаллов применяется электропроводящий 
клей ЭЧЭ-С. Однако проводимость клея значительно ниже припоя, 
и его применение вызывает некоторое увеличения потерь энергии. 
Монтаж конденсаторов с использованием в качестве диэлектрика 
Та2О5 (рис. 1.2) может проводиться на объемные выводы методом перевернутого кристалла или монтажом обратной стороны кристалла на 
плату и подключение — методом присоединения соединительными 
проводниками. При этом к недостаткам кристаллов конденсаторов на 
полупроводниковой подложке добавляется недостаточная надежность 
диэлектрической пленки Та2О5.
Несмотря на широкое применение кристаллов кремниевых и керамических конденсаторов в ГИС СВЧ, они имеют ряд недостатков. 
Это прежде всего высокая трудоемкость их изготовления, а также 
снижение надежности из-за необходимости для их установки паяных 
и сварных соединений.
В связи с развитием конструктивно-технологических принципов 
проектирования ГИС СВЧ и участившимся применением диэлектрических подложек с высокой чистотой поверхности, например сапфировых, участились случаи применения пленочных конденсаторов 
со структурой металл–диэлектрик–металл [7–9]. Применение таких 
конденсаторов позволяет сократить трудоемкость изготовления 
ГИС и повысить их надежность за счет снижения числа сварных 
и паяных соединений.
На рис. 1.6 представлена конструкция пленочных конденсаторов 
в составе МПП, а именно представлен разделительный конденсатор. 
В случае необходимости использования пленочного конденсатора 
в качестве блокировочного одна из его обкладок должна быть заземлена. В качестве структуры металлизации нижней обкладки конденсатора может быть использована обкладка.
По сравнению с ГИС СВЧ, использующими кристаллы конденсаторов, применение пленочных конденсаторов позволяет улучшить 
10