СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ ГИС СВЧ – ДИАПАЗОНА

                                                      1.Введение.

В процессе развития конструкции и технологии ГИС СВЧ – диапазона появился ряд интересных технических решений, направленных на улучшение электрических, тепловых, массогабаритных и надёжностных характеристик этих схем, а также модулей и блоков РЭА на их основе.

Появление большого количества разновидностей конструкторско – тех­нологических решений обуславливает стремление к их анализу, сравнению по эффективности достижения поставленных целей улучшения характери­стик, выявления общих закономерностей развития, прогнозирования путей дальнейшего развития. Это важно как с научной точки зрения, так и с пози­ций практического применения в различных устройствах.

2. Анализ технических решений и формирование направлений развития, их уровней и системы направлений развития техники ГИС СВЧ — диапазона.

Анализ множества конструкторско – технологических решений ГИС СВЧ – диапазона, появившихся в последние 20 – 30лет, позволяет выделить из них несколько групп или направлений, как правило, имеющих близкие цели (или технические результаты), соответствующих определённому узкому направ­лению и строго определённой концепции развития. Вместе с этим они ис­пользуют один (или несколько близких) физических конструктивных прин­ципов, соответствующих состоянию развития техники на строго определён­ный момент времени. Выбор направлений не является случайным, обуслав­ливается стремлением специалистов к улучшению характеристик вполне конкретных изделий, и является результатом глубокого анализа мирового уровня знаний. На Рис. 1. представлена структура системы направлений кон­структорско – технологического развития техники ГИС СВЧ – диапазона.

 

Рис. 1. Система основных конструкторско-технологических направлений развития техники ГИС СВЧ диапазона.

Анализ структуры системы показывает, что на начальном этапе (0-й уровень)  соот­ветствующему уровню техники 80-х годов, превалировал конструктивный вариант(0.1) с использованием корпусированных полупроводниковых приборов и керамических конден­саторов (типа  К-10-17), Они методом пайки устанавливались на поверхности платы или в специальных отверстиях, прошитых в подложке платы.  Данному нулевому уровню развития соответствовал определённый уровень технологии (0.2). Для данного уровня (0.2) характерно изготовление микрополосковых плат (МПП) для ГИС по индивидуальной технологии на подложках из поликора (керамика ВК-100) различных размеров: 12х15; 15х24; 24х30; 30х48; 48х60мм. Это приводило к высокой трудоёмкости их изготовления, необходимости большого ассортимента оснастки, повышенному расходу стеклозаготовок для изготовления фотошаблонов и химических реактивов. Структура металлизации МПП не была оптимизирована и не имела корреляции с применяемыми температурными режимами сборки. Выводы корпусированных полупроводниковых приборов и конденсаторов припаивались к проводникам платы пайкой микропаяльником.

В конце 80-х годов на смену этому варианту пришёл вариант конструкции ГИС с использованием бескорпусных кристаллов полупроводнико­вых приборов(1.3), устанавливаемых на поверхно­сти платы, с последующим размещением ГИС в герметичном металлическом корпусе, за­полненным  осушенным аргоном. Значение появления этого конструктивного варианта стало значительным, поскольку исключение из схемы паразитных параметров корпусов полупроводниковых приборов позволило суще­ственно улучшить электрические и массогабаритные характеристики.

Однако  реализация этого варианта потребовала изменения технологии монтажа активных компонентов на плату, повышения температуры сборочных процессов, модернизации конструкции металлизации МПП и конденсаторов, технологии их изготовления.  Ситуация на предприятиях страны сложилась так, что на долги годы этот вариант(1.3) стал основным. Он и сейчас широко используется в серийном производстве изделий на базе ГИС СВЧ – диапазона. Именно поэтому, этот конструктивно – технологический вариант ГИС выбран в качестве базы для сравнения при последующей модернизации. Переход на следующий более высокий (1-й) уровень развития обусловлен резким увеличением потребности в твёрдотельных изделиях на базе ГИС СВЧ – диапазона во второй половине 80-х годов.  Переход на использование беcкорпусных кристаллов полупроводниковых приборов потребовал применения более высокотемпературных процессов микросварки, а это, в свою очередь, к изменению структуры металлизации МПП. Поэтому логически правильным было начинать работу по модернизации ГИС и переходу на новый -1-ый уровень развития именно с модернизации  конструкции и технологии МПП (направление 1.1).  Результаты этих работ изложены в работах [1,2], внедрены в серийное производство МПП во ФГУП «НПП «Исток» и рекомендованы для применения в серийном производстве предприятий отрасли[3].

Вторым направлением развития 1-го уровня явилось направление (1.2) совершенст­вования конструкции  конденсаторов для ГИС. Развитие этого направления затянулось на десятилетия, поскольку появление новых конструктивных возможностей приводило к по­явлению новых конструкций конденсаторов. Сначала появились чип — конденсаторы в виде отдельных кремниевых или керамических кристаллов размером (0,5х0,5х0,3мм) …. (1х2х0,3мм), которые устанавливались на металлизированных посадочных площадках на поверхности платы. Далее конденсаторы начали изготавливать плёночными в составе топологического рисунка МПП. А затем появились конденсаторы,  встроенные в объём платы и использующие в качестве диэлектрика материал подложки платы, а также и другие варианты [4]. Это стало возможным только с появлением соответствующих новых технологических методов их изготовления. Развитие этого (1.2) направления также способствовало дальнейшему развитию техники ГИС и реализации направлений (1.3) и следующих за ним.

Третьим, крайне важным, направлением (1.4) явилось встраивание в подложку на­весных компонентов или расположение кристаллов полупроводниковых приборов в уг­лублениях, выполненных в поверхности подложки МПП [5,6]. В результате реализации этого конструктивного направления в серийном производстве на отечественных и зару­бежных предприятиях [7,8] удалось одновременно улучшить электрические, тепловые и массогабаритные характеристики, по сравнению с предшествующим (1.3) вариантом.

Стремление улучшения теплоотвода от компонентов ГИС привело к появлению направления встраивания в подложку МПП металлических вставок – направление (1.5)[9]. Использование этого конструктивно – технологического варианта позволило получить дополнительные возможности улучшения характеристик ГИС.

Появление следующего  направления (1.6) применения плоских внутрисхемных со­единений из гальванически осаждаемого золота  и внедрение его в серийное производство ряда изделий позволило улучшить их электрические характеристики и повысить их на­дёжность[10,11].

Продолжение развития 1-го уровня привело к появлению направления (1.7)  создания индивидуальных систем теплоотвода от тепловыделяющих компонентов и элементов ГИС, которое также нашло применение в производстве изделий[12,13].

Направление (1.8) оптимизации конструкции окон вывода энергии предполагает ис­пользование МПП на диэлектрической подложке и её герметичного закрепления с улуч­шенными электрическими характеристиками за счёт оптимизации геометрии и  свойств, применяемых материалов[14,15,16].

Возможность реализации и использования направлений 1-го уровня обеспечиваются технологическим направлением (1.9), которое соответствует и включает определённые технологические процессы.

Формирование направлений 2-го уровня вызвано необходимостью и возможностью усложнения разрабатываемых и выпускаемых изделий.

Поэтому появление направления (2.1) создания сложных систем теплоотвода от ком­понентов и элементов ГИС, которое предполагает совмещение нескольких способов от­вода тепла за счёт: конвекционного, воздушного и водяного охлаждения [17], является ло­гичным и закономерным.

Появление следующих направлений: направления (2.2) создания промежуточных монтажных уровней в ГИС и направления (2.3) размещения группы кристаллов в фигур­ном углублении в подложке МПП, также логически вытекают из достижений, полученных на 1-м уровне развития техники ГИС СВЧ – диапазона. Иногда можно видеть их совмест­ное использование [18,19,20].

Достижения, полученные на предыдущих направлениях, позволили сформировать направление (2.4) создания полумонолитных (или квазимонолитных) интегральных схем (ПМИС). Появление это направления позволило обобщить наработки предыдущих на­правлений,  определить общие для них отличительные характерные черты и определить промежуточное  положение ПМИС на пути перехода от ГИС к МИС.

Направление (2.5) создания объёмных (многослойных) интегральных схем (ОИС) СВЧ – диапазона появилось ещё в 80-е годы[21], но только сейчас приобретает массовый характер использования. Толчком к этому послужило  развитие технологии создания мно­гослойных толстоплё­ночных плат на основе низкотемпературной керамики (LTCC). В на­стоящее время ряд отечественных и зарубежных предприятий и фирм используют это на­правление для создания РЭА систем радиолокации с активными фазированными антен­ными решётками [22,23].

Перспективным направлением является (2.6) создания двух кристальных полупро­водниковых приборов, например ПТШ, для сложения мощности в усилителях мощно­сти[24,25].

Набирает силу направление (2.7) увеличения степени интеграции навесных компо­нентов ГИС СВЧ – диапазона. Успехи зарубежных специалистов в этом направлении впе­чатляют [26], однако отечественные предприятия также развиваю это направление [27].

Завершает второй уровень развития технологическое направление (2.9) обеспечи­вающее реализацию направлений уровня и соответствующее требованиям настоящего времени.

Накопление опыта формирования направлений развития 1-го и 2-го уровней позво­лило перейти к формированию 3-го уровня конструкторско – технологического развития техники ГИС СВЧ – диапазона.

Направление 3 –го уровня развития  существенно отличаются от предыдущих, пре­жде всего тем, что носят характер более обобщающих  направлений.

Так первое из них (3.1) направление эволюционного развития ГИС СВЧ – диапазона показывает как постепенно, шаг за шагом, в строгой зависимости от появления новых конструктивных и новых технологических возможностей меняется конструкция и техно­логия изготовления типовых фрагментов ГИС[28,29]. Движущей силой этого процесса  является стремление к улучшению характеристик ГИС и изделий на их основе.

Вторым направлением (3.2) стало направление развития компоновочных структур РЭА, которое базируется на достижениях в развитии техники ГИС[30].

Третьим таким обобщающим направлением (3.3) является применение новых мате­риалов в конструкции ГИС. Свойства новых материалов, разумно используемые для дос­тижения улучшения характеристик, позволяют достигать уникальных параметров, как комплектующих полупроводниковых приборов[31], так и для изготовления проводников МПП[32], а также их подложек и систем теплоотвода от тепловыделяющих компонентов.

Естественным завершением 3-го уровня является формирование технологического направления (3.4), которое обеспечивает реализацию направлений по аналогии с преды­дущими уровнями.

Появление 4-го уровня развития ГИС   носит пока характер прогнозирования. Фор­мирование направлений (4.1 и 4.2) основано на понимании важности развития этих на­правлений.  Однако, создание нанотранзисторов с рабочей частотой терагерцового диапазона  в лабораториях зару­бежных  и отечественных компаний[33],  позволяет  надеяться на дальнейшие успехи в этом направлении.

Пятый уровень  развития ГИС СВЧ – диапазона является ещё, более, всеобъемлющим и повторяет формулировку генерального направления развития РЭА[34]. Тем не менее,  анализ опыта  развития и формирования направлений  предыдущих уровней развития ГИС показывает полное соответствие принципу комплексной микроминиатюризации ГИС и РЭА на их основе.

Появление такой иерархической системы  позволяет проследить этапы развития об­щего направления развития ГИС СВЧ – диапазона, а также логическую последователь­ность развития от формирования отдельных простых направлений к созданию сначала уровней из них, а затем формирования технологического направления обеспечивающего их воспроизведение. Соединение отдельных, сравнительно простых,  технических решений в более сложные способствует появлению  эффективных, достаточно сложных, конструкторско – технологических направлений, обеспечивающих значительное улучшение электрических, тепловых, массогабаритных и надёжностных характеристик, а также повышение технологичности ГИС.

Очевидно, что перечень направлений, как первого, так и последующих уровней, не являются полными и окончательными. Они могут быть дополнены другими направле­ниями, например направлением создания диэлектрических интегральных схем и другими.

Такая систематизация позволяет не только  проследить общий  путь развития техники ГИС СВЧ – диапазона, но и проследить эволюционный путь модернизации отдельных фрагментов ГИС.

Анализ структуры, представленной на Рис.1 позволяет выделить отдельные уровни развития конструкции ГИС, обеспечивающиеся соответствующими уровнями развития технологии. И,на оборот, проследить, как развитие технологии способствует совершенствованию конструкции ГИС. Кроме того,  из разработанной системы также следует, что успехи в изучении свойств и использовании новых материалов для модернизации  конструкции отдельных частей, оказывают заметное  влияние на развитие ГИС.

3.Заключение.

В результате анализа отдельных  технических решений и формирования из них основных конструкторско – технологических направлений развития техники ГИС СВЧ — диапазона и на их основе уровней развития  ГИС, соответствующих определённому  уровню технологии, сформирована иерархическая шести уровневая система.  Она предполагает последовательное эволюционное  развитие  ГИС по пути комплексной микроминиатюризации. Такая направленность соответствует общей тенденции развития РЭА. Наличие в разработанной системе в третьем уровне направления развития компоновочных  структур  РЭА на базе новых конструкций ГИС показывает  эту связь. Наличие в системе четвёртого  прогнозируемого уровня базируется на успехах, достигнутых в области  нанотехнологии.

Практической ценностью  разработанной системы  является упрощение оценки технического уровня современных разработок, а также ориентация разработчиков на перспективные конструкторско – технологические направления развития ГИС СВЧ — диапазона.

 

Список литературы:

1. Иовдальский В.А., Павельева О.Х., Золотарева Н.С, Гладченко И.М., Лесницкий А.А. Разра­ботка серийной  технологии  группового изготовления  микрополосковых  плат  с целью сниже­ния трудоёмкости,  сокращения  расхода  материалов  и   химических реактивов. НТО №334,  з-д «Рений»,  НПО «Исток», г. Фрязино, УДК 621.3.048.776.002, И-76, 17174/РМ,  1985 г., 125 стр.
2. Мурсков А.Ф., Савцова А.Ф., Иовдальский В.А., Золотарёва Н.С. Модули СВЧ интегральные. Требования к конструированию микрополоско­вых плат. СТП ТСО.010.013-86, НПО «Исток» г. Фрязино, введён в действие с 1.01.86г.
3. Мурсков А.Ф., Савцова А.Ф., Климачёв И.И., Иовдальский В.А., Северюхина Л.И. Модули СВЧ интегральные. Требования к конструированию микрополоско­вых плат. РД110751-90. Отраслевой руководящий документ. Дата введения 1.01.91г. Введен в действие приказом №190 от 4.06.90г. 1ГУ МЭП СССР. УДК.621.3.049.77.001.2. группа Т52.
4. Иовдальский В.А. Конструкция и технология конденсаторов для ГИС СВЧ // Электронная техника. Сер.1 СВЧ-техника, Вып.1(485)., 2005г., стр.34- 44.
5. А.с. СССР  №1667571 Гибридная интегральная схема СВЧ /Иовдальский В.А., Темнов А.М. – Приоритет 2.06.89г.
6. Иовдальский В.А. Разработка и исследование перспективных СВЧ – микросборок с заглубленными компонентами. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. ГНПП «Исток», г. Фрязино, 1998г.
7. Патент №2148874 РФ, МКИ⁷ Н01 L 27/02, 25/16. Многослойная гибридная интегральная схема СВЧ и КВЧ диапазонов / Иовдальский В.А., Буданов В.Н., Яшин А.А., Кандлин В.В. – Приоритет 10.10.1996г.
8. Встроенные активные компоненты // Технологии в электронной промышленности. – 2009г. – №7.
9. Иовдальский В.А. Концепция применения металлических вставок в диэлектрической подложке ГИС СВЧ  // Электронная техника. Сер.1, СВЧ – техника, Вып.1(489), 2007г. с.58 – 69. ISBN 1990-9012.
10. Иовдальский В.А., Пчелин В.А., Моргунов В.Г., Васильев В.И. Применение выводных рамок полупроводниковых приборов в технологии ГИС СВЧ//Электронная техника. Сер.1 СВЧ — техника, Вып.1(479), 2002г., с.57-61.
11. Иовдальский В.А., Виноградов В.Г., Молдованов Ю.И., Моргунов В.Г. Применение выводных рамок балочных выводов полупроводниковых приборов для улучшения характеристик ГИС СВЧ // Электронная техника, Сер.1,СВЧ-техника, Вып.2(486), 2005г., стр.27- 33.
12. А.с.  СССР  №1694021. Гибридная интегральная схема СВЧ / Иовдальский В.А., Молдованов Ю.И., Ануфриев А.Н. – Приоритет 28.07.89г.
13. Объёмные приёмопередающие СВЧ – модули // Новости СВЧ – техники: информационный сб. – Фрязино: «ФГУП «НПП «Исток», 2006, №4, с.3-8.
14. Патент РФ № 2260881. Окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов / Криворучко В.И., Иовдальский В.А., Чепурных И.П., Силин Р.А., приоритет 12.08.03г.
15. Криворучко В.И., Иовдальский В.А., Тараскина Л.П., Щеглова И.А., Савон Е.Н., Литвиненко Н.П. Способ изготовления окна вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов. Патент РФ № 2285313. Приоритет 26.04.04г.
16. Криворучко В.И., Иовдальский В.А. Окно вывода энергии электронных СВЧ приборов // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: 13-я Международная Крымская конференция «Крымико 2003», 8-12 сентября 2003г., г. Севастополь. Материалы конференции, с .564-565.
17. Патент РФ № 2185687, МКИ⁷  Н 01L 27/02, 25/16/ Мощная гибридная интегральная схема СВЧ – диапазона / Иовдальский В.А. – Приоритет 10.10.1996г.
18. Климачёв И.И., Иовдальский В.А. СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования/Под  ред. А.Н. Королёва, М.: Техносфера, 2006г. с.223-229.
19. Патент РФ № 2025822, МКИ⁵ Н01 L 21/00. Гибридная интегральная схема/Иовдальский В.А., Рыжик Э.И., Тархов Б.А.–Опубл. 30.12.94г., Бюл. №24.
20. Иовдальский В.А. Перспективы развития гибридных интегральных схем СВЧ – диапазона // «100 лекций по повышению квалификации ИТР». Том.2.Твердотельные приборы и  гибридно-монолитные устройства на их основе, г. Фрязино, ФГУП «НПП «Исток», 2004, с.126 – 160.
21. Гвоздев В.И., Нефёдов Е.И. Объёмные интегральные схемы СВЧ. – М.: Наука, 1985.
22. Щербаков С.В. Проблемы унификации электронных СВЧ компонентов твердотельных АФАР//Материалы 16-го координационного научно– технического семинара по СВЧ технике. – Нижний Новгород, 2009г., с.156.
23. Бортовые АФАР // Новости СВЧ – техники, изд. «ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино2006, №6. – с.1-4.
24. Патент РФ № 22982550.  Мощная гибридная интегральная схема СВЧ – диапазона / Иовдальский В.А., Пчелин В.А., Лапин В.Г., Моргунов В.Г. – Приоритет 12.08.05г.
25. Иовдальский В.А., Пчелин В.А., Лапин В.Г. Составной двухъярусный транзистор для усилителей мощности СВЧ – диапазона // Электронная техника. Сер.1, СВЧ – техника, Вып.4(507), 2010г., с. 65 – 71.
26. Новый подход к проектированию недорогих приёмопередающих модулей АФАР // Новости СВЧ — техники,  изд. «ФГУП «НПП «Исток»,  г. Фрязино, 2010, №8, с.15-23).
27. Темнов А.М., Дудинов К.В., Красник В.А., Богданов Ю.М., Крутов А.В.,Лапин В.Г., Щербаков С.В. Комплект широкополосных СВЧ – микросхем на гетероструктурах А³В⁵ для ППМ  АФАР  Х – диапазона // «Электронная техника», Сер.1,СВЧ–техника, Вып.2(505), 2010г., с.30 — 49.
28. Иовдальский В.А. Эволюция конструкции типовых фрагментов ГИС СВЧ//Электронная техника. Сер.1,СВЧ–техника, Вып.1(489), 2007г. с.38-45.
29. Иовдальский В.А. Совершенствование конструкции типового фрагмента ГИС СВЧ – диапазона // Электронная техника. Сер.1, СВЧ – техника, Вып.3(506), 2010г., с.25 – 30.
30. Иовдальский В.А. Концепция конструктивно-технологического синтеза новых компоновочных моделей микроэлектронной аппаратуры на основе ГИС СВЧ // Электронная техника. Сер.1, СВЧ – техника, Вып.1(487), 2006г., с.77 – 86.
31. Алмаз – перспективный материал СВЧ – электроники // Новости СВЧ – техники, изд. «ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино, 2005, №5, с.26 – 29.).
32. Тагер А.С., Азизов А.В, Балыко А.К., Гусельников Н.А., Иовдальский В.А., Земляков В.Е. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование фильтров СВЧ на основе выскотемпературных сверхпроводящих материалов // Электронная техника. Сер.1., СВЧ – техника. Вып.2(468), 1996г., с.19-25.
33. Нанотранзисторы – новые источники терагерцового излучения // Новости СВЧ – техники, изд. «ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино,2004, №6, с.14-15.
34. Конструирование и расчёт  БГИС,  микросборок и аппаратуры на их основе / Под ред. Высоцкого Б.Ф. – М.: Радио и связь, 1981. С.5-7.[schema type=»book» name=»СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ ГИС СВЧ – ДИАПАЗОНА» description=»На основании изучения опыта разработок отечественных и зарубежных специалистов сформированы основные конструкторско – технологические направления совершенствования ГИС СВЧ — диапазона. Их анализ привёл к объединению этих направлений в группы (уровни) соответствия по сложно-сти, значимости для улучшения характеристик, технологической близости, времени создания и логичности в последовательности разработки. На основе этих групп или уровней создана иерархическая система конструкторско — техно¬логического развития техники ГИС СВЧ – диапазона.» author=»Иовдальский Виктор Анатольевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-27″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]