CC BY
32
СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ ГИС СВЧ - ДИАПАЗОНА
Иовдальский Виктор Анатольевич
Доктор технических наук, доцент МИРЭА, г. Фрязино
АННОТАЦИЯ
На основании изучения опыта разработок отечественных и зарубежных спе-циалистов сформированы основные кон-структорско - 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.
ABSTRACT
On the basis of Sudying the experience of dome^ic and foreign speciali^s' de-velopments the main designing-techno-logical directions of microwave HIC pro-cess rationalization were defined. The analysis of these directions resulted in combining them into groups (levels) of correspondence in complexity and signifi-cance for improving characterises, technological proximity, time of creation and consi^ency in the development sequence. Hierarchical sy&em of design-ing-technological development of microwave HIC process was created.
Ключевые слова: основные конструкторско - технологические направления совершенст-вования ГИС СВЧ - диапазона, иерархическая система, уровни сложности направлений развития, анализ мирового уровня знаний; улуч-шение элек-три-ческих, тепловых, массогабаритных и надёжностных характеристик.
Keywords: designing-technological direction, microwave HIC rationalization, hierarchical sy&em, complexity level of the development directions, analysis of the knowledge world level, improvement of electri-cal, thermal, dimensional and reli-ability characterises.
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 - тех-нологических решений обуславливает стремление к их анализу, сравнению по эффективности достижения поставленных целей улучшения характери-стик, выявления общих закономерностей развития, прогнозирования путей дальнейшего развития. Это важно как с научной точки зрения, так и с пози-ций 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 направ-лению и строго определённой концепции развития. Вместе с этим они ис-пользуют один (или несколько близких) физических конструктивных прин-ципов, соответствующих состоянию развития техники на строго опреде-лён-ный момент времени. Выбор направлений не является случайным, обуслав-ливается стремлением специалистов к улучшению характеристик вполне кон-кретных изделий, и является результатом глубокого анализа мирового уров-ня знаний. На Рис. 1. представлена структура системы направлений кон-структорско - технологического развития техники ГИС СВЧ - диапазона.
3-й
Рис. 1. Система основных конструкторско-технологических направлений развития техники ГИС СВЧ диапа-зона.
Анализ структуры системы показывает, что на начальном этапе (0-й уровень) соот-ветствующему уровню техники 80-х годов, превалировал кон-структивный вариант(0.1) с использованием корпусированных полупровод-никовых приборов и керамических конден-саторов (типа К-10-17), Они ме-тодом пайки устанавливались на поверхности платы или в специальных от-верстиях, прошитых в подложке платы. Данному нулевому уровню разви-тия соответствовал определённый уровень технологии (0.2). Для данного уровня (0.2) характерно изготовление микрополосковых плат (МММ) 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 боль-шого ассортимента оснастки, повышенному расходу стеклозаготовок для из-готовления фотошаблонов и химических реактивов. Структура металлизации МММ не была оптимизирована и не имела корреляции с применяемыми тем-пературными режимами сборки. Выводы корпусированных полупроводни-ковых приборов и конденсаторов припаивались к проводникам платы пай-кой микропаяльником.
В конце 80-х годов на смену этому варианту пришёл вариант конструк-ции ГИС с использованием бескорпусных кристаллов полупроводнико-вых приборов(1.3), устанавливаемых на поверхно-сти платы, с последующим размещением ГИС в герметичном металлическом корпусе, за--полненным осушенным аргоном. Значение появления этого конструктивного варианта стало значительным, поскольку исключение из схемы паразитных парамет-ров корпусов полупроводниковых приборов позволило суще-ственно улучшить электрические и массогабаритные характеристики.
Однако реализация этого варианта потребовала изменения технологии монтажа активных компонентов на плату, повышения температуры сбороч-ных процессов, модернизации конструкции металлизации МММ и конденса-торов, технологии их изготовления. Ситуация на предприятиях
страны сло-жилась 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. Лереход на использование бескорпусных кристаллов полупроводниковых приборов потребовал при-менения более высокотемпературных процессов микросварки, а это, в свою очередь, к изменению структуры металлизации МММ. Моэтому логически правильным было начинать работу по модернизации ГИС и переходу на но-вый -1-ый уровень развития именно с модернизации конструкции и техноло-гии МММ (направление 1.1). Результаты этих работ изложены в работах [1,2], внедрены в серийное производство МММ во ФГУМ «НММ «Исток» и рекомендованы для применения в серийном производстве предприятий от-расли[3].
Вторым направлением развития 1-го уровня явилось направление (1.2) совершенст-вования конструкции конденсаторов для ГИС. Развитие этого направления затянулось на десятилетия, поскольку появление новых кон-структивных возможностей приводило к по-явлению новых конструкций кон-денсаторов. Сначала появились чип - конденсаторы в виде отдельных крем-ниевых или керамических кристаллов размером (0,5х0,5х0,3мм) .... (1х2х0,3мм), которые устанавливались на металлизированных посадочных площадках на поверхности платы. Далее конденсаторы начали изго-тавли-вать плёночными в составе топологического рисунка МММ. А затем появи-лись 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 технологи-ческих методов их изготовления. Развитие этого (1.2) направления также способствовало дальнейшему
развитию техники ГИС и реализации направ-лений (1.3) и следующих за ним.
Третьим, крайне важным, направлением (1.4) явилось встраивание в подложку на-весных компонентов или расположение кристаллов полупро-водниковых приборов в уг-лублениях, выполненных в поверхности подложки МПП [5,6]. В результате реализации этого конструктивного направления в серийном производстве на отечественных и зару-бежных предприятиях [7,8] удалось одновременно улучшить электрические, тепловые и массогабарит-ные характеристики, по сравнению с предшествующим (1.3) вариантом.
Стремление улучшения теплоотвода от компонентов ГИС привело к по-явлению направления встраивания в подложку МПП металлических вставок - направление (1.5)[9]. Использование этого конструктивно - технологиче-ского варианта позволило получить дополнительные возможности улучше-ния характеристик ГИС.
Появление следующего направления (1.6) применения плоских внут-рисхемных со-единений из гальванически осаждаемого золота и внедрение его в серийное производство ряда изделий позволило улучшить их электри-ческие характеристики и повысить их на-дёжность[10,11].
Продолжение развития 1-го уровня привело к появлению направления (1.7) создания индивидуальных систем те-плоотвода от тепловыделяющих компонентов и элементов ГИС, которое также нашло применение в произ-водстве из-делий[12,13].
Направление (1.8) оптимизации конструкции окон вывода энергии пред-полагает ис-пользование МПП на диэлектрической подложке и её герметич-ного закрепления с улуч-шенными электрическими характеристиками за счёт оптимизации геометрии и свойств, применяемых материа-лов[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 тепло-отвода от ком-понентов и элементов ГИС, которое предполагает совмещение нескольких способов от-вода тепла за счёт: конвекционного, воздушного и водяного охлаждения [17], является ло-гичным и закономерным.
Появление следующих направлений: направления (2.2) создания проме-жуточных монтажных уровней в ГИС и направления (2.3) размещения груп-пы кристаллов в фигур-ном углублении в подложке МПП, также логически вытекают из достижений, полученных на 1-м уровне развития техники ГИС СВЧ - диапазона. Иногда можно видеть их совмест-ное использование [18,19,20].
Достижения, полученные на предыдущих направлениях, позволили сформировать направление (2.4) создания полумонолитных (или квазимоно-литных) интегральных схем (ПМИС). Появление это направления позволило обобщить наработки предыдущих на-правлений, 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 сей-час приобретает массовый характер использования. Толчком к этому послу-жило развитие технологии создания мно-гослойных толстоплё-ноч-ных плат на основе низкотемпературной керамики (ЬТСС). В на-стоящее время ряд отечественных и зарубежных предприятий и фирм используют это на-правление для создания РЭА систем радиолокации с активными фазирован-ными антен-ными решётками [22,23].
Перспективным направлением является (2.6) создания двух кристальных полупро-водниковых приборов, например ПТШ, для сложения мощности в усилителях мощно--сти[24,25].
Набирает силу направление (2.7) увеличения степени интеграции навес-ных компо-нентов ГИС СВЧ - диапазона. Успехи зарубежных специалистов в этом направлении впе--чатляют [26], однако отечественные предприятия также развиваю это направление [27].
Завершает второй уровень развития технологическое направление (2.9) обеспечи-вающее реализацию направлений уровня и соответствующее требо-ваниям настоящего времени.
Накопление опыта формирования направлений развития 1-го и 2-го уровней позво-лило перейти к формированию 3-го уровня конструкторско - технологического развития техники ГИС СВЧ - диапазона.
Направление 3 -го уровня развития существенно отличаются от преды-дущих, пре-жде всего тем, что носят характер более обобщающих направле-ний.
Так первое из них (3.1) направление эволюционного развития ГИС СВЧ - диапазона показывает как постепенно, шаг за шагом, в строгой зависимо-сти от появления новых конструктивных и новых технологических возмож-ностей меняется конструкция и техно-логия изготовления типовых фрагмен-тов 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 компоновоч-ных структур РЭА, которое базируется на достижениях в развитии техники ГИС[30].
Третьим таким обобщающим направлением (3.3) является применение новых мате-риалов в конструкции ГИС. Свойства новых материалов, разум-но используемые для до-с-тижения улучшения характеристик, позволяют до-стигать 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 техно-логического направления (3.4), которое обеспечивает реализацию направле-ний по аналогии с пре-ды-дущими уровнями.
Появление 4-го уровня развития ГИС носит пока характер прогнози-рования. Фор-мирование направлений (4.1 и 4.2) основано на понимании важности развития этих на-правлений. Однако, создание нанотранзисторов с рабочей частотой терагерцового диапазона в лабораториях за-ру-бежных 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 раз-вития 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 об-щего направления развития ГИС СВЧ - диапазона, а также ло-гическую последова-тель-ность развития от формирования отдельных про-стых направлений к созданию сначала уровней из них, а затем формирова-ния технологического направления обеспечивающего их воспроизведение. Соединение отдельных, сравнительно простых, технических решений в бо-лее сложные способствует появлению эффективных, достаточно сложных, конструкторско - технологических направлений, обеспечивающих значи-тельное улучшение электрических, тепловых, массогабаритных и надёжност-ных характеристик, а также повышение технологичности ГИС.
Очевидно, что перечень направлений, как первого, так и последующих уровней, не являются полными и окончательными. Они могут быть дополне-ны другими направле--ниями, например направлением создания диэлектриче-ских интегральных схем и другими.
Такая систематизация позволяет не только проследить общий путь раз-вития техники ГИС СВЧ - диапазона, но и проследить эволюционный путь модернизации отдельных фрагментов ГИС.
Анализ структуры, представленной на Рис.1 позволяет выделить от-дельные уровни развития конструкции ГИС, обеспечивающиеся соответ-ствующими 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.
З.Заключение.
В результате анализа отдельных технических решений и формирова-ния из них основных конструкторско - технологических направлений разви-тия техники ГИС СВЧ - диапазона и на их основе уровней развития ГИС, соответствующих определённому уровню технологии, сформирована иерархическая шести уровневая система. Она предполагает последователь-ное эволюционное развитие ГИС по пути комплексной микроминиатюриза-ции. 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 базирует-ся 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 направ-ле-ния развития ГИС СВЧ - диапазона.
Список литературы:
1. Иовдальский В.А., Павельева О.Х., Золотарева Н.С, Гладченко И.М., Лесницкий А.А. Разра-ботка серийной технологии группового изго-товления микрополосковых плат с целью сниже-ния трудоёмкости, сокращения расхо-
да 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 микропо-лоско-вых плат. СТП ТСО.010.013-86, НПО «Исток» г. Фрязино, вве-дён в действие с 1.01.86г.
3. Мурсков А.Ф., Савцова А.Ф., Климачёв И.И., Иовдальский В.А., Севе-рюхина Л.И. Модули СВЧ интегральные. Требования к конструирова-нию микрополоско-вых 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 соиска-ние учёной степени кандидата технических наук. ГНПП «Исток», г. Фрязино, 1998г.
7. Патент №2148874 РФ, МКИ7 Н01 L 27/02, 25/16. Многослойная ги-бридная интегральная схема СВЧ и КВЧ диапазонов / Иовдальский В.А., Буданов В.Н., Яшин А.А., Кан-длин В.В. - Приоритет 10.10.1996г.
8. Встроенные активные компоненты // Технологии в электронной про-мышленности. - 2009г. - №7.
9. Иовдальский В.А. Концепция применения металлических вставок в ди-электрической 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 техно-логии 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., Моргу-нов В.Г. Применение выводных рамок балочных выводов полупро-водниковых 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 элек-тронных 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 элек-тронных СВЧ приборов // СВЧ техника и телекоммуникационные тех-нологии: 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 ги-бридная 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 инте-гральная схема/Иовдальский В.А., Рыжик Э.И., Тархов Б.А.-Опубл. 30.12.94г., Бюл. №24.
20. Иовдальский В.А. Перспективы развития гибридных интеграль-ных схем СВЧ - диапазона // «100 лекций по повышению квалифика-ции 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 ком-понентов 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., Пче-лин В.А., Лапин В.Г., Мор-гунов В.Г. - Приоритет 12.08.05г.
25. Иовдальский В.А., Пчелин В.А., Лапин В.Г. Составной двухъ-ярусный 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., Кру-тов 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 эксперимен-тальное 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.
