Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 10 )

Вероятность возникновения очень многих типов де­фектов зависит от площади кристалла. Очевидно, что и число появляющихся бракованных структур также увеличивается с увеличением площади структуры. При этом в ряде случаев можно говорить, что какой-то тип дефектов, приводящий, скажем, к полному браку, по­является с определенной вероятностью, соответствую­щей какому-то конкретному числу дефектов на едини­цу площади. С увеличением площади структуры насту­пит момент, когда вероятность попадания дефекта на каждую структуру приближается к единице. Тогда вы­ход годных структур будет практически равен нулю. Иначе говоря, с увеличением площади транзисторной структуры процент выхода годных структур может па­дать очень резко. Относительно низкий процент выхода годных структур — это серьезнейшее препятствие на пути разработки и производства мощных ВЧ транзисто­ров, представляющих собой сложнейшие полупровод­никовые приборы, не уступающие по числу элементов (достигающему нескольких тысяч) большим интеграль­ным схемам, а по требованиям к идентичности и к свой­ствам этих элементов превосходящие их.

Итак, к технологии изготовления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзисторов предъявляются очень высокие требования. В то же время уровень тех­нологии является во многих случаях определяющим и для достижения требуемых значений параметров изго­товляемых структур, и приемлемого выхода годных. Уровень технологии — очень существенный фактор обеспечения достаточно высокой надежности мощных ВЧ транзисторов.

2.2. ТРЕБОВАНИЯ К КОРПУСАМ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Перечислим основные требования к корпусам мощных ВЧ транзисторов. Корпуса должны:

1. Обладать малыми паразитной индуктивностью выводов и межэлектродной емкостью. Это необходимо для обеспечения высо­кой рабочей частоты, достаточно высокого коэффициента усиления ВЧ мощности, необходимой широкополосности и малого коэффициента подавления комбинационных частот (последние два требова­ния относятся к транзисторам, предназначенным для линейных ши­рокополосных усилителей).

2.  Иметь выводы, изолированные от теплоотводящего основания корпуса. Без выполнения этого требования значительно затрудняет­ся создание ВЧ усилителей.

3.  Обладать малым тепловым сопротивлением, так как от со­временных мощных ВЧ транзисторов приходится отводить десятки и даже сотни ватт выделяющейся в них мощности. Это требование особенно трудно выполнить в связи с тем, что площадь источника выделения тепла, т. е. разогретого кристалла, несмотря на принятые меры (создание на кристалле большого числа разнесенных струк­тур), намного меньше, чем у НЧ мощных транзисторов с такой же рассеиваемой мощностью, а также в связи с тем, что транзисторная структура в этих приборах электрически изолируется от монтажной части корпуса, через которую идет отвод тепла во внешнюю среду,

4.  Обеспечивать в том месте, куда монтируется кристалл, бли­зость коэффициентов теплового расширения кристалла и кремния. Без этого нельзя обеспечить механическую прочность прибора, а так­же устойчивость его к циклическим температурным и термоэлектри­ческим нагрузкам.

5.  Обеспечивать герметичность того объема, в котором размеща­ется кристалл. Это связано с тем, что прибор должен длительно вы­держивать воздействие окружающей среды во всем диапазоне ра­бочих температур, в том числе и в условиях высокой влажности.

Среди этих требований для мощных ВЧ транзисторов специ­фичны первые три. Разрешить их удалось благодаря уникальному сочетанию свойств окиси бериллия, обладающей высокой теплопро­водностью, близкой к теплопроводности металлов, и в то же время являющейся диэлектриком. Керамика, созданная на основе окиси бериллия, имеет очень малый коэффициент теплового расширения, довольно близкий к коэффициенту расширения кремния.

В последнее время появляются сведения о том, что ведутся ра­боты по использованию еще одного вещества, обладающего подоб­ными свойствами, а именно нитрида алюминия. Кроме того, есть сведения об использовании в качестве диэлектрических теплопрово-дящих подложек материалов на основе алмаза.

Рассмотрим теперь конструкции некоторых типов корпусов, используемых для сборки мощных ВЧ транзисторов. Один из пер­вых корпусов, в которые начали собирать мощные ВЧ транзисто­ры, — корпус типа КТ4. Основа корпуса — монтажное основание (диск из керамики на основе окиси бериллия), на которое должен напаиваться кристалл с транзисторной структурой. Керамическое основание напаивается высокотемпературным припоем на медный фланец с монтажным винтом. Чтобы можно было осуществить эту напайку, на керамическом диске предварительно создается металли­зация. Для этого на нижнюю сторону керамики наносится молиб-дено-марганцевая паста, которая вжигается при высокой температу­ре, а затем никелируется. На верхнюю сторону через трафарет так­же наносится рисунок из молибдено-марганцевой пасты. К различ­ным областям этого рисунка одновременно с напайкой диска на фланец припаиваются штыревые выводы эмиттера, базы и коллек­тора. Металлизированные области на керамике служат для монтажа кристалла (с этой областью связан коллекторный штыревой вывод) и для приварки внутренних проволочных выводов эмиттера и базы, идущих от кристалла (с этими областями связаны эмиттерный и базовый штыревые выводы). Фланец с керамическим основанием и собранным на нем кристаллом герметизируют баллоном, представ­ляющим собой металлический цилиндр с керамической крышкой, в сквозные отверстия которой впаяны металлические трубки, за­крытые с верхнего конца. При одевании баллона на фланец штыре­вые выводы эмиттера, базы и коллектора входят в эти трубки. После герметизации трубки обжимаются вокруг выводов для на­дежного электрического контакта между внешними и внутренними выводами.

4 показан на рис. 2.3. В него собирают приборы с мощностью рассеяния до 20 Вт. Для сборки более мощных при­боров, например с мощностью рассеяния до 100 Вт, используется корпус КТ7, имеющий ту же конструкцию, но большие габариты. В корпусах КТ4 и К. Т7 обеспечиваются изоляция всех выводов от монтажного фланца, механическая прочность места соединения кри­сталла с керамическим основанием, высокая герметичность и сравни­тельно невысокое тепловое сопротивление. При создании этих кор­пусов возникла проблема обеспечения прочности соединения керами­ки с монтажным фланцем. Дело в том, что монтажный фланец изготовляется из меди, коэффициент термического расширения кото­рой во много раз больше, чем коэффициент расширения керамики на основе окиси бериллия. Уже при охлаждении от точки затвер­девания припоя, которым керамика напаивается на фланец, до ком-натной температуры в керамике и меди, а также в соединяющем их припое возникают значительные механические напряжения. Проч­ность припоя и меди достаточно высоки для того, чтобы выдержать эти напряжения. Что же касается керамики, то возникающие в ней напряжения могут оказаться близкими к пределу прочности и она может разрушаться или сразу после пайки, или при последующей. резкой циклической смене температур. Чтобы предотвратить разру­шение керамики, приходится припаивать ее к фланцу не по всей площади, а делать на фланце в центре специальное возвышение, диаметр которого намного меньше диаметра керамики, но превосхо-,дит размеры монтируемого в корпусе кристалла. В результате теп­ловое сопротивление такой конструкции возрастает незначительно, а механическая прочность возрастает существенным образом, так как площадь, по которой соединены керамика и фланец, уменьшает­ся в несколько раз.

Мощные ВЧ транзисторы с корпусами К. Т4 и КТ7 используются в резонансных усилителях. В мощных же ВЧ широкополосных уси­лителях их эффективно использовать нельзя, поскольку индуктив­ность выводов в этих корпусах слишком велика. В широкополосных устройствах пришлось перейти к другим конструкциям корпусов, выводы которых обладали бы меньшей индуктивностью, а именно к конструкциям, используемым для сборки мощных СВЧ транзисто­ров. Эти конструкции, рассчитанные для работы на частотах 0,2 — 1 ГГц, характеризуются малой индуктивностью выводов и безуслов­но пригодны для создания ВЧ широкополосных устройств, работаю­щих на частотах до 100 МГц. Это корпуса типов КТ17 — КТ19, КТЗО и К. Т31. Основа корпусов — диск из керамики на основе окиси бе­риллия, похожий на аналогичные диски в корпусах КТ4 и КТ7. Снизу к такому диску припаивается медный фланец с монтажным винтом (в корпусах КТ17 — К. Т19) или плоский медный фланец с двумя отверстиями для крепления (в корпусах КТЗО и КТ31).

Корпуса КТ17 и КТЗО предназначены для приборов, рассеивающих мощность до 40 Вт, корпуса КТ18 — до 140 Вт, корпуса КТ31 — до 200 Вт и корпуса КТ19 — до 300 Вт.

На рис. 2.4 показан наиболее мощный корпус из этой серии — КТ19 (рисунок металлизации на керамическом основании показан множеством точек). С краев к металлизированным областям при-лаяны четыре малоиндуктивных ленточных вывода, расположенных сод прямыми углами. Одна пара выводов, расположенных с проти­воположных сторон основания, — это выводы коллектора и базы, а другая пара — эмиттерные выводы. Корпус имеет два эмиттерных вывода, чтобы их индуктивность была минимальна. Герметизируют­ся все корпуса этой серии с помощью крышечки из алюмооксидной керамики, приклеиваемой к основанию. По сравнению с корпусами КТ4 и КТ7 корпуса с малоиндуктивными ленточными выводами обладают лучшими электрическими характеристиками и примерно одинаковыми тепловыми и механическими.

Рис. 2.3. Корпус КТ4

Рис. 2.4. Корпус КТ19

Конструкции с паяными и сварными соединениями более на­дежны с точки зрения герметичности, чем конструкции с герметизи­рующим клеевым швом. Для удешевления приборов и упрощения технологии ряд зарубежных фирм вместо приклейки керамических крышек использует для герметизации заливку кристаллов, собран­ных на основании из оксибериллиевой керамики, пластмассой. При­боры, герметизированные пластмассой, могут использоваться в аппа­ратуре, от которой не требуется высокая стойкость к внешним воздействиям или которая герметизируется целиком после сборки.