Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 11 )

В корпусе КТ19 могут собираться приборы, рассеивающие мощ­ность до 300 Вт. Такую мощность они могут рассеивать, только если коллекторный переход в кристалле работает при температуре, равной 200 °С, т. е. при предельно допустимой температуре, и если от корпуса осуществляется идеальный отвод тепла, т. е. его темпе­ратура равна 25°С. Иначе говоря, тепловое сопротивление прибо­ров в корпусе К. Т19 (между переходом и монтажной поверхностью фланца) не может быть сделано меньше, чем 01,6°С/Вт. Если же мы хотим работать не при предельной температуре перехода, а, скажем, на 25° ниже и если отвод тепла осуществляется путем прижатия корпуса к охлаждаемому теплоотводу, то мощность, рассеиваемая прибором в корпусе К. Т19, не превысит 190 Вт. (Тепловое сопротив­ление между этим корпусом и теплоотводом, к которому он при­жимается, не может быть меньше, чем 0,2 °С/Вт.)

Для более мощных приборов корпуса, подобные КТ19, нельзя считать перспективными, так как дальнейшее увеличение диаметров керамического основания и столика, на который оно припаивается, не позволит обеспечить в керамике безопасный уровень механиче­ских напряжений. Рассчитывать на эффективный отвод мощности около 300 — 400 Вт и выше при не слишком высоких температурах кремниевого кристалла можно, только если использовать для охлаж­дения жидкость, протекающую непосредственно над кристаллом (например, фреон), или если создавать корпуса, непосредственно охлаждаемые водой. Подобный корпус был описан в [21], где со­общается о разработке транзистора, предназначенного для работы в диапазоне 1,5 — 30 МГц, отдающего и рассеивающего мощность до 500 Вт. Охлаждение этого корпуса осуществляется потоком воды, проходящей под давлением 3 атм. мимо медных ребер, расположен­ных непосредственно под тонкой медной пластиной, на которую на­паяны прокладки из оксибериллиевой керамики со смонтированными на них кристаллами.

На практике не удается полностью использовать тепловые и электрические характеристики, которыми обладает полупроводнико­вый кристалл с созданной в нем транзисторной структурой. Следую­щим шагом в этом направлении может явиться создание гибридных интегральных схем линейных широкополосных ВЧ усилителей, куда непосредственно будут монтироваться на теплопроводящую подлож­ку кристаллы со структурами мощных ВЧ транзисторов (так назы­ваемые бескорпусные транзисторы). Однако это возможно при на­дежной герметизации блока усилителя и когда можно без проверки считать, что структура обладает всеми необходимыми ВЧ парамет­рами. Современный уровень технологии не позволяет обойтись без проверки ВЧ параметров на стадии изготовления приборов. Поэтому в качестве подходящего решения следует рекомендовать создание так называемых малокорпусных транзисторов — подложек из окси­бериллиевой керамики с ленточными выводами, на которые вмонти­рованы кристаллы и которые герметизированы с помощью крышечек. Такие подложки могут прямо припаиваться к теплоотводящим пла­там, на которых смонтированы гибридные ВЧ усилители.

В отличие от бескорпусных транзисторов, малокорпусные могут быть предварительно проверены по всем основным электрическим параметрам. В то же время они герметичны и по своим габаритам существенно меньше обычных мощных ВЧ транзисторов с монтаж­ными винтами или фланцами.

2.3. ОСОБЕННОСТИ СБОРКИ

Итак, одно из существенных требований, предъявляемых К конструкциям корпусов ВЧ транзисторов, заключается в том, что кристалл, собранный в корпус, не должен потерять те потенциальные возможности, которые в нем заложены. Это же требование в полной мере относится и к сборке кристаллов в корпуса: сборка должна обеспечивать максимальную реализацию потенциальных возможно­стей, заложенных в транзисторной структуре.

Сборка включает в себя две операции — напайку кристаллов на основание из оксибериллиевой керамики и монтаж внутренних вы­водов. При напайке кристаллов на основание необходимо, во-пер-вых, обеспечивать, чтобы тепловое сопротивление, вносимое пере­ходными слоями, было минимальным, и, во-вторых, не допускать появления под кристаллом участков, через которые поток тепла был бы затруднен.

При сборке мощных ВЧ транзисторов практически никогда не используются мягкие припои, так как они не обладают высокой теп­лопроводностью и, помимо этого, очень трудно получать при пайке достаточно тонкий слой мягкого припоя. Пайку осуществляют с по­мощью эвтектического сплава золото — кремний или с помощью прокладок из чистого золота. В первом случае нижнюю поверхность кристалла и тот участок металлизации керамического основания, на который напаивается кристалл, предварительно покрывают золотом (с подслоем никеля). Пайку проводят при температуре 400 — 450°С в атмосфере инертного газа (температура плавления эвтектики золо­то — кремний — около 370 °С). Во втором случае нижнюю сторону кристалла ничем не покрывают. При механическом взаимодействии кристалла кремния и золотой прокладки, нагретых до 450 °С, обра­зуется покрывающий нижнюю сторону кристалла слой эвтектики, ко­торый облуживает затем и покрытую золотом металлизацию кера­мического основания. Тепловое сопротивление эвтектического сплава золото — кремний сравнительно невелико, но для того, чтобы пере­ходное тепловое сопротивление между кристаллом и основанием было малым, необходимо иметь минимальную толщину слоя эвтек­тики. В принципе толщина этого слоя может составлять 5 — 7 мкм, но для этого необходимо, чтобы площадка для монтажа кристалла была достаточно плоской и чтобы покрывающая ее молибдено-мар-ганцевая паста не имела больших неровностей. Иначе все эти не­ровности приходится заполнять слоем эвтектики, и толщина его мо­жет заметно возрасти. В связи с этим целесообразно керамические подложки предварительно полировать и вместо нанесения молибде-но-марганцевой пасты с последующим ее вжиганием применять на­пыленный на керамику при высокой температуре подслой вольфрама или молибдена с последующим никелированием или золочением.

Второе требование, которое необходимо выполнить при напайке, заключается в отсутствии под напаянным кристаллом участков с по­вышенным тепловым сопротивлением. Такие участки могут возник­нуть и вблизи больших неровностей подложки, и вследствие обра­зования при пайке пузырей, но главная причина их появления — не­достаточно хорошее облуживание эвтектическим сплавом золото — кремний поверхности кристалла или подложки. Такие плохо облу-женные участки могут стать местами локального перегрева транзи­сторной структуры, в результате чего может произойти вторичный пробой. Для борьбы с этим явлением необходимо, как уже говори­лось, обеспечивать высокую плоскостность и малую шероховатость подложки, а также высокое качество облуживания кристалла. Иног­да даже идут на то, чтобы предварительно облуживать кристалл эвтектикой золото — кремний и лишь затем, после контроля каче­ства облуживания, напаивать кристалл на подложку.

В качестве внутренних проволочных выводов мощных ВЧ тран-чисторов обычно используется алюминиевая проволока диаметром 30 — 80 мкм, присоединяемая к контактным площадкам на кристалле и к металлизации керамического основания корпуса с помощью уль­тразвуковой компрессии. Если для металлизации, создаваемой на кри­сталле кремния, используется не алюминий, а другой металл или система из нескольких металлических слоев, материалом для внут­ренних выводов может служить золотая проволочка. В этом случае для присоединения выводов используется не ультразвуковая ком­прессия, а метод термокомпрессни, когда на проволоку, прижатую к контактной площадке, одновременно действуют нагрев и давление (иногда в сочетании с ультразвуковыми колебаниями).

Основные требования, предъявляемые к внутренним выводам, заключаются в том, что они должны обеспечить протекание через транзистор максимально допустимого тока без существенного на­грева по сравнению с кристаллом и корпусом, а также в том, что общая индуктивность этих выводов должна быть достаточно малой. С этих точек зрения надо стремиться к тому, чтобы выводы были короткими. Короткие выводы обладают меньшей индуктивностью и меньше нагреваются (так как от них эффективнее отводится тепло к кристаллу кремния и к корпусу). Для уменьшения общей индук­тивности оказывается недостаточно уменьшать длину выводов» а приходится увеличивать и их число, хотя это увеличивает трудо­емкость сборочных операций. В очень мощных транзисторах, макси­мальные токи которых могут достигать десятков ампер, для умень­шения плотности токов и снижения суммарной индуктивности эмит-терного вывода приходится осуществлять целый комплекс мер: по­мимо введения двух внешних эмиттерных выводов создавать в кор­пусе эмиттерные токоведущие дорожки с двух сторон от кристалла и создавать две системы эмиттерных выводов, соединенных с этими двумя дорожками. Экспериментальная проверка показывает, что эти мероприятия существенным образом увеличивают коэффициент уси­ления ВЧ транзисторов.

Итак, для создания современных мощных ВЧ транзисторов не­достаточно правильно спроектировать транзисторную структуру. Не­обходимо разработать и осуществить ряд сложнейших технологиче­ских процессов по созданию этой структуры. При этом именно до­стигнутый в настоящее время технологический уровень не позволяет получить желаемые значения и достаточно малый разброс парамет­ров приборов. Очень многое зависит от корпуса транзистора и от сборки кристалла в корпусе, так как недостаточно современная кон­струкция корпуса или невыполнение всех необходимых условий при сборке приводят к тому, что большие потенциальные возможности» заложенные в кристалле, не реализуются в готовом транзисторе.

ГЛАВА ТР ЕТЬЯ

ПАРАМЕТРЫ МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

3.1. СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Под системой параметров транзисторов любого класса понимают совокупность таких электрических па­раметров, контроль которых в процессе производства обеспечивает необходимое качество выпускаемых тран­зисторов и которые необходимо знать при проектиро­вании радиоаппаратуры. Существующая для каждого класса приборов система параметров отражает усло­вия применения, а также особенности технологии и конструкции этих приборов. В то же время состав си­стемы параметров определяется и уровнем развития измерительной техники, позволяющей измерять и конт­ролировать тот или иной параметр, кроме того, опре­деленное значение имеет и экономический фактор, в силу которого невозможно включить в систему ряд па­раметров, измерение которых повлекло бы за собой су­щественное увеличение стоимости транзистора из-за сложности аппаратуры и трудоемкости измерений. По­этому любая система параметров есть результат ком­промисса в стремлении учесть разнородные требования.