Исследование теплового распределения в СВЧ приемо-передающих модулях

Одной из главных тенденций, утвердившихся в последние десятилетия в развитии радиолокационных систем (РЛС) различного назначения, является их реализация на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР). Это связанно с тем, что она обеспечивает более высокую надежность по сравнению с обычными радиолокационными станциями; многофункциональность, т.е. одновременно обеспечивает радиолокацию во всех режимах (поиска, сопровождения, опознание цели, получения изображения земной поверхности, навигационные режимы) и связь.

Основным элементом АФАР для таких систем служит приемопередающий модуль (ППМ). Количество приемопередающих модулей в АФАР может составлять от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч, в зависимости от назначения РЛС. Строятся они на основе полупроводниковой элементной базы. В зависимости от назначения ППСМ могут иметь мощность до 10-25 Вт, причем геометрически они ограничены шагом антенной решетки равным половине длины волны излучения (при частоте 10 ГГц - 15 мм).

Так как КПД полупроводниковой элементной базы СВЧ диапазона, как правило, не превышает 40%, то если в излучение уходит 20 Вт, 30 Вт уходит в тепло. Более того эти 30 Вт почти полностью выделяются на усилители мощности (УМ) в связи с чем задача отвода тепла является очень актуальной. Также прослеживается тенденция уменьшения ППМ и увеличения мощности, отсюда проблема теплоотвода становится все более острой.

В настоящее время основным конструктивным решением ППМ является размещение кристаллов на коммутационной пластине из низкотемпературной керамики (LTCC). Типовая конструкция ППСМ на LTCC показана на рисунке 1 [1].

Рис.1. Схематичная конструкция ППСМ на LTCC основании.

Для улучшения теплопроводности в таких основаниях используют тепловые стоки. На рисунке 2 показана конструкция и размеры этих стоков одного из ведущих разработчиков модулей Thales Microsonics [2], но даже их наличие с топологическими ограничениями не дают должной теплопроводности.

Thermal via distribution              Through thermal via

Source:Thales Microsonics

Via pitch	Via diameter	Via density	Via / die I. area ratio	Equivalent thermal conductivity*
400 pm	200 pm	72 via/mma	227	20 W/m/K
600 pm	200 pm	3.2 via/mm2	10.1 %	8 W/m/K
300 pm	150 цт	7.2 via/mm2	22 7 %	20W/m/K
450 pm	150 pm	3.2 via/mm2	III I	8 W/m/K
		No via		3 W/m/K

Рис. 2. Размеры тепловых стоков в LTCC основании фирмы Thales Microsonics.

Кроме того LTCC технология имеет топологические ограничения по расположению коммутационных элементов (ширина дорожек 100 мкм, расстояние между ними 100 мкм), что не позволяет эффективно снизить геометрические размеры модулей, что особенно актуально при повышении рабочих частот.

Технология этого материала достигла предельных топологических ограничений, что препятствует улучшению массогабаритных характеристик и теплопроводности ППСМ, необходимых для ряда применений.

В последнее время появились работы, которые показывают возможность формирования коммутационной платы на основе кремния, технология которого, с точки зрения коммутационной платы СВЧ модуля практически снимает топологические ограничения и существенно улучшает теплоотводящие свойства платы. Использование кремния в качестве коммутационной платы дает ряд преимуществ по сравнению с традиционными материалами, во-первых, теплопроводность кремния примерно в 50 раз больше LTCC и практически сравнима с теплопроводностью, например, псевдосплавов, применяемых для согласования термического расширения кристаллов СВЧ МИС и меди. Во-вторых, топологические нормы кремниевой технологии намного превосходят возможности технологии многослойных плат на LTCC. В-третьих, применение тонкопленочных конденсаторов, интегрированных в коммутационную плату вместо традиционно используемых чип-конденсаторов, многократно снижает объем индивидуальных сборочных операций и повышает надежность СВЧ узла [3].

В связи с тем, что мощные ППСМ являются устройствами с большим тепловыделением, оценка теплового режима работы является актуальной задачей разработки. В настоящей работе для решения этой задачи использовалось компьютерное моделирование.

Схематический разрез ППСМ с кремниевым основанием показан на рисунке 3.

Рис. 3. Схематичная конструкция ППСМ на кремниевой коммутационной плате, где: 1- контактная площадка (Au); 2 - межсоединения 2-го уровня (Au); 3 -СВЧ МПЛ (Au); 4 - диэлектрик (BCB); 5 - тепло-, токопроводящий адгезив;

6 - металлический зародышевый слой; 7,8 - изолирующий диэлектрик (SiO 2 ); 9 - металлизация обратной стороны (Au); 10 - металлизированные TSV-отверстия; 11 - межсоединения 1-ого уровня (Cu); 12 - диэлектрик конденсаторов (Si 3 N 4 ); 13 – конденсатор.

В связи с тем, что кремний не пригоден для создания на его поверхности СВЧ проводников, в качестве диэлектрика СВЧ межсоединений предполагается использовать одно из производных полимера бензоциклобутена (BCB) [4]. Металлизированные отверстия в кремнии выполняют функции множественного СВЧ заземления и отвода тепла. Толщина кремниевого основания составляет 100 мкм.

В настоящей работе с целью определения степени улучшения теплоотвода проведено сравнительное моделирование различных конструктивных решений.

Моделирование проводилось в программе Comsol Multiphysics. Для оценки вклада металлизированных отверстий в процесс теплоотвода было использовано 3 модели.

В первой модели рассматривается медная металлизация в кремнии с диаметром отверстий 40 мкм и расстоянием между ними 200 мкм. Во втором варианте отверстия в кремнии имеют форму усеченного конуса, с радиусами 30 и 50 мкм и золотой металлизацией, золото занимает 2 мкм от стенок отверстий (рис. 4). В третьей модели металлизированные отверстия в кремнии отсутствуют.

Рис. 4. Модели образцов созданные в САПРе Solid Works, где: 1- кристалл (GaAs); 2- тепло-, токопроводящий адгезив; 3- медные отверстия; 4- отверстия с золотой метализацией; 5- межсоединения (Au); 6-кремниевый интерпозер; 7- металлизация обратной стороны (Au); 8-медное основание.

Начальные и граничные условия моделирования: начальная температура модели 23°C; задан конвекционный теплоотвод с поверхности кристалла, где выделяется тепло; медного основания задана как бесконечный теплоотвод; все три модели рассматривались при выделяемой мощности 25 Вт, результаты моделирования приведены на рисунке 5 и в таблице 1.

Рис. 5. Тепловое распределение в модели №2.

Модель №	^ макс , C	^ ср. по пов-ти , C
1	60,4	54,2
2	63,1	57,3
3	61,3	55,6

Таблица 1. Результаты моделирования.

Также был промоделирован отдельный кристалл на основании LTCC с различной теплопроводностью, результаты приведены в таблице 2.

Материал(теплопроводно сть)	Si(169 —) т*К	LTCC(20 ) т* К	LTCC(8 ) т*К	LTCC(3 ) т*К
^ макс , C	60,4	90,2	131	216

Таблица 2. Результаты моделирования.

Из приведенных результатов следует, что конфигурация, как и само наличие металлизированных отверстий в кремнии оказывают незначительное влияние на процесс теплоотвода. Основной вклад в процесс теплоотвода вносит кремний, что показывает его высокую перспективность как материала для основания ППСМ СВЧ диапазона.

Также была рассмотрена полная модель ППСМ на кремниевом и

LTCC основаниях, на рисунке 6 представлено тепловое распределение в этом модуле на кремниевом основании и на керамическом, из рисунка видно, что кремний обеспечивает не только прямой теплоотвод (перпендикулярный тепловыделяющим элементам), но и заметный латеральный теплоотвод, в отличии от керамики. результаты моделирования приведены в таблице 3. На всех элементах ППСМ выделяется мощность меньше 1,5 Вт, кроме усилителя мощности (УМ), на нем выделяется 25Вт.

Рис. 6. ППСМ, где: 1 – УМ; 2 – МШУ; 3 – Core Chip; 4,5 – сдвиговые регистры.

Материал(теплопроводно сть)	Si(169 —) т*К	LTCC(20 —) т*К'	LTCC(8 ) т*К	LTCC(3 ) т*К
^ макс , C	58,3	84,3	124	206

Таблица 3. Результаты моделирования.

Из моделирования видно, что УМ нагревается сильнее всех, и «подогревает» остальные элементы на 4-10 °C, в зависимости от их расположения, из-за того что кремний не успевает отвести все тепло, но большую часть тепла он все таки отводит и кристалл греется не более 60 °C, эта температура нормальная по всем критериям для его работы. Сравнивая Si и LTCC как основания ППСМ, можно сделать вывод, что кремний намного лучше, с точки зрения теплопроводности, т.к. модуль нагревается на 26°C меньше на кремниевом основании и тем самым показывает его перспективность как материала для основания ППСМ СВЧ диапазона. Кремний обеспечивает не только прямой теплоотвод (перпендикулярный тепловыделяющим элементам), но и заметный латеральный теплоотвод. В случае кремния значительный вклад в процесс теплоотвода вносит сам материал, а отверстия выполняют увеличение в пределах 10%, а LTCC улучшает свои свойства только за счет тепловых стоков. Также кремний снимает топологические ограничения, которые не позволяют эффективно снизить геометрические размеры модулей, что особенно актуально при повышении рабочих частот.