Исследование тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ применений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пяточкин Михаил Дмитриевич

• Пяточкин Михаил Дмитриевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Пяточкин Михаил Дмитриевич

Список используемых сокращений

Введение

Глава 1. Современное состояние в области разработок систем теплоотвода в СВЧ модулях

1.1 Классификация и конструкция СВЧ модулей

1.1.1 Анализ базовых конструктивных и технологических решений, физических и технических ограничений. Фазированные массивы в радиолокации и системах связи

1.1.2 Основные тенденции развития АФАР, связанные с конструктивным исполнением ППМ

1.1.3 Приемопередающие модули

1.2 Конструктивные особенности организации систем теплоотвода

1.3 Пассивные системы теплоотвода

1.4 Активное охлаждение в приемо-передающих моделях

1.5 Жидкостные системы теплоотвода

1.6 Комбинированные системы охлаждения

1.7 Термоинтерфейсный слой в 3D сборках для лучшего распределения тепла

1.8 Микрокрожидкостное охлаждение ППМ

1.9 Выводы к главе 1 и постановка задач диссертации

Глава 2. Исследование эффективности системы теплоотвода на основе интерпозера

2.1 Конструкция модулей на основе интерпозера

2.2 Моделированию тепловых процессов в сверхкомпактных ППМ Х-диапазона

2.3 Верификация тепловой модели. Расчет и моделированиетеплового сопротивления технологического макета ППМ

2.4 Методика измерений тепловых параметров высокодинамичных микрообъектов

2.5 Исследование вкладов различных оснований модуля в тепловое сопротивление интерпозера

2.6 Исследование вклада диэлектрических слоев системы металлизации в тепловое сопротивление интерпозера

2.7 Выводы к главе

Глава 3. Разработка и исследование системы теплоотвода для СВЧ модулей с кратковременной эксплуатацией, основанной на применении интегрированного теплоаккумулятора

3.1 Исследование влияния материала теплоаккумулятора на параметры СВЧ модуля

3.2 Верификация тепловой модели СВЧ модуля

3.3 Моделирование ППМ с интегральным теплоаккумулятором

3.4 Выводы к главе

Глава 4. Разработка и исследование системы эффективного теплоотвода, построенной на принципе адиабатического расширения газа

4.1 Адиабатическое расширение газа. Теоретические основы

4.2 Экспериментальная часть, исследование влияния геометрии и формы канала на эффективность адиабатического охлаждения

4.3 Моделирование теплового рассеяния. Верификация тепловой модели

4.4 Выводы к главе

Заключение

Благодарность

Приложение 1. Акт о внедрении результатов диссертационной работы

Приложение 2. Акт о внедрении результатов диссертационной работы

Приложение 3. Патент РФ об изобретении

Список используемых сокращений

АТТ - Аттенюатор;

АФАР - активная фазированная антенная решетка; АЧХ - Амплитудно-частотная характеристика; БУ - Буферный усилитель;

БиКМОП - BiCMOS (англ. bipolar complementary metal oxide semiconductor); ВАХ - Вольт-амперная характеристика; ВУМ - Выходной усилитель мощности; ЗУ - Защитное устройство; ИС - интегральная схема;

КМОП - комплементарная металл-оксид-полупроводник структура ИС;

КПД - Коэффициент полезного действия;

КСВН - Коэффициент стоячей волны по напряжению (VSWR);

МИС - монолитная интегральная схема;

МОП - металл-оксид-полупроводник структура ИС;

МШУ - Малошумящий усилитель;

МКМ - многокристальный модуль;

МкЭ - Метод Конечных Элементов;

ППМ - приемо-передающий модуль;

ПРД - Передающий канал;

ПРМ - Приемный канал;

РЛС - Радиолокационные системы;

РЧ - Радиочастота;

САПР - Система автоматизированного проектирования; СВЧ - Сверхвысокие частоты;

СнК - Система на кристалле (англ. SoC, system on chip) УМ - Усилитель мощности

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения; ЭКБ - Электронная компонентная база;

ЭМ - Электромагнитное (излучение, моделирование);

GaAs - Арсенид галлия Gallium arsenide;

GaN - Нитрид галия Gallium nitride;

LTCC - низкотемпературная керамика;

Si - Кремний «Silicon»;

SiGe - Кремний Германий «Silicon Germanium».

Введение

Предметом диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования тепловых процессов, протекающих в приемо-передающих модулях СВЧ диапазона различных конструктивных исполнений.

В современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), построенной, в том числе, на основе мощных GaAs и GaN СВЧ МИС, наблюдается значительное тепловое рассеивание, достигающее уровней десятков Вт на один передающий канал. Высокая плотность тепловыделения приводит к существенному саморазогреву микросхем, что негативно сказывается на их электрических характеристиках, вызывая снижение выходной мощности, ухудшение линейности и сокращение ресурса работы устройств. Ситуацию усугубляет тенденция миниатюризации СВЧ устройств, например, приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР), что может приводить к кратному возрастанию плотности мощности тепловыделения [1, 2].

Таким образом, разработка и повышение эффективности систем теплоотвода для СВЧ устройств и приемо-передающих модулей, в частности, представляют собой одну из ключевых научно-технических задач, решение которой необходимо для стабильности работы РЭА и повышения её долговечности. Это требует внедрения инновационных подходов к проектированию конструктивных решений систем теплоотвода, способных эффективно функционировать в условиях высокой плотности тепловыделения и ограниченного пространства.

Одной из утвердившихся современных тенденций как за рубежом, так и в РФ является построение многокристальных СВЧ модулей на базе кремниевого TSV-интерпозера - многослойной кремниевой коммутационной платы со сквозными металлизированными отверстиями. Данная конструктивно-технологическая платформа снимает жесткие топологические

ограничения в сравнении традиционными технологиями изготовления коммутационных плат (LTCC, печатные платы) и предоставляет возможность интеграции различных пассивных элементов (конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы и диоды), что позволяет создавать многофункциональные и компактные СВЧ модули. С точки зрения систем теплоотвода относительно высокая теплопроводность кремния и широкие возможности кремниевой технологии дают простор инженерной мысли в вопросах формирования в объёме интерпозера различных элементов теплостока, теплорастекателей, что требует исследований для выработки эффективных конструктивных решений.

Одним из наиболее исследуемых подходов является создание микроканалов в кремниевом интерпозере для систем принудительного жидкостного охлаждения (например, [3]). В работах [4-6] исследуется эффективность использования ввозных металлизированных отверстий (TSV) в кремниевом интерпозере в целях снижения его теплового сопротивления.

Одним из альтернативных подходов к организации систем теплоотвода, предложенным в данной работе, является охлаждение СВЧ модуля за счет адиабатического расширения газа, протекающего в объёме Si интерпозера или металлического основания.

В приемо-передающих модулях СВЧ диапазона, предназначенных для систем с кратковременным режимом работы, например, в приемопередающих устройствах ракетной техники, возникает острая необходимость в эффективном отводе значительного количества тепла с целью замедления скорости их нагрева до критических температур. Однако, как правило, в подобных системах пространство для реализации теплоотвода крайне ограничено. Применение активных методов охлаждения зачастую оказывается невозможным из-за ограничений габаритов и энергопотребления, а пассивные системы, в свою очередь, не способны обеспечить достаточную эффективность теплоотвода для исключения перегрева модуля, что ставит под

угрозу его стабильную работу и надежность. В этих условиях перспективным решением, исследуемым в настоящей работе, является использование теплоаккумуляторов на основе веществ с высокой теплоемкостью, например, парафина, способных собирать значительное количество тепловой энергии, и тем самым стабилизировать температуру модуля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ применений»

Цель работы

Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на основе кремниевого интерпозера для СВЧ применений и в конструкциях на их основе.

Для достижения поставленной цели определены и сформулированы следующие основные задачи:

1. Провести аналитический обзор конструкций и технологий создания систем теплоотводов в многокристальных 2.5D и 3D модулях и микросборках.

2. Провести компьютерное моделирование, создать 3D модели СВЧ микромодулей и отдельных их узлов, а также провести исследования оптимальных и предельных тепловых режимов в приемо-передающих модулях, реализованных на основе кремниевых интерпозеров.

3. Выполнить верификацию тепловой модели на примере многокристального ППМ на основе кремниевого интерпозера.

4. Исследовать систему эффективного теплоотвода, построенную на принципе адиабатического расширения газа, в качестве альтернативного решения системам с циркуляцией охлаждающей жидкости.

5. Выполнить исследование конструктивных особенностей системы теплоотвода для ППМ с кратковременной эксплуатацией, основанной на применении интегрированного в конструкцию ППМ теплоаккумулятора.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена система теплоотвода СВЧ модуля, основанная на принципе адиабатического расширения газа в расширяющемся канале внутри металлического основания СВЧ модуля и обладающая сравнимой эффективностью по отношению к системам с циркуляцией охлаждающей жидкости при площади основания не более 400 мм2, но отличающаяся простотой реализации и компактностью.

2. Установлено, что формирование на незащищенной поверхности многокристального СВЧ модуля, предназначенного для кратковременной эксплуатации, теплоаккумулятора на основе парафина позволяет снизить скорость нагрева модуля более чем в 3 раза с минимальным влиянием на СВЧ параметры. При этом минимальный удельный объем теплоаккумулирующего материала составляет 0,9 см3 на 1 Вт выделяемой тепловой мощности.

3. Определены температурные зависимости тепловых характеристик парафина (коэффициент теплоемкости, коэффициент теплопроводности и объёмная плотность материала) в диапазоне температур 23 - 80 оС, включающем точку фазового перехода из твердого в жидкое состояние, обеспечивающие сходимость расчётов тепловых моделей с экспериментальными данными контроля температуры многокристальных СВЧ модулей с нанесенным слоем теплоаккумулятора на основе парафина с погрешностью не более 2%.

4. Определены геометрические границы и плотность заполнения объема кремния TSV каналами под тепловыделяющим кристаллом, обеспечивающие вклад в тепловое сопротивление не более 4% от общего значения.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и верифицированы тепловые модели, применимые для моделирования многокристальных приемо-передающих модулей СВЧ диапазона различных конструктивных решений и функционального назначения.

2. Предложены конструктивные решения организации и оценена эффективность различных систем теплоотвода для ППМ, построенных на основе кремниевых TSV-интерпозеров.

3. Определены условия максимальной эффективности системы теплоотвода на основе TSV-интерпозера. Разработан способ построения 3D модели кристаллов из топологических файлов, позволяющий значительно сократить время исследования и создания 3D модели.

4. Обоснована эффективность и возможность практического использования систем теплоотвода на основе адиабатического расширения газа в СВЧ модулях.

5. Определен минимальный удельный объем теплоаккумулирующего материала, в данном случае парафина, на 1 Вт выделяемой тепловой мощности.

Достоверность результатов

Методология работы включает теоретические исследования, их подтверждение экспериментальными данными и компьютерным моделированием, основанным на методе конечных элементов. Для достижения поставленных в работе задач применялись решения уравнений теплопередачи и конвекции.

Достоверность результатов обусловлена использованием современных методов моделирования тепловых процессов, комплексным подходом в их применении, подтвержденных экспериментальным и расчетным путем, а также использование реальных технических характеристик (данные

Ва1а8Иее1:) моделируемых образцов.

Использование результатов работы

Результаты научной деятельности использованы при выполнении проекта в рамках гранта Российского центра научной информации (проект №19-31-90145\19), ОКР «Многоцветник-51-Т» и НИР «Мозаика», что подтверждено актами о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Система теплоотвода СВЧ модуля, основанная на принципе адиабатического расширения газа в расширяющемся канале внутри металлического основания СВЧ модуля, позволяющая уменьшить нагрев модуля до 30% и обладающая сравнимой эффективностью по отношению к системам с циркуляцией охлаждающей жидкости, отличающаяся простотой реализации и компактностью.

2. Количественные оценки эффективности подавления перегрева и граничных размерных факторов теплоаккумулятора на основе парафина при его использования на незащищенной поверхности многокристального СВЧ модуля, предназначенного для кратковременной эксплуатации которые позволяют увеличить время выхода на стационарный режим в 2 раза, а скорость нарастания температуры уменьшить более чем в 3 раза, полученные на основе экспериментальных данных и результатов тепловых расчётов.

3. Температурные зависимости тепловых характеристик парафина (коэффициент теплоемкости, коэффициент теплопроводности и объёмная плотность материала) в диапазоне температур 23 - 80 оС, включающем точку фазового перехода из твердого в жидкое состояние, обеспечивающие сходимость расчётов тепловых моделей с экспериментальными данными контроля температуры многокристальных СВЧ модулей с нанесенным слоем теплоаккумулятора на основе парафина с погрешностью не более 2%.

4. Комплекс результатов по определению конструктивных принципов проектирования Si интерпозеров для снижения их теплового сопротивления и обеспечения высокоэффективного теплоотвода: определены геометрические границы и плотность заполнения объема кремния TSV каналами под тепловыделяющим кристаллом, обеспечивающие вклад в тепловое сопротивление не более 4% от общего значения.

Личный вклад

Теоретические и практические результаты были получены автором лично, либо при непосредственном участии автора. Большая часть обработки экспериментальных данных была проделана автором самостоятельно.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5 международных научно-технических конференциях:

1. Международный Форум «Микроэлектроника 2017», «Моделирование тепловых процессов в СВЧ модулях с различными основаниями», г. Алушта, 2018 г.

2. Международный Форум «Школа молодых ученых», «Миниатюризация приемо-передающих модулей СВЧ диапазона, реализованных методами 3D кремниевой технологии», г. Гурзуф, 2018 г.

3. Международный Форум «Микроэлектроника 2019», «Особенности технологии изготовления кремниевых коммутационных плат для СВЧ модулей», г. Гурзуф, 2019 г.

4. Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT) IEEE, «Miniaturization of microwave transmit-receive modules, implemented using 3D silicon technology», Moscow, 2020 г.

5. Российский Форум «Микроэлектроника 2024», «Исследование проблем теплового распространения в малогабаритных СВЧ приемопередающих модулях АФАР», г. Сочи, 2024 г.

Результаты данного исследования были использованы в НТО НИР: ОКР «Многоцветник-51-Т» - «Разработка и освоение серийного производства многокристального гетероинтегрированного приемо-передающего модуля в диапазоне частот 8,5-11,5 ГГц на основе TSV-интерпозера»; в проектах с Фондом перспективных исследований: «Мозаика» - «Технология интегральных модулей мм-диапазона длин волн для планарной АФАР»; «Базальт-НГ-НИИМЭ» - «Разработка ЭКБ на основе кремния и нитрида галлия и субмодуля приемо-передающего канала на её основе».

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах [1-8]: 1 работа, индексируемая ЦАБ Scopus [4]; 5 статей в журнале перечня ВАК [1, 2, 3, 6, 7]; 1 - в сборниках научных трудов и материалов конференций [5] и 1 патент РФ на изобретение [8].

Список публикаций автора:

1. Пяточкин М.Д., Волосов А.В., Панасенко П.В., «Моделирование тепловых процессов в СВЧ-модулях с различными основаниями», НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), стр. 443-444, 2018 год, DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.443.444.

2. Волосов А.В., Панасенко П.В., Пяточкин М.Д., «Особенности технологии изготовления кремниевых коммутационных плат для СВЧ модулей», НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), стр. 415-416, 2019 год, DOI: 10.22184/NanoRus.2019.12.89.415.416.

3. Пяточкин М.Д., Котляров Е.Ю., Мелекесцев В.С., «Миниатюризация приемо-передающих модулей СВЧ диапазона, реализованных методами 3D кремниевой технологии», НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), стр. 690-693, 2020 год, DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.3s.690.693.

4. Пяточкин М.Д., Котляров Е.Ю., Тишин А.С., «Miniaturization of

microwave transmit-receive modules, implemented using 3D silicon technology», Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT) IEEE, 2020, DOI: 10.1109/MWENT47943.2020.9067346.

5. Красников Г.Я., Панасенко П.В., Волосов А.В., Петров А.В., Аворник Т.В., Пяточкин М.Д., «Исследование базовой конструкции малогабаритных СВЧ ППМ на основе кремниевого интерпозера», в книге: Российский форум «Микроэлектроника 2022». Сборник тезисов 8-й Научной конференции. Фонд перспективных исследований, «Газпромбанк» (Акционерное общество). Москва, 2022. С. 346-347.

6. Пяточкин М.Д., Панасенко П.В., Баранов Г.В., «Исследование проблем теплового распространения в малогабаритных СВЧ приемопередающих модулях АФАР», НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), 2024.

7. Пяточкин М. Д., Баранов Г.В., Кривошеев А.В., Панасенко П. В., «Особенности применения теплоаккумуляторов в СВЧ модулях с кратковременной эксплуатацией», Электронная техника, Серия: 3: Микроэлектроника, 2025.

Результаты интеллектуальной деятельности

8. Свидетельство о государственной регистрации топологии микросхемы № 2021630168 Российская Федерация. Название топологии интегральной микросхемы: Кристалл полупроводниковый РКВТ.757644.006 RU 2021630177: заявл. 25.11.2021: опубл. 02.12.2021 / Волосов А.В., Панасенко П.В., Россов А.С., Пяточкин М.Д., Усов Д.Е.; заявитель АО «НИИМЭ».

Структура и объем работы

Содержание диссертационной работы состоит из списка сокращений, введения, списка работ, опубликованных по теме диссертации, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы из 59 наименований и содержит 130 страниц, в том числе 49 рисунков и 25 таблиц.

Глава 1. Современное состояние в области разработок систем

теплоотвода в СВЧ модулях

1.1 Классификация и конструкция СВЧ модулей

1.1.1 Анализ базовых конструктивных и технологических решений, физических и технических ограничений. Фазированные массивы в радиолокации и системах связи

АФАР - это активная фазированная антенная решетка, также известная как активная электронная сканирующая антенна. АФАР представляет собой систему, которая использует множество отдельных антенных элементов, каждый из которых имеет управление по фазе и амплитуде [7-12, 25-34]. Управление фазой и амплитудой каждого антенного элемента позволяет управлять формой и направлением диаграммы направленности антенны в целом без применения движущихся частей, что дает высокую надежность (допускаются потери до 10% элементов без влияния на производительность) и высокое быстродействие (Рисунок 1). Наиболее массовым элементом АФАР служит приемопередающий модуль (ППМ). Количество приемопередающих модулей в АФАР составляет от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч, в зависимости от назначения радиолокационных станций (РЛС).

Эволюция современной структуры АФАР представлена на рисунке 2 [28]. Конструктивно - технологическое исполнение АФАР обусловлено, с одной стороны, спецификой излучения и приема сигналов и конструкцией антенны, а с другой - применяемой элементной базой. Основными узлами АФАР являются антенное полотно состоящее из излучающих (антенных) элементов и ППМ, системы формирования луча, система обработки сигналов, мастер-генераторы и элементы сборочной интеграции и упаковки. Основные тенденции развития АФАР - переход к комплексированным гетероинтегрированным системам, стремление к унификации и возможности дешевого массового производства, переход от аналоговых к цифровым

системам, а также постоянное улучшение массогабаритных показателей при сохранении достаточной мощности.

Рисунок 1 - Эволюция АФАР [28]

Рисунок 2 - Составные части АФАР [25] АФАР обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с классическими радарами и системами связи:

- Отсутствие движущихся частей

Активная фазированная антенная решетка представляет собой систему, которая использует множество отдельных антенных элементов, каждый из которых имеет управление по фазе и амплитуде. Управление фазой и амплитудой каждого антенного элемента позволяет управлять формой и направлением диаграммы направленности антенны в целом без применения движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность.

- Возможность поддержания нескольких одновременных лучей

АФАР может работать в режиме прерывания, что в итоге обеспечивает практически одновременное выполнение различных задач или отслеживание несколько целей. Это очень полезно для таких применений, как бортовые

платформы, где цель может включать в себя другие воздушные цели (самолеты, ракеты) и наземные цели.

- Повышенная надежность

Выход из строя отдельных ППМ не приводит к отказу всей системы. Если сбои распределяются случайным образом по всему массиву, можно допустить потерю до 10% ППМ при сохранении приемлемых характеристик системы в целом.

- Высокая степень свободы для блокировки помех

АФАР также могут «управлять нулями», поскольку в них много элементов, и они имеют высокую степень свободы для блокировки помех. Это создает дополнительную помехозащищенность всей системы.

- Точность определения координат цели

АФАР могут формировать диаграммы направленности сложной формы, что повышает точность.

- Высокая скорость обработки информации

За счет практически параллельной обработки сигналов от нескольких лучей обеспечивается значительное увеличение объема обрабатываемой информации в единицу времени.

Важнейшим параметром конструкции фазированной антенной решетки является интервал компоновки излучающих антенных элементов (шаг решетки).

На рисунке 3 показано, что требуемый шаг решетки является функцией частоты излучаемого сигнала [27]. График отображает шаг решетки как функцию частоты излучения. Нужно обратить внимание, что для низких частот большой шаг решетки делает планарные АФАР не очень сложными. Но в X-диапазоне при длине волны излучения 25-40 мм (8-12 ГГц) и выше в миллиметровом диапазоне, т.е. при длине волны 1-10мм (30-300 ГГц) - шаг решетки быстро сжимается, что оставляет очень мало места для монтажа электронных компонентов, реализующих функции приема-передачи.

Именно здесь очень важна высокая степень интеграции и применение современных методов групповой микрообработки. Пример показывает, что при частотах миллиметрового диапазона (30-300 ГГц) требуется интервал компоновки излучающих антенных элементов в диапазоне от 5 до 0,5 мм, т.е. расположение антенных элементов является настолько компактным и плотным, что можно говорить о «фундаментальном» ограничении при построении АФАР на основе полупроводниковой элементной базы. При приближении к этому порогу реализацию АФАР, по всей видимости, можно будет обеспечить только сочетанием различных технологий производства активных устройств (полупроводники III/V, Si КМОП и SiGe БиКМОП) и применение новейших методов объемной гетерогенной интеграции [13].

Рисунок 3 - Пример расчета расстояния между антенными элементами

решетки АФАР

Таким образом, для радиолокационных применений АФАР обеспечивают значительные преимущества по сравнению с традиционными

радарами. В связи с огромным количеством ППМ, требующимся для изготовления РЛС, возникает необходимость оптимизации его состава и структуры с целью создания ППМ как единицы элементной базы, производство которой основано на автоматизированных групповых технологических процессах, снижающих стоимость изделий и обеспечивающих высокую идентичность и воспроизводимость их характеристик.

1.1.2 Основные тенденции развития АФАР, связанные с конструктивным исполнением ППМ

На сегодняшний день можно рассматривать два основных варианта фазированных массивов - объемный или блочный (английская аббревиатура «brick») [14-16] и планарный или плиточный (английская аббревиатура «tile») [39].

Блочный массив в настоящее время активно применяется и производится серийно, но это разработки более чем 20-летней давности. В традиционных блочных АФАР ППМ устанавливаются ортогонально к массиву, и в основном на основе дискретно-гибридных сборок, как правило, в герметичных металлических корпусах. В результате блочные конструкции оказываются довольно громоздкими и тяжелыми, и ограничивают диапазон платформ, на которых они могут быть развернуты.

Схематичное изображение блочной конструкции отечественной разработки, приведенное в работе [14], показано на рисунке 4. Сборочной единицей в блочной конструкции антенного полотна является блок, включающий большое количество функционально различных узлов (Рисунок 5). Блок состоит из 256 ППМ, объединенных в 8 модулей, матрицы антенных элементов (излучателей), соединительных элементов, плат управления лучом, плат питания и элементов системы охлаждения [1].

Рисунок 4 - Конструкция полотна антенны АФАР для «объемного» монтажа

ППМ [14]:

а) вид со стороны эфира; б) вид со стороны обслуживания

Рисунок 5 - Сборочная единица антенного полотна АФАР «объемного» типа

Подобные объемные конструкции, являясь модульными, обеспечивают весьма высокую ремонтоспособность, однако характеризуются весьма высокой долей массы конструкционных элементов в единичном элементе антенного полотна (каркас модуля + каркас блока + каркас полотна.

Некоторые преимущество конструкции на основе блочного подхода заключается в возможности распределения тепловыделения по большому объему - область апертуры, умноженная на глубину планки. Ключевыми недостатками являются те, что для маршрутизации радиочастотных сигналов, сигналов постоянного тока и управляющих сигналов на планки и выключения их требуется использовать большое количество радиочастотных плат и кабелей, что приводит к заметному нарушению идентичности каналов, потерям в сигнальных трактах и к увеличению веса и размера таких конструкций. Кроме того, при изготовлении практически всех компонентов системы, начиная с отдельных узлов ППМ преобладают индивидуальные (негрупповые) технологические операции, что значительно увеличивает время производства и его стоимость.

Планарный массив строится на ППМ, монтируемых в плоскости антенного полотна, позволяя использовать значительно большую долю групповых технологических операций. Планарный массив имеет существенно уменьшенные габариты антенного полотна, уменьшенный размер и вес компонентов, что позволяют устанавливать их на небольшие платформы воздушно-космического базирования, например, беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

Технология планарных АФАР в последнее время интенсивно развивается по нескольким направлениям, характеризующимися применением различных типов ППМ на базе разнообразных технологических материалов и конструктивных особенностей формирования массива.

На рисунке 6 представлена конструкция массива из 64-х индивидуальных ППМ и антенных элементов, смонтированных на базе единой ламинированной подложки.

Рисунок 6 - Конструкция 64-х элементной матрицы приемопередающих модулей, смонтированной на плате антенных элементов Принципы планарного конструктива позволяют использовать более широкий круг материалов, что в частности, для ряда специфических применений, обеспечили реализацию сверхминиатюрного антенного полотна, - на рисунке 7 представлен фазированный массив, созданный непосредственно на уровне кремниевой подложки по технологии «wafer-level-packaging» или сокращенно WLP.

Рисунок 7 - Фазированный массив на SiGe БиКМОП SoC с 256-элементной матрицей на уровне подложки [18]

Различные исполнения АФАР ориентированы на разные конечные применения в зависимости от необходимого уровня мощности сигнала, такие как бортовые системы, автомобильная электроника, связь. Так, например, массив, приведенный на рисунке 7, пока получил развитие в основном только для маломощных систем связи нового поколения 50 [17, 18]. Таким образом, в основе плиточных АФАР лежит новое конструктивно-технологическое исполнение ППМ и их интеграция с антенными элементами, улучшающие массогабаритные характеристики. Пока трудно решаемыми проблемами являются дополнительные сложности с рассеиванием выделяемого мощными элементами тепла. Способы эффективного теплоотвода для плиточных систем АФАР в настоящее время являются предметом активных исследований [11-13, 29].

Значительным шагом вперед явился переход к цифровой архитектуре фазированных массивов, которая включает в себя комбинацию аналоговых и цифровых формирователей луча. По мере снижения стоимости, размера и энергопотребления цифровых приемников/возбудителей и процессоров

использование цифрового формирования луча на уровне элементов (ЦФЛ) становится все более приемлемым подходом к реализации больших фазированных решеток.

Наряду с развитием цифровых АФАР прогресс в этой области связан с применением новых материалов антенных устройств, в том числе искусственно созданных (например, метаматериалов), позволяющих управлять их диэлектрическими и магнитными свойствами, а также по пути применения новых технологий, например, радиофотоники, позволяющей увеличить рабочую полосу частот, повысить стабильность основных параметров, помехозащищенность и улучшить массогабаритные характеристики.

Следует отметить, что последние тенденции не являются системными, а относятся к совершенствованию элементной базы низкого уровня (ниже уровня ППМ) интеграции. Так как настоящий проект направлен на создание технологии изготовления элементной базы высокого (ППМ и выше) уровня интеграции, рассматривать их в рамках настоящего обзора нецелесообразно, поскольку разрабатываемая технология вполне может быть использована для изготовления как цифровых, так и радиофотонных АФАР.

Таким образом, цели и задачи настоящего проекта - а именно в части разработки элементной базы на уровне ППМ для планарных АФАР, являются актуальными и соответствуют мировым тенденциям их развития.

1.1.3 Приемопередающие модули

Среди основных компонентов АФАР, таких как антенные элементы, ППМ, мастер-генераторы, системы формирования луча, системы обработки сигнала, системы питания и охлаждения, элементы сборочной интеграции самым массовыми и самыми важными компонентами АФАР являются ППМ и антенные элементы, так как их количество в АФАР составляет от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч, в зависимости от назначения РЛС.

Кроме того, к их идентичности и массогабаритным характеристикам предъявляются очень жесткие требования, следовательно, их изготовление должно рассматриваться в контексте массового серийного производства как элементов унифицированной компонентной базы АФАР. Очевидно, наиболее высокая степень идентичности может быть достигнута при комплексировании этих компонентов.

Приемопередающие модули выполняют, как минимум, четыре основные функции:

1. Достижение максимальной мощности радиосигнала на выходе при работе в режиме передачи;

2. Поддержание наилучшего усиления и минимальных шумовых помех в режиме приёма;

3. Быстрое переключение между передачей и приёмом для изменения направления прохождения сигнала;

4. Регулировка амплитуды и фазы сигнала как при передаче, так и при приёме [38].

Состав ППМ

Следует отметить, что состав ППМ в структурных схемах у различных источников информации довольно сильно отличается [7-12, 35-38]. Одна из наиболее распространенных современных структурных интерпретаций ППМ упрощенно представлена на рисунке 8 [1].

Рисунок 8 - Функциональная блок-схема ППМ

ППМ включает в себя приёмный и передающий тракты. В состав ППМ входит ряд компонентов, наиболее значимыми из которых являются:

Фазовращатель (ФВ) - это один из наиболее важных компонентов ППМ. Его основная функция - электронное управление фазой обрабатываемого сигнала. Фазовращатель должен обеспечивать точное управление фазой в диапазоне 360°, обеспечивая низкие вносимые потери, низкую амплитудную модуляцию при изменении фазы, низкий КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению), быстрое время переключения и высокую отстройку от побочных шумов.

Аттенюатор (АТТ) - представляет собой элемент, который управляемо, уменьшает амплитуду проходящего через него высокочастотного сигнала и расположен в общем пути модуля, как показано на рисунке 1.8. На сегодняшний день наиболее распространенным типом аттенюаторов, используемых в ППМ, являются цифровые аттенюаторы.

Предварительный усилитель (ПУМ) - предназначен для обеспечения линейного усиления сигнала до уровня, необходимого для работы усилителя мощности в цепи передачи ППМ, (Рисунок 8) и, как правило, являются средними усилителями мощности, и в некоторых приложениях могут даже

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пяточкин Михаил Дмитриевич, 2025 год

Список литературы

1. Красников Г. Я., Панасенко П. В., Волосов А. В. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СВЧ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯНА ОСНОВЕ ОБЪЕМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННОЙ КРЕМНИЕВОЙМИКРОЭЛЕКТРОНИКИ // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника, 2016. — №2 3 (163). — С. 10 - 22.

2. Панасенко П. В., Волосов А. В., Ионов А. С., Красников Г. Я., Петров А. В. Малогабаритные мощные приемопередающие модули Х-диапазона для АФАР // НАНОИНДУСТРИЯ. СПЕЦВЫПУСК 4s, том 13 (99). — С. 404 - 406.

3. Tingting Lian, Yanming Xia, Zhizheng Wang, Xiaofeng Yang, Zhiwei Fu, Xin Kong, Shuxun Lin & Shenglin Ma. Thermal property evaluation of a 2.5D integration method with device level microchannel direct cooling for a high-power GaN HEMT device, Microsystems & Nanoengineering, 2022

4. A. Kumar, S. Gupta. 3D Integration Using TSV Technology: Advances and Challenges in Thermal Management, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2023.

5. J. Chen, L. Wang. Thermal Performance of TSV-Based Silicon Interposers for High-Power RF Applications, Journal of Electronic Materials, 2022.

6. M. Lee, H. Kim. TSV-Enabled Power Delivery Networks in Advanced Silicon Interposers, Microelectronics Reliability, 2023.

7. А. Белоус, и др. СВЧ-электроника в системах радиолокации и связи. Техническая энциклопедия (в 2-х книгах), Москва: Техносфера, 2016. -1415с.

8. И. Викулов. Монолитные интегральные схемы СВЧ -технологическая основа АФАР / Электроника. - 2012. - № 7(00121). - с. 6073.

9. И. Викулов. Гетерогенная интеграция - новый этап развития интегральной СВЧ-электроники / Электроника: НТБ. 2016. - № 1 (00151). - с. 104-112.

10. T. Edwards, et al. AESAs Industry Structure, TRMs and MMICs, ENGALCO Strategic Support for High-Tech Organizations, 2013.

11. R. Sturdivant, M. Harris. Transmit Receive Modules for Radar and Communication Systems, Artech House, 2016.

12. E. Brookner. Amazing Breakthroughs and Trends in Phased Arrays and Radars. Radar Symposium at Ben Gurion University of the Negev, Israel, Jan. 25, 2016.

13. B. Bayraktaroglu. Heterogeneous Integration Technology. August 2017, 98p. AFRL-RY-WP-TR-2017-0168.

14. М. Митяшев. К реализации технологий радиофотоники в АФАР радиолокационных комплексов. Вестник СибГУТИ. 2015, № 2, с. 178 - 190.

15. Р. Берути. Компоненты аналогового тракта для применения в системах с АФАР. Компоненты и Технологии, 2017, № 9, с. 24-28.

16. http : //micro .apitech.co .uk/aesa.aspx.

17. G. Rebeiz. 5G Millimeter Wave Radio Technology. Qualcomm/Ericsson 5G North American Workshop, 2015.

18. TowerJazz and UCSD Demonstrate First 5G 256-Element 60 GHz Silicon Wafer-Scale Phased Array Transmitter. Press Release NEWPORT BEACH and SAN DIEGO, Calif., May 14, 2015.

19. П. Тушнов, и др. Технологии обеспечения эффективности приемопередающих модулей АФАР, работающих в импульсном режиме. Радиолокация и связь, 2016 г., № 21, с. 29 - 44.

20. http://terraview.ru/articles/11/terra-sar-x.

21. Y. Mancuso. Radars embarqués: developpements techniques et technologiques. Journées Nationales Microondes (JNM), Toulouse, Mai 2007, p. 41.

22. R. M. O'Donnell. Radar Systems Engineering. Transmitters & Receivers. Lecture 17. Radar Systems Course 1 XMTR & RCVR 1/1/2010.

23. Microwave Materials and Applications (Vol.1&2). Sebastian, M. T., Ubic R., Jantunen H., eds., 2017, John Wiley & Sons, Ltd., 943 p.

24. A. Anwar. GaAs and GaN Capabilities on Display at Farnborough. http: //www.rfglobalnet.com/author/asif-anwar.

25. Navy Celebrates 100th Delivery of AESA Radar, Naval Air Systems Command Press Release, July 22, 2008.

26. R. Mailloux. Phased array antenna handbook (2nd edition), 2005.

27. I. Gresham, et al. An AESA Revolution Utilizing the Disruptive Technology of Highly-Integrated Silicon ICs, White Paper, Anokiwave, Inc., 2017.

28. Raytheon AESA Research: Past, Present and Future. Raytheon Technology Today, Issue 1, 2014.

29. D. Green. Heterogeneous Integration at DARPA: Pathfinding and Progress in Assembly Approaches, ECTC 2018, San Diego.

30. H. Pristauz, et al. Disruptive Developments for Advanced Die Attach to Tackle the Challenges of Heterogeneous Integration, ECTC 2018, San Diego.

31. Y. Mancuso, et.al. T/R-Modules Technological and Technical Trends for Phased Array Antennas, 2005 European Microwave Conference, October 2005, pp. 614-617.

32. E. Verryt. Surface Radar Affordability, Proceedings of the 1999 Defense Manufacturing Conference, Miami Beach, FL, November 29-December 2, 1999.

33. J. Balle. About the THAAD System, https://www.bga-aeroweb.com/Defense/THAAD.html, updated October 2014.

34. AN/TPY-2, http://www.radartutorial.eu/19.kartei/karte119.en.html,

2015.

35. Section 4, Fab Benchmarking Integrated Circuit Engineering Corp. Smithsonian. The Chip Collection, 2001.

36. M. Behet. Low Cost and High Performance MMIC Solutions for Automotive Radar, TriQuint Application Note, 2009.

37. P. Rose, et al. Reducing Clutter in Airborne Radars Equipped with Active Electronically Steered Array Antennas by Using a Novel Receive Aperture Weighting. IEEE 2008 Radar Conference, Rome, Italy, May 26-30, 2008, pp. 1-5.

38. B. Kopp, et al. Transmit-receive Modules. IEEE Trans. on Microwave Theory Tech., Vol. 50, No. 3, March 2002 pp. 827-834.

39. Беляев В.В., Григорьев В.А. Тепловые режимы электронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 2000. - 328 с. - ISBN 5-256-01438-9.

40. Исаев С.И., Кудрявцев Н.А. Теплообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Энергия, 2010. - 256 с. - ISBN 978-5-458-25412-3.

41. Смирнов А.Б., Петров В.Г. Тепловые трубки в системах охлаждения мощных СВЧ-модулей // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. - 2018. - № 4. - С. 45-52.

42. Bar-Cohen A., Iyengar M., Kraus A. Passive Cooling Techniques for Electronic Equipment // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. - 2003. - Vol. 26, № 1. - P. 127-136. - DOI: 10.1109/TCAPT.2003.809138.

43. Culham J. R., Muzychka Y. S. Thermal Management of High-Power Electronic Components // Heat Pipe Science and Technology. - 2010. - Vol. 1, № 1. - P. 30-45. - DOI: 10.1615/HeatPipeSciTech.v1.i1.30.

44. Lee S., Kim D., Park J. Passive Thermal Management of High-Power RF Amplifiers Using Heat Pipes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2019. - Vol. 67, № 5. - P. 1982-1992. - DOI: 10.1109/TMTT.2019.2902555.

45. Lee S., Kim D. Advanced Thermal Interface Materials for High-Power Electronics // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. -2020. - Vol. 43, № 2. - P. 210-225. DOI: 10.1109/TCAPT.2020.2975421.

46. Кудрявцев Н.А. Жидкостное охлаждение радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергоатомиздат, 2015. - Гл. 5 "Системы для СВЧ-модулей".

47. Беляев В.В. Тепловые режимы электронных систем - СПб.: БХВ-Петербург, 2018. - 576 с. - ISBN 978-5-9775-3902-4.

48. Kandlikar S.G., Garimella S. Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannels and Microchannels - Elsevier, 2014. - 490 p. - ISBN 978-0-08098346-2.

49. H. P. J. De Bock, J. T. Labhart, S. S. Chauhan, G. C. Kirk, and J. H. Kim, "Thermal interface devices," US9615486B2, 2017.

50. Zhang Y., Wong C.P. "Advanced Thermal Interface Materials for 3D IC Integration" // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. - 2020. - Vol. 10, № 5. - P. 789-802. DOI: 10.1109/TCPMT.2020.298456

51. Chiang T.Y., Lee S.M. "Handbook of Thermal Interface Materials" - CRC Press, 2019. - 480 p. ISBN: 978-1-138-48674-57

52. Steller, W., Windrich, F., Bremner, D., Robertson, S., Mrosko, R., Keller, J., Lang, K.-D. (2018). Microfluidic Interposer for High Performance Fluidic Chip Cooling. 2018 7th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC).

53. https://www.nature.com/articles/s41378-022-00462-3

54. Непочатов Ю. Тепловой расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. .№2.

55. Снежкин Ю. Ф., Михайлик В. А., Коринчевская Т. В., Воробьев Л. И., Декуша Л. В. Удельная теплоемкость и теплопроводность теплоаккумулирующих материалов на основе парафина, буроугольного и полиэтиленового восков //Проблемы региональной энергетики 2 (25) 2014

56. Ukrainczyk N. Thermophysical Comparison of Five Commercial Paraffin Waxes as Latent Heat Storage Materials / N. Ukrainczyk, S. Kurajica, J.

Sipusic // Chemical & Biochemical Engineering Quarterly / - 2010. - Vol. 24., No.2.

- P. 129-137

57. Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов на основе органических соединений / В.А. Михайлик, Ю.Ф. Снежкин, Т.В. Коринчевская, А.С. Парняков, В.А. Постников // Промышленная теплотехника

- 2011. - Т. 33, №5. - С. 96-103.

58. Зубарев В.Н., Кузнецов В.А. Термодинамика и молекулярная физика - М.: Физматлит, 2018. - Гл. 4 "Адиабатические процессы". ISBN: 9785-9221-1827-3

59. Qengel Y.A., Boles M.A. Thermodynamics: An Engineering Approach

- 9th ed. - McGraw-Hill, 2019. - P. 287-293. ISBN: 978-1-259-82267-4

Приложение 1. Акт о внедрении результатов диссертационной работы

об использовании результатов диссертационной работы Пяточкина Михаила Дмитриевича «Исследование тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ

применений»

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Пяточкина М.Д. «Исследование тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ применений», использованы при выполнении ОКР «Разработка и освоение серийного производства многокристального гетероинтегрированного приемопередающего модуля в диапазоне частот 8.5-11.5 ГГц на основе ТБУ-интерпозсра». шифр «Многоцвегник-51-Т». номер госконтракта 1770559633917000653.

Заместитель генерального директора но разработке комплексированной

АКТ

СВЧ ЭКБ АО «НИИМЭ», д.т.н.

П.В. Панасенко

Приложение 2. Акт о внедрении результатов диссертационной работы

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Пяточкина Михаила Дмитриевича «Исследование тепловых процессов в гетероинтегрироваиных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ

применений»

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Пяточкина М.Д. «Исследование тепловых процессов в гетероинтегрироваиных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ применений» использованы при выполнении проекта «Технология интегральных модулей мм-диапазона длин волн для планарной АФАР». шифр проекта «Мозаика», в соответствии с договором №7/143/2018 -2021 от 30.11.2018 г. между Фондом перспективных исследований РФ и АО «НИИМЭ».

Заместитель генерального директора по разработке комплектированной

СВЧ ОКБ АО «НИИМЭ». д.т.н.

II.В. Панасенко

Приложение 3. Патент РФ об изобретении

российская федерация

ли

2021630177

федеральная служба по интеллектуальной собственности

(12) ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ

Номер регистрацнп (свидетельства):

ашздш

Дата регистрации: 02.12.2021

Номер н дата поступления заявки: ¿021630168 25.ll.2fZl

Дата публикации и номер бюллетеня: 02.12-2«! Еюд № 12

Контактные реквизиты: нет

Срок действия исключительного права истекает: 02.12.2031

Авторы:

Волосов Анатолий Викторович (ЯГ), Павасенко Петр Васильевич (КГ), Россов Александр Сергеевич (КГ), Пяточкин Мша и л Дмитриевич (К11)г Усов Дмитрии Евгеньевич (КГ)

Правообладатель: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (КГ!)

Название топологии интегральной микросхемы: Кристалл полупроводниковый РКВТ.757644.006

Реферат:

Кристалл полупроводниковый представляет собой кремниевую коммутационную плату, предназначенную для н!готовления сверхвысокочастотных (СВЧ) приемопередающих модулей. Кристалл содержит электрические цепи различного функционального назначения (цепи питания монолитных интегральных схем (МИС), ИС постоянного тока: цепи питания МИ С импульсного гока величиной до 5 А; цепи передачи импульсных сигналов цифрового управления: цепи передачи СВЧ сигналов). Кристалл изготовлен по стандартной кремниевой технологии ШОс возможностью построения планарнзованной системы межсоединений на основе медп и содержит девять уровней металлшацнн. разделенных изолирующим диэлектриком.