Металлокерамический корпус силового полупроводникового модуля на основе высокотеплопроводной керамики и способ его изготовления
METAL-CERAMIC HOUSING OF POWER SEMICONDUCTOR MODULE BASED ON HIGH-HEAT-CONDUCTING CERAMICS AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и предназначено для производства корпусов силовых полупроводниковых модулей.
В настоящее из технического уровня время известен ряд патентов на изобретения.
Известна конструкция корпуса для мощного транзистора [RU № 2273915 от 10.04.2006], содержащего основание, выполненное из керамики, металлическую крышку, соединенную с лицевой поверхностью основания по периметру посредством металлического ободка сваркой, металлическую контактную площадку, расположенную на лицевой поверхности основания для расположения и соединения полупроводникового кристалла транзистора с основанием, и три металлических вывода, расположенных так, что одни концы выводов расположены на лицевой поверхности основания, а другие выходят наружу через сквозные отверстия, выполненные в основании.
Также известен корпус силового прибора [EP № 0037301 от 07.10.1981], включающий в себя основание, на верхней части которого расположена подложка с компонентами прибора и внутренними электрическими соединениями, ободок, изолирующую металлокерамическую крышку и выводы, проходящие через отверстия, образованные в крышке.
Представленные выше конструкции корпусов обладают следующими недостатками: отсутствует возможность размещения в корпусе нескольких кристаллов активных компонентов и схем их управления, а также форма и расположение выводов не обеспечивают возможность применения технологии поверхностного монтажа для присоединения выводов к схемам при дальнейшей эксплуатации изделия.
Известна конструкция корпуса мощного полупроводникового прибора СВЧ [RU № 2494494 от 27.09.2013], включающего основание и рамку из металла или сплава металлов, последней, по меньшей мере, с одним пазом для расположения выводов, совмещенных с рамкой, герметичное соединение их высокотемпературной пайкой, при этом элементы корпуса изготавливают с заданными размерами, с последующим расположение в корпусе, по меньшей мере, одного кристалла активного элемента и, по меньшей мере, одной согласующей интегральной схемы, по меньшей мере, одного полупроводникового прибора.
Известен корпус полупроводникового прибора СВЧ [RU № 2579544 от 10.04.2016], содержащий высокотепло- и электропроводное основание, рамку по периметру одной из поверхностей высокотепло- и электропроводного основания со сквозными отверстиями для металлокерамических вводов/выводов, по меньшей мере одну металлическую контактную площадку на упомянутой поверхности высокотепло- и электропроводного основания для расположения и последующего соединения с ним по меньшей мере одного кристалла полупроводникового прибора, по меньшей мере два металлокерамических ввода/вывода, одни контактные площадки которых выходят внутрь, а другие - через сквозные отверстия в рамке наружу корпуса.
Недостатками технических решений [RU № 2494494 от 27.09.2013] и [RU № 2579544 от 10.04.2016] являются: невозможность их применения для мощных силовых модулей и микросборок, так как габаритные размеры представленных корпусов не позволяют разместить в них несколько кристаллов активных компонентов, схем их управления и пассивные компоненты; наличие паза в рамке для расположения в ней выводов влечет за собой применение элементов для изоляции выводов от рамки (изоляторов) и как следствие усложнение процесса сборки корпуса.
Также из технического уровня известно, что в производстве силовых модулей применяются конструкцииметаллокерамических корпусов полупроводниковых модулей, например типа МК41Ф.8-2, производимый ЗАО «НПО НИИТАЛ» [официальный сайт ЗАО «НПО «НИИТАЛ»/URL: http://www.ниитал.рф], а также конструкция металлокерамического 10-выводного корпуса силового модуля 2М411, выпускаемого АО «ОКБ «Искра», взятая за прототип и содержащая сигнальные и силовые выводы, а также крышку для герметизации прибора. Для электрической изоляции выводов применяют керамические (стеклянные) изоляторы [Моряков О.С. Производство корпусов полупроводниковых приборов. Учеб. пособие для проф. - техн. училищ.  М., «Высшая школа», 1968. 168 с.], впаянные в боковую стенку стального корпуса. В данном случае способ изготовления, включает фрезерование стальной заготовки для основания корпуса, изготовление сигнальных и силовых выводов, керамических изоляторов, высокотемпературную пайку выводов и изоляторов с корпусом и шовно-роликовую герметизацию.
Очевидныминедостатками прототипа являются большая масса, большие габариты, достаточно высокая трудоемкость процесса сборки.
Техническим результатом изобретения является создание герметичного металлокерамического корпуса силового модуля с плоскими выводами, обладающего низкими массо-габаритными показателями, обеспечивающего эффективный отвод тепла от активных компонентов силового модуля и снижающий трудоемкость процесса сборки полупроводникового модуля.
Технический результат достигаетсярешением задачи модернизации конструкции корпуса силового полупроводникового модуля за счет применения высокотеплопроводной керамики в качестве материала керамического основания, а также за счет исключения впаянных в боковые стенки корпуса керамических (стеклянных) изоляторов выводов и использования для электрического контакта токопроводящих элементов модуля на верхней стороне керамического основания c сигнальными и силовыми выводами, припаянными на нижнюю сторону керамического основания корпуса, металлизированных переходных отверстий в керамическом основании.
На фиг. 1 изображена конструкция металлокерамического корпуса силового полупроводникового модуля, где введены следующие обозначения:
1 – керамическое основание корпуса;
2 – сигнальные выводы;
3 – переходные отверстия с верхней стороны основания на сигнальные выводы;
4 – силовые выводы;
5 – переходные отверстия с верхней стороны основания на силовые выводы;
6 – монтажное кольцо (ободок);
7 – теплоотвод;
8 – крышка (на виде сверху – отображена с частичным разрезом).
На фиг. 2 приведен фотоснимок керамического основания корпуса с переходными отверстиями, заполненными металлом. На фиг. 3 приведен микрофотоснимок сечения основания в зоне переходного отверстия. На фиг. 4 изображены теплоотвод, монтажное кольцо (ободок), сигнальные и силовые выводы, крышка. На фиг. 5 изображена ножка собранная. На фиг. 6 изображен металлокерамический корпус силового полупроводникового модуля.
Керамическое основание корпуса (1) представляет собой прямоугольную пластину толщиной 1 мм, изготовленную из высокотеплопроводной керамики на основе нитрида алюминия. На лицевую сторону керамической пластины нанесен слой медной металлизации толщиной 130 мкм для осуществления электрических соединений между электронными компонентами изделия. По правой стороне керамического основания (1) располагается 6 металлизированных переходных отверстий (5) диаметром 2 мм, расположенных в ряд на расстоянии 4,5 мм от края основания, а по левой стороне располагается 7 металлизированных переходных отверстий (3) диаметром 1 мм, расположенных в ряд на расстоянии 3,8 мм от края основания. Переходные отверстия осуществляют электрический контакт площадок металлизации, расположенных на верхней стороне керамического основания, с площадками металлизации, расположенными на нижней стороне керамического основания.
По периметру лицевой стороны основания располагается монтажное кольцо (6), изготовленное из сплава никеля, кобальта и железа (ковар), которое необходимо для последующей герметизации корпуса способом лазерной сварки крышки (8), выполненной из никеля. На обратную сторону также наносится слой металлизации для последующей пайки к левой стороне керамического основания 7 сигнальных выводов (2) и 3 силовых выводов (4) к правой стороне. К центру нижней стороны керамического основания припаян теплоотвод (7), представляющий собой прямоугольную пластину толщиной 1,6 мм, изготовленную из сплава, состоящего из вольфрама, молибдена и меди при их соотношении, мас. %, (47-49):49:(2-5) соответственно. Теплоотвод имеет крепежные отверстия на противоположных сторонах диаметром 5,5 мм.
Способ изготовления металлокерамического корпуса силового полупроводникового модуля на основе высокотеплопроводной керамики состоит из следующей последовательности технологических операций:
– изготовление керамического основания корпуса с переходными отверстиями из высокотеплопроводной керамики;
− металлизация керамического основания и переходных отверстий слоем меди толщиной 130 мкм;
− покрытие металлизации слоем никеля (Хим.Н3) [Гладков А.С. и др. Пайка деталей электровакуумных приборов. М.: Энергия, 1967, с.213-214];
– изготовление теплоотвода, ободка, сигнальных и силовых выводов, крышки;
– терморихтовка теплоотвода и ободка;
– пайка теплоотвода, ободка, сигнальных и силовых выводов с керамическим основанием корпуса с помощью твердого серебросодержащего припоя ПСр-72 при температуре 820 – 900 °С в восстановительной среде;
– нанесение на ножку собранную золотого покрытия (Н.3 Зл.5);
– герметизация корпуса после проведения технологических операций по сборке электрической части модуля с помощью лазерной импульсной сварки.
Предлагаемая конструкция металлокерамического корпуса силового модуля реализуется на керамическом основании, выполненном из нитрида алюминия (AlN), обладающим одним из самых высоких значений теплопроводности (от 170 Вт/м·К до 200 Вт/м·К) в ряде известных изоляционных материалов. Для получения слоя металлизации на поверхности керамики использовалась технология пайки активными металлами AMB (Active Metal Brazing) [Красный И., Непочатов Ю., Кумачёва С., Швецова Ю. Технологии изготовления плат для высокомощных силовых полупроводниковых устройств. Часть 1. Современная электроника/ № 9, 2014. С. 18 – 22]. Толщина медной металлизации составляет 130 мкм. Топологический рисунок металлизации может изменять свою конфигурацию в зависимости от реализуемой электрической схемы прибора. Электрический контакт между слоем металлизации на верхней стороне керамического основания корпуса и сигнальными и силовыми выводами модуля, припаянными на нижнюю сторону керамического основания корпуса, осуществляется за счет металлизированных переходных отверстий в керамическом основании корпуса. В качестве материала ободка используется ковар (сплав никеля, кобальта и железа). Ковар и нитрид алюминия достаточно хорошо согласуются по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР), что позволяет снизить возникающие в конструкции напряжения. Для изготовления теплоотвода корпуса модуля применяется сплав из вольфрама, меди и молибдена (ВМД) с содержанием меди от 3–5%. Этот сплав и керамика AlN имеют довольно близкие по значению ТКЛР, что обеспечивает согласованный спай. Для обеспечения минимального теплового сопротивления и эффективного отвода тепла, выделяемого активными компонентами, пайка керамического основания корпуса с теплоотводом должна обеспечивать отсутствие воздушных пустот. Пайка керамического основания корпуса с теплоотводом, ободком, сигнальными и силовыми выводами осуществляется твердым припоем ПСр-72 при температуре 820 – 900°С в восстановительной среде. Необходимость использования высокотемпературной пайки вызвана требованиями к качеству корпусов, а именно паяный шов должен быть монолитным, поры и воздушные включения должны отсутствовать, что позволяет обеспечить минимальное значение теплового сопротивления конструкции.
Преимуществами изобретения, которые обеспечиваются при решении указанных технических задач, являются:
− малые габариты и масса конструкции, что особенно важно при использовании силовых модулей в составе радиоэлектронной аппаратуры;
− высокие тепловые характеристики, что позволяет эффективно отводить тепло от расположенных на основании корпуса активных электронных компонентов;
− использование плоских выводов позволяет применять различные методы их присоединения к схемам при дальнейшей эксплуатации модуля;
− предлагаемая конструкция и технология ее изготовления обеспечивают высокое качество монтажа кристаллов в корпус и облегчают процессы сборки электрической части прибора;
− лазерная импульсная сварка крышки обеспечивает достаточную герметичность силового полупроводникового модуля.
Изобретение является промышленно осуществимым, поскольку его реализация предполагает использование типичных материалов для производства микроэлектроники. Описанная конструкция металлокерамического корпуса и способа его изготовления была реализована для создания опытного образца транзисторного полумостового модуля, однако данное может применяться для широкого спектра изделий микроэлектронной промышленности.