УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ИС
IC COOLING DEVICE

Изобретение относится к области электроники и предназначено для отвода тепла от ИС, СБИС, силовых модулей, блоков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и т.п.
Тепловой режим полупроводниковых изделий (ППИ) в значительной степени определяет их надежность. Статистика показывает, что в 60% случаев причиной выхода радиоэлектронной аппаратуры из строя является нарушение теплового режима как устройства в целом, так и отдельных его элементов.
Разработка способов и устройств отвода тепла от ППИ - это актуальная задача, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники.
Существуют различные способы отвода тепла от ИС, СБИС, силовых модулей, блоков РЭА и т.п.
Известен теплоотвод [1], представляющий собой устройство из алюминиевого сплава для отвода тепла с использованием термоэлектрического элемента Пельтье, которое имеет форму куба и монтируется к охлаждаемому прибору нижней поверхностью. Параллельно нижней установочной поверхности объем куба просверлен насквозь в нескольких местах по взаимно перпендикулярным направлениям. Для улучшения воздушной вентиляции устройства сквозные отверстия сообщаются с вертикальными отверстиями, выходящими на верхнюю поверхность куба. Одновременно в объем куба введено несколько тепловых трубок, заполняемых на 15-18% своего объема рабочей охлаждающей жидкостью.
Основным недостатком данного теплоотвода является сложность технологии сборки охлаждающего полупроводникового блока к охлаждаемому изделию микроэлектроники.
Основными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением термоэлектрических модулей (ТЭМ) на основе эффекта Пельтье являются [2]:
малые габариты (3,4 мм×3,4 мм) и вес (меньше 2 г.) определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фотоэлектронике;
высокая надежность, например, компания «КРИОТЕРМ» гарантирует для своих ТЭМ среднее время наработки на отказ не менее 200000 часов;
2
высокая охлаждающая способность на единицу веса и объема - до 150 Вт/г и до 100 Вт/см;
возможность плавного и высокоточного регулирования температурного режима;
малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева.
ТЭМ на основе эффекта Пельтье включают более 250 наименований со стандартными типоразмерами (40 мм×40 мм,30 мм×30 мм, 15 мм×15 мм и др.), а также специально разработанные от микромодулей до модулей с габаритами 62,5 мм×62,5 мм.
Основным недостатком использования ТЭМ является снижение передачи тепла от ИС, СБИС, силовых модулей и блоков РЭА к охладителю.
Известно [3], что силовые модули крепятся к охладителю с помощью винтов, заклепок, подпружинистых шайб и др. Для наилучшей передачи тепла от основания к охладителю используют теплопроводящие пасты и специальные прокладки из алюминиевой фольги, тонкие прокладки из теплопроводящего, но изолирующего материала (каптона, полиамидной пленки). Использование специальных теплопроводящих паст и прокладок необходимо для сглаживания неровностей соединяемых поверхностей. Чем больше шероховатость поверхностей, тем толще должен быть вспомогательный слой.
Таким образом, эти факторы усложняют технологию сборки ППИ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство охлаждения ИС [4], заключающееся в том, что на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него - охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье. На верхнюю горячую поверхность охлаждающего блока присоединяется радиатор, к которому привинчивается вентилятор. Для сборки устройства применяется теплопроводящая адгезионная пленка.
Основным недостатком данного устройства является снижение теплоотвода от кристалла к корпусу из-за использования промежуточной адгезионной пленки. Кроме того, использование радиатора и вентилятора усложняет технологию сборки ИС.
Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это повышение теплоотвода от кристалла к корпусу; упрощение технологии сборки ППИ с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье.
Эта задача достигается тем, что в устройстве охлаждения ИС, основанного на использовании эффекта Пельтье, по которому на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье, отличающееся тем, что основание корпуса ИС является одновременно верхним теплопереходом охлаждающего полупроводникового блока, при этом пайка кристаллов к подложке, подложки с основанием корпуса (верхним теплопереходом ТЭМ), верхнего теплоперехода с одной поверхностью полупроводниковых ветвей p- и n-типа проводимости происходит при температуре на 20-25°C ниже температуры пайки другой поверхности полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу, причем полупроводниковые ветви размещены между теплопереходами таким образом, что все горячие поверхности контактируют с одним теплопереходом, а все холодные - с противоположным и с помощью металлизации соединены в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания, для контроля температуры корпуса ИС к нему крепится термопара, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания.
Сравнение заявляемого устройства охлаждения ИС с другими устройствами [1-4] из известного уровня техники также не позволило выявить в них признаки, заявляемые в отличительной части формулы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:
на фиг.1 - кристалл ИС;
на фиг. 2 - подложка из DBC керамики;
на фиг. 3 - основание корпуса ИС (верхний теплопереход ТЭМ);
на фиг. 4 - нижний теплопереход ТЭМ с полупроводниками n- и p-типа до сборки;
на фиг.5 - нижний теплопереход ТЭМ с полупроводниками n- и p-типа после сборки;
на фиг.6 - схема сборки устройства охлаждения ИС;
на фиг.7 - общий вид устройства охлаждения ИС с охлаждающим полупроводниковым блоком (ТЭМ).
Устройство охлаждения ИС реализуется по схеме (фиг.1). На сборку поступают готовые полупроводниковые кристаллы 1, на лицевой поверхности которых имеются контактные площадки 2, например, в виде алюминиевой металлизации для последующего монтажа внутренних выводов, а на паяемой поверхности кристаллов 1 - многослойная пленочная металлизация 3, например, Ti, Ni-Ti, Ag.
2
3
На фиг.2 представлена подложка 4 из DBC-керамики (Direct Bonding Copper), выполняющая роль электроизолирующего и теплопроводящего слоя между кристаллом и корпусом. DBC-керамика (AlO или AlN) с двух сторон имеет металлизацию 5, полученную методом прямого (диффузионного) сращивания с медной фольгой, на которой нанесено никелевое покрытие и любым известным способом припой 6, например, сплав 70Bi/30Sn (в %), имеющий температуру плавления 175°C. Металлизация 5 с припоем 6 нижней поверхности подложки 4 сплошная, а верхней - в виде контактных площадок под пайку кристаллов 1.
На фиг.3 показано основание корпуса 7, которое является одновременно верхним теплопереходом ТЭМ. Технология нанесения металлизации 5 такая же, как и для подложки 4 (фиг.2). Однако металлизация 5 на верхней поверхности основания корпуса 7 сплошная, а нижней - в виде контактных площадок под пайку полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа проводимости ТЭМ, при этом на контактные площадки нанесен припой 6.
Использование корпуса ИС в качестве верхнего теплоперехода ТЭМ повышает теплоотвод от кристалла к корпусу.
На фиг.4 представлен нижний теплопереход 8 ТЭМ, который изготавливается отдельно и состоит из того же материала и имеет такую же металлизацию 5, что и основание корпуса 7 (верхний теплопереход). Однако металлизация 5 контактных площадок покрыта припоем 9, например, сплавом 80Bi/20Sn (вес.%), имеющего температуру плавления 200°C. На полупроводниковые ветви p-типа 10 и n-типа 11 предварительно нанесено антидиффузионное покрытие 12, которое хорошо паяется припоями 6 и 9.
Для повышения надежности ТЭМ необходимо при сборке использовать припой (можно пасту или клей), компоненты которых не вступают в реакцию с термоэлектрическим материалом (ветвями p- и n-типа) и не служат источником диффузионной, легирующей или реагентной активности.
2
На фиг.5 представлена схема сборки нижнего теплоперехода 8 ТЭМ с полупроводниковыми ветвями 10 и 11. Пайка (укладка) полупроводниковых ветвей 10 и 11 на контактные площадки нижнего теплоперехода 8 может осуществляться вручную или механизированным способом (для ветвей сечением более 1 мм). При этом полупроводниковые ветви контактируют с теплопереходом горячей поверхностью или холодной. Температура пайки подбирается опытным путем исходя из температуры плавления припоя 9. При кристаллизации припоя 9 образуется паяное соединение 13 полупроводниковых ветвей 10 и 11 с нижним теплопереходом 8 ТЭМ.
На фиг.6 приведена схема сборки устройства охлаждения ИС, которая осуществляется в следующей последовательности: полупроводниковый кристалл 1 совмещается с контактными площадками подложки 4, которая устанавливается на основание корпуса 7 (верхний теплопереход). Контактные площадки верхнего перехода совмещаются с полупроводниковыми ветвями, уже присоединенными другой стороной к нижнему теплопереходу 8. Фиксация кристалла 1, подложки 4, основания корпуса 7 относительно полупроводниковых ветвей 10 и 11 осуществляется в прецизионных кассетах. При нагреве до температуры пайки припой 6 расплавляется, а при кристаллизации образуется паянное соединение 14 кристалла 1 с подложкой 4, подложки 4 с основанием корпуса 7 (верхнего теплоперехода), верхнего теплоперехода с полупроводниковыми ветвями 10,11 нижнего теплоперехода.
Таким образом, упрощается технология сборки ППИ с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье.
Температура пайки с использованием припоя 6 должна быть ниже на 20-25°C температуры плавления припоя 9 состава 80Bi/20Sn (вес.%) для пайки полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу. В противном случае может произойти распайка полупроводниковых ветвей с нижнего теплоперехода и смещение их относительно друг друга.
Соединения контактных площадок кристаллов ИС между собой и траверсами корпуса формируются с использованием внутренних выводов 15 и 16. После внутреннего монтажа выводов осуществляется герметизация ИС любым известным способом с использованием крышки 17.
На фиг.7 представлен общий вид устройства охлаждения ИС с охлаждающим полупроводниковым блоком (ТЭМ).
Металлизация 5 с высокой электропроводностью верхнего и нижнего теплопереходов соединена в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания 18.
Для контроля температуры корпуса ИС к нему крепится термопара 19, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) ИС 20 термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания 21.
Защита полупроводниковых ветвей и металлизации теплопереходов ТЭМ от внешней среды осуществляется заливкой специальным компаундом 22.
На основании вышеизложенного сделано заключение, что использование предлагаемого устройства для охлаждения ИС обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие приемущества:
1. Повышается теплоотвод от кристалла к корпусу.
2. Упрощается технология сборки ППИ с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье.
Источники информации
5
1. Теплоотвод. Heat Radiating device. Пат.5213153 США, МКИ F28D 15/02 / Itoh Satomi; Itoh Research and development Lab. CO., Ltd. - №853417; Заявл. 17.3.92; Опубл. 25.5.93; Приор. 20.3.91, №3-130845 (Япония); НКИ 165/104.33.
2. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Силовая электроника,2009. №12. С.122, 126.
3. Исламгазина Л. Применение различных материалов, обеспечивающих оптимальные тепловые режимы силовых полупроводниковых приборов, в том числе модулей и твердотельных реле // Силовая электроника, 2005. №3. С.97, 98.
6
4. Устройство охлаждения ИС. Integrated circuit cooling apparatus: Пат. 5457342 США, МКИ H01L 23/02 / Herbst Gerhard G. - №220204; Заявл. 30.3.94; Опубл. 10.10.95; НКИ 257/712 (прототип).