СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОАРМИРОВАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Al-SiC И ИЗДЕЛИЕ, ПОЛУЧЕННОЕ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD OF PRODUCING HIGHLY-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL Al-SiC AND ARTICLE BASED THEREON

Изобретение относится к способам получения композиционных материалов для теплоотводящих оснований полупроводниковых приборов, в частности, композиционного материала Al-SiC, имеющего металлическое покрытие, и изделиям, полученным с использованием этих материалов.
Развитие электронной техники, такой как биполярные и силовые транзисторы, светоизлучающие диоды, устройства микроволновой и оптоэлектронной техники, ставит задачу быстрого и эффективного отвода тепла от нагревающихся в процессе работы электронных компонентов. Наиболее эффективный теплоотвод обеспечивается при непосредственном креплении электронного устройства (интегральной схемы) к теплоотводящему корпусу или основанию. Традиционные теплоотводящие материалы, такие как алюминиевые и медные сплавы, железоникелевые сплавы типа Ковар, а также псевдосплавы CuW или CuMo, имеют либо слишком большую разницу коэффициентов термического расширения (КТР) с материалом электронного устройства (как правило, это кремний (Si) или арсенид галлия (GaAs)), что приводит к разрушению прибора, либо недостаточную теплопроводность, что не обеспечивает быстрый отвод тепла.
Металломатричный композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированного частицами карбида кремния, обеспечивает набор свойств, удовлетворяющий всем требованиям к материалу подобного назначения: низкий удельный вес, регулируемый КТР, максимально приближенный к КТР Si или GaAs, из которых изготовлены электронные микросхемы, высокую прочность и твердость, высокую теплопроводность при низкой стоимости исходных материалов. Существует два основных метода получения композиционных материалов Al-SiC: литьевой и порошковый, однако в обоих случаях на поверхности композиционного материала остаются шероховатости, поры или раковины, которые затрудняют дальнейшую обработку материала и пайку интегральной схемы на его поверхность, а, кроме того, служат очагами зарождения коррозии. Поэтому необходимо на поверхности композиционного материала Al-SiC обеспечить слой металла, например алюминия, который позволит получить материал с гладкой поверхностью, легко поддающейся дальнейшей обработке.
Известен способ получения композиционного материала Al-SiC с объемной долей карбида кремния от 30 до 80%, включающий пропитку предварительно нагретых до 850-900°С частиц карбида кремния в насыпном состоянии алюминиевым расплавом при механическом перемешивании с последующим двухсторонним горячим прессованием в нагретых до температуры приготовления композиционной смеси пресс-формах при давлении 2,0-2,2 ГПа (Патент РФ №2356968).
Недостатком данного способа является то, что известный способ не обеспечивает нанесения слоя алюминия на поверхность композиционного материала, что ухудшает свойства получаемого материала и затрудняет его дальнейшую обработку. Использование двухстороннего горячего прессования повышает энерго- и трудозатраты процесса и, соответственно, стоимость получаемого материала.
Известен способ получения композиционного материала Al-SiC, покрытого слоем алюминия, включающий компактирование порошковой смеси алюминия и карбида кремния с получением сырой заготовки, размещение сырой заготовки в форме пресса таким образом, что алюминиевый материал покрытия в виде порошка, пластин или фольги контактирует с поверхностью сырой заготовки, их нагрев и прессование при температуре не ниже точки плавления алюминия с получением композиционного материала Al-SiC, покрытого слоем алюминия, который может быть использован в качестве теплоотводящих оснований микросхем и корпусов полупроводниковых приборов (Патент США №6077327).
Недостатком данного способа является необходимость горячего прессования каждой сырой заготовки в высокотемпературном прессе, так как эта операция требует существенного времени нагрева и охлаждения, что повышает продолжительность технологического цикла и стоимость материала. Кроме того, высокая твердость сырой заготовки, состоящей из композиционного материала Al-SiC, приводит к повышенному износу пресс-формы во время горячего прессования, что требует частой смены штампового оборудования и, соответственно, также увеличивает стоимость конечного изделия.
Известен также принятый за прототип способ получения высокоармированного композиционного материала Al-SiC с металлическим слоем на поверхности, предназначенный для использования в качестве теплоотводящего основания полупроводниковых приборов, в частности, печатных плат. Способ включает пропитку порошка SiC расплавом алюминия или алюминиевого сплава в штампе с получением плоского элемента из композиционного материала Al-SiC, диффузионное соединение плоского элемента с алюминиевой фольгой, расположенной, по крайней мере, с одной стороны плоского элемента методом горячего прессования или прокатки.
Таким образом получают теплоотводящее основание полупроводникового прибора, которое включает плоский элемент из композиционного материала Al-SiC и слой алюминиевого сплава по крайней мере с одной стороны плоского элемента.
Изделие, полученное с использованием данного основания, может включать дополнительно слои промежуточного металла (меди) и припоя, интегральную схему и дополнительные теплоотводящие элементы (Патент США №7323255).
Недостатками данного способа являются двухстадийность технологического процесса (пропитка + горячее прессование или прокатка) и невозможность получения более одного теплоотводящего основания за одну операцию, что увеличивает время технологического цикла и повышает стоимость изделия.
Технической задачей данного изобретения является создание способа получения высокоармированного композиционного материала Al-SiC для теплоотводящего основания полупроводниковых приборов, обеспечивающего снижение времени технологического цикла, повышение производительности процесса, и снижение стоимости изделия, выполненного с использованием этого основания.
Для решения поставленной задачи предложен способ получения высокоармированного композиционного материала Al-SiC для теплоотводящего основания полупроводниковых приборов, включающий пропитку порошка SiC расплавом алюминия или алюминиевого сплава и диффузионное соединение пропитанной заготовки с алюминиевой фольгой, размещенной, по крайней мере, с одной ее стороны, в котором порошок SiC используют в виде предварительно скомпактированной в форме теплоотводящего основания пористой заготовки, размещение алюминиевой фольги на пористой заготовке осуществляют перед пропиткой ее расплавом алюминия или алюминиевого сплава, а их диффузионное соединение совмещают с пропиткой пористой заготовки.
Пористые заготовки с размещенной по крайней мере на одной стороне алюминиевой фольгой перед пропиткой алюминием или алюминиевым сплавом могут быть собраны в пакет, включающий две и более пористых заготовок.
Пористые заготовки в пакете отделяют друг от друга металлическими пластинами, имеющими температуру плавления выше температуры плавления алюминия или алюминиевого сплава.
Теплоотводящее основание для полупроводниковых приборов, выполненное предложенным способом, включает плоский элемент из композиционного материала Al-SiC и слой алюминиевого покрытия, расположенный по крайней мере с одной его стороны.
Изделие силовой электроники или преобразовательной техники включает теплоотводящее основание, изготовленное в соответствии с предложенным способом.
Использование при осуществлении предложенного способа порошка SiC в виде предварительно скомпактированной в форме теплоотводящего основания пористой заготовки, совмещение двух технологических операций: пропитки пористой заготовки и ее диффузионного соединения с покрытием - алюминиевой фольгой, а также возможность изготовления нескольких теплоотводящих оснований за одну технологическую операцию позволяют обеспечить снижение времени технологического цикла, повышение производительности процесса и, соответственно, снижение стоимости изделия.
Примеры осуществления
Пример 1
Для получения компактированной заготовки карбида кремния брали порошок карбида кремния, состоящий из 72 об.% частиц размером 200-250 мкм, и 28 об.% частиц размером 90-125 мкм, перемешивали в шаровой мельнице, компактировали в разъемной пресс-форме и сушили, в результате получили пористую заготовку размером 104×59×3 мм. Затем на одной поверхности компактированной заготовки разместили слой алюминиевой фольги толщиной 0,5 мм. Полученную заготовку с покрытием помещали в устройство для пропитки, вакуумировали, и опускали под слой расплава алюминия при температуре выше температуры плавления алюминия на 100°С. Процесс пропитки проводили при подаче в устройство инертного газа под давлением 4 МПа. В результате получили теплоотводящее основание для полупроводникового прибора из композиционного материала Al-50% SiC с алюминиевым покрытием с одной стороны. Для получения изделия (IGBT-модуля) полученное теплоотводящее основание подвергали прецизионной механической обработке, никелированию и пайке с использованием DBC-плат электронных чипов на никелированную поверхность.
Пример 2
Получение теплоотводящих оснований из композиционного материала Al-SiC проводили по примеру 1, только для получения пористых заготовок карбида кремния брали 60 об.% частиц размером 200-250 мкм, 25 об.% частиц размером 90-125 мкм и 15 об.% частиц размером 1-15 мкм, компактировали заготовки размером 137×127×5 мм, алюминиевую фольгу размещали на обеих сторонах компактированных пористых заготовок, проводили сборку пакета из 8 заготовок, разделяя их титановыми пластинами, а пропитку проводили в расплаве алюминиевого сплава АК12оч (Al-Si). В результате получили 8 элементов из композиционного материала Al-70% SiC с алюминиевым покрытием с двух сторон.
Пример 3
Получение теплоотводящих оснований проводили по примеру 1, только для получения пористых заготовок карбида кремния брали 70 об.% частиц размером 200-250 мкм и 30 об.% частиц размером 90-125 мкм, компактировали заготовки в виде дисков ⌀56×3 мм и собирали пакет из 10 заготовок. В результате получили 10 элементов из композиционного материала Al-60% SiC с алюминиевым покрытием.
Пример 4 по прототипу
Форму устройства для пропитки заполнили порошком карбида кремния, состоящего из 65 об.% частиц размером 200-250 мкм, 35 об.% частиц размером 90-125 мкм, и залили в нее расплав алюминиевого сплава Al-11% Si под давлением инертного газа. После кристаллизации полученную заготовку из композиционного материала Al-SiC разместили в форме пресса, на одной из сторон заготовки поместили слой фольги из алюминиевого сплава Al-2% Mg и подвергли ее горячему прессованию при температуре 540°С. В результате получили один элемент из композиционного материала Al-60% SiC с алюминиевым покрытием.
В таблице представлены сравнительные результаты времени проведения технологического цикла в соответствии с примерами 1-4.
Таблица
№ примера
Состав композиционного материала
Время технологического цикла, мин
Количество заготовок за 1 цикл, шт
1
Al-50% SiC
15
1
2
Al-70% SiC
30
8
3
Al-60% SiC
30
10
4 (прототип)
Al-60% SiC
60
1
Из таблицы видно, что предлагаемый способ за счет одновременного проведения операций пропитки и нанесения слоя алюминиевого сплава на поверхность композиционного изделия и возможности получения нескольких теплоотводящих оснований из композиционного материала Al-SiC с алюминиевым слоем за один технологический цикл позволяет значительно сократить время технологического цикла и повысить производительность процесса в 4-20 раз.
Использование предлагаемого способа позволит снизить энергоемкость и трудоемкость процесса и соответственно понизить стоимость получаемых изделий для электронной промышленности.