ТЕПЛООТВОД ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА НА ОСНОВЕ CVD АЛМАЗА

Полезная модель относится к электронной технике и может быть использована в полупроводниковых приборах для эффективного отвода тепла от активных элементов. Полукристаллический CVD алмаз является перспективным материалом для теплоотводов мощных транзисторов. Пластины CVD алмаза диаметром 50-100 мм и толщиной 0,3-2 мм выращивают плазмохимическим осаждением из газовой смеси метана и водорода на полированную пластину из кремния при воздействии СВЧ разряда. Шероховатость ростовой поверхности – 10-50 мкм, обратная сторона по шероховатости повторяет поверхность кремниевой пластины (Фиг. 1, Фиг. 2) [М.П. Духновский, А.К. Ратникова, Ю.Ю. Фёдоров / Термическая обработка поликристаллического CVD алмаза с целью формирования гладкой поверхности // Электронная техника, сер.1. СВЧ техника, вып. 2(495).2008]. Для использования алмазных пластин ростовую поверхность полируют, используя шлифовку и полировку алмазными порошками, либо воздействием коротких импульсов лазерного излучения, либо используя взаимное растворение металла и углерода т.д. Такая обработка алмазных пластин отличается большой трудоёмкостью и длительностью.
Использование алмаза для полупроводниковых приборов неразрывно связано с металлизацией поверхностей, предназначенных для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа алмазного теплоотвода на основании прибора.
Известно, что покрытие алмаза металлом является весьма сложной проблемой, так как алмаз имеет чрезвычайно низкую адгезию к любым материалам. В данной работе предложена полированная алмазная пластина, покрытая ионно-легированным слоем кремния покрытым тонкоплёночной металлизацией титан, молибден, никель. Основным недостатком такой пластины является тудоёмкость её изготовления [Духновский М. П., Крысов Г.А., Ратникова А. К. Металлизация пластин из CVD-алмаза // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ техника, вып. 1(494), 2008, с. 3-7].
Известна пластина алмаза, на модифицированной поверхности которой осаждён химический никель [Патент США № 6348240, опубл. 19.02.2002 г. НКИ 427/539]. Данная металлизированная пластина алмаза выдерживает испытание на отрыв лентой Scotch. Основным недостатком данной пластины является низкая адгезия металла к алмазу.
Известен металлизированный элемент из CVD алмаза для пайки твёрдыми припоями [Вяхирев В. Б., Духновский М. П., Ратникова А. К., Федоров Ю. Ю. Изолирующие теплоотводы на основе CVD-алмаза для силовой электроники // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ техника, вып. 3(502), 2009, с. 40] с полированной поверхностью до шероховатости 1,000 Å и металлизированный вакуумным осаждением металлов. При этом первый слой - хром толщиной 200-10,000 Å, второй слой - барьерный из вольфрама, молибдена, тантала, ниобия, сплава хрома с тугоплавким металлом, верхний слой-медь серебро, толщиной 200-50,000 Å. Такая обработка алмазных пластин отличается большой трудоёмкостью и длительностью.
Известен способ модификации поверхности синтетического алмаза, обеспечивающий приемлемый уровень адгезии тонкоплёночной и толстоплёночной металлизации для электронных приборов (патент США № 5853888 от 29.12.1998). В изобретении раскрыт принцип металлизации синтетических алмазных подложек, в котором решаются трудности слабой адгезии обычных соединительных материалов (таких как алюминий, золото, медь и другие) к алмазу и необходимости нанесения дополнительного промежуточного металлического слоя для обеспечения приемлемого уровня адгезии теплоотвода и подложки, а также способ её осуществления.
Но тонкоплёночная металлизация требует длительной и трудоёмкой полировки поверхности алмаза.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является теплоотвод полупроводникового прибора [Патент РФ № 131235, МПК H01L23/34, опубликован 10.08.2013], состоящий из пластины CVD алмаза, содержащей металлизацию на поверхностях, предназначенных для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода в приборе. Пластина CVD алмаза металлизирована тонкоплёночной металлизацией системы титан-платина, что требует длительной и трудоёмкой полировки поверхностей, подлежащих металлизации.
Результатом указанного технического решения является снижение трудоёмкости изготовления теплоотвода на основе поликристаллического CVD алмаза за счёт исключения операций длительной и трудоёмкой шлифовки и полировки, по крайней мере, ростовой поверхности алмаза.
Технический результат обеспечивается тем, что в теплоотводе полупроводникового прибора на основе CVD алмаза, состоящем из пластины CVD алмаза с металлизированными поверхностями, предназначенными для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода на основании прибора, поверхность алмаза (полированная), предназначенная для монтажа кристалла, металлизирована тонкоплёночной металлизацией, а поверхность алмаза, предназначенная для монтажа теплоотвода на основании прибора, выбрана ростовой (без обработки) и металлизирована припаянной к ней медной фольгой, причём в зоне пайки углубления в шероховатой ростовой поверхности заполнены припоем с высокой теплопроводностью.
Осаждённая в вакууме тонкоплёночная система металлизации на полированной поверхности CVD алмаза, предназначенная для монтажа полупроводникового кристалла имеет толщину всего лишь несколько микрометров и практически не влияет на тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом и алмазом.
Влиянием на тепловое сопротивление между алмазом и медной фольгой шероховатой ростовой поверхности алмаза также можно пренебречь, поскольку, как указано выше, шероховатость ростовой поверхности составляет 10-50 мкм, а рекомендованный зазор для вакуумноплотного соединения деталей высокотемпературной пайкой для многих высокотемпературных припоев, например, ПСр-72 составляет до 75 мкм [Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, C. 69], что обеспечивает гарантированное заполнение углублений в шероховатой ростовой поверхности алмаза припоем с высокой теплопроводностью.
На Фиг. 3 представлена соответствующая заявленному техническому решению конструкция алмазного теплоотвода полупроводникового прибора в виде алмазной пластины 1 с осаждённой в вакууме тонкоплёночной системой металлизации 2 на поверхности, предназначенной для монтажа полупроводникового кристалла. Поверхность алмаза, предназначенная для монтажа теплоотвода на основании прибора, выбрана ростовой без обработки и металлизирована припаянной к ней медной фольгой 3.