ТЕПЛООТВОД ИЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА АЛЮМИНИЙ-КАРБИД-КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к полупроводниковой электронике и может быть использована в составе СВЧ транзисторов на GaN и силовой электроники.
Известен теплоотвод из алмаз-карбид-кремниевого композита с покрытием монтажных поверхностей медной фольгой, припаянной активной пайкой и боковых внешних поверхностей, покрытых химическим никелем и медью [Катаев С.В. Корпуса изделий мощной СВЧ и силовой твердотельной электроники с теплоотводами из новых материалов с высокой теплопроводимостью: Дис. канд. техн. наук: спец. 05.27.01 / С.В. Катаев. – М.: 2018. – с.104-105]. Данное техническое решение обеспечивает бездефектные монтажные поверхности и низкое электрическое сопротивление боковых поверхностей, но не может быть использовано для теплоотводов из металломатричных композитов алюминий-карбид-кремния или алюминий-алмаз, поскольку адгезия химически осаждённых слоёв никеля и меди к частицам карбида кремния отсутствует. В местах выхода частиц алмаза на поверхность композита могут появляться непокрытые никелем пятна и точки, а также после нагрева вздутия химически осаждённого покрытия, что может привести к локальным перегревам, например, транзисторных структур, смонтированных на теплоотводе из композита. Кроме того, присоединение медной фольги к монтажным поверхностям теплоотвода из металломатричных композитов алюминий-карбид-кремния или алюминий-алмаз невозможна из-за низкой температуры плавления алюминия.
Известен теплоотвод из композиционного материала алмаз-алюминий, полученный инфильтрацией расплава металла в плотный слой частиц и с финишным покрытием теплоотвода, химически осаждённым никелем (Фиг.1) [Бондарь Д. Металлические и композитные теплопроводящие материалы для мощных полупроводниковых корпусов // Компоненты и технологии. – 2014. – №12. – с. 158-159]. В данном техническом решении адгезия химически осаждённых слоёв никеля к частицам алмаза отсутствует. В местах выхода частиц алмаза на поверхность композита могут появляться непокрытые никелем пятна и точки, а также после нагрева вздутия химически осаждённого покрытия, что может привести к локальным перегревам, например, транзисторных структур, смонтированных на теплоотводе из композита.
На Фиг. 2 представлена фотография увеличенного в 12 раз фрагмента поверхности теплоотвода из металломатричного композита AlSiC с высоким (до 70%) содержанием SiC и размерами частиц SiC от 60 до 200 мкм. На Фиг. 3 представлен фрагмент теплоотвода, покрытого химическим никелем с толщиной слоя 6 мкм. На монтажной поверхности видны непокрытые никелем пятна и точки. На фотографии фрагмента поверхности теплоотвода из металломатричного композита AlSiC, увеличенного в 50 раз (Фиг.4), видны вздутия покрытия после нагрева до температуры 200°С.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является теплоотвод из металломатричного композита AlSiC с высоким (до 70%) содержанием SiC для полупроводниковых изделий силовой электроники, поверхность которого для соединения с другими элементами изделия с помощью пайки покрыта химическим никелем, обладающим хорошей паяемостью [Каблов Е.Н., Щетанов Б.В., Шавнев А.А. Повышение надёжности IGBT модулей с применением металлического композиционного материала AlSiC. Экономика и управление в машиностроении. – 2011. – № 2. – с. 49-52].
В данном техническом решении, как и в предыдущем, адгезия химически осаждённых слоёв никеля и золота к частицам карбида кремния отсутствует.  В местах выхода частиц карбида кремния на поверхность композита могут появляться непокрытые никелем пятна и точки, а также после нагрева вздутия химически осаждённого покрытия, что может привести к локальным перегревам, например, транзисторных структур, смонтированных на теплоотводе из композита.
Техническим результатом полезной модели является создание теплоотвода из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния с преимуществом бездефектной монтажной поверхности.
Указанный технический результат обеспечивается использованием в теплоотводе с основанием из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния с покрытием внешней поверхности химическим никелем, в котором к монтажной поверхности основания из композита припаяна алюминиевая фольга толщиной равной 0,1-0,15 мм.
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг. 5. На Фиг. 5 представлен теплоотвод из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния, состоящий из основания 1, представляющего собой основание из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния, к монтажной поверхности которого припаяна алюминиевая фольга 2. При этом обеспечивается хороший отвод тепла от полупроводниковой структуры, согласованность по тепловому расширению полупроводниковых структур и композита, а также отсутствие дефектов в никелевом покрытии монтажной поверхности теплоотвода.
Были собраны образцы теплоотводов с основанием из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния толщиной 4 мм, содержащего 70% частиц карбида кремния с размерами 40-70 мкм.
На одном образце на монтажную поверхность была припаяна эвтектическим сплавом алюминий-германий алюминиевая фольга (сплав 1050) толщиной 0,06 мм. На втором образце на монтажную поверхность была припаяна алюминиевая фольга толщиной 0,1мм. На третьем образце на монтажную поверхность была припаяна алюминиевая фольга толщиной 0,15 мм. На четвёртом образце на монтажную поверхность была присоединена алюминиевая фольга толщиной 0,2 мм. Все образцы, включая образец без фольги, были покрыты химическим никелем толщиной 6 мкм.
Образцы были визуально осмотрены под микроскопом при шестнадцатикратном увеличении. На каждом образце припоем золото-германий были припаяны при температуре 420°С штырьки диаметром 1 мм по 10 штырьков на каждом образце.
После пайки образцы были визуально осмотрены под микроскопом при шестнадцатикратном увеличении.
После осмотра была определена адгезия покрытия по усилию отрыва штырьков.
Были получены следующие результаты:
- на образце покрытым никелем имелись непокрытые участки поверхности частиц карбида кремния, выходящие на монтажную поверхность теплоотвода;
2
2
- адгезия 7 штырьков составила 2,5-3 кг/мм; адгезия 3 штырьков составила 0,3-0,5 кг/мм; на поверхности теплоотвода после пайки на 7% поверхности появились вздутия никеля;
- неплоскостность опорной поверхности теплоотвода составила 0,005 мм (исходная);
- на образце с припаянной фольгой толщиной 0,06 мм непокрытые участки поверхности частиц карбида кремния, выходящие на монтажную поверхность теплоотвода, отсутствовали;
2
2
- адгезия 8 штырьков составила 3,5-4 кг/мм; адгезия 2 штырьков составила 1,2-2,1 кг/мм; на поверхности теплоотвода после пайки на 2% поверхности появились вздутия никеля;
- неплоскостность опорной поверхности теплоотвода составила 0,07 мм;
2
- на образце с припаянной фольгой толщиной 0,1 мм непокрытые участки поверхности частиц карбида кремния, выходящие на монтажную поверхность теплоотвода, отсутствовали; адгезия 10 штырьков составила 3,5-4 кг/мм;
- на поверхности теплоотвода после пайки вздутие никеля отсутствовало; неплоскостность опорной поверхности теплоотвода составила 0,01 мм;
2
- на образце с припаянной фольгой толщиной 0,15 мм непокрытые участки поверхности частиц карбида кремния, выходящие на монтажную поверхность теплоотвода, отсутствовали; адгезия 10 штырьков составила3,5-4 кг/мм;
- на поверхности теплоотвода после пайки вздутие никеля отсутствовало; неплоскостность опорной поверхности теплоотвода составила 0,015 мм;
2
- на образце с припаянной фольгой толщиной 0,2 мм непокрытые участки поверхности частиц карбида кремния, выходящие на монтажную поверхность теплоотвода, отсутствовали; адгезия 10 штырьков составила3,5-4 кг/мм;
- на поверхности теплоотвода после пайки вздутие никеля отсутствовало; неплоскостность опорной поверхности теплоотвода составила 0,02 мм.
Из приведенных результатов испытаний видно, что годными являются образцы с фольгой толщиной 0,1-0,15. Теплоотвод с фольгой толщиной 0,2 мм, припаянной к монтажной поверхности теплоотвода из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния показывает, что увеличение толщины фольги более 0,15 мм не улучшают качество поверхности по сравнению с теплоотводами, покрытыми фольгой с толщиной 0,1-0,15 мкм, но из-за разницы в тепловом расширении алюминия и композита увеличивается изгиб теплоотвода.
На Фиг. 6 представлена фотография теплоотвода, соответствующего полезной модели. Монтажная поверхность теплоотвода не имеет дефектов.
Список литературы:
1. Катаев С.В. Корпуса изделий мощной СВЧ и силовой твердотельной электроники с теплоотводами из новых материалов с высокой теплопроводимостью: Дис. канд. техн. наук: спец. 05.27.01 / С.В. Катаев – М.: 2018. – с.104-105
2. Бондарь Д. Металлические и композитные теплопроводящие материалы для мощных полупроводниковых корпусов // Компоненты и технологии. – 2014. – №12. – с. 158-159
3. Каблов Е.Н., Щетанов Б.В., Шавнев А.А. и др. Повышение надёжности IGBT модулей с применением металлического композиционного материала AlSiC// Экономика и управление в машиностроении. – 2011. – № 2. – с. 49-52