МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР
POWER SEMICONDUCTOR DEVICE

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в мощной электронной технике как низкочастотного, так и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона длин волн, а именно к охлаждению мощных полупроводниковых приборов и их элементов.
Широко известно охлаждение полупроводниковых приборов и их элементов посредством контакта с охладителем, представляющим собой металлическую конструкцию - контур с внутренними и внешними стенками с возможностью прохождения либо заполнения между ними теплоносителя - охлаждающей среды, которая отводит тепло в окружающее или иное пространство.
При этом металлическая конструкция может быть выполнена с целью увеличения площади охлаждения со сложной поверхностью, например, в виде различных ребер, отверстий, желобов и так далее.
При этом теплоносителем - охлаждающей средой могут быть:
- охлаждающая жидкость, как, например, в известном охлаждающем устройстве, представляющем собой две пластины, одна из них с выемкой и другая плоская, в образованном ими полом замкнутом объеме проходящие выступы разделяют объем на входной и выходной каналы, по которым протекает охлаждающая жидкость [1];
- либо поток воздуха [2];
- либо их комбинация, как, например, в известном устройстве для охлаждения плоских полупроводниковых элементов, выполненном в виде нескольких охлаждающих устройств, каждое из которых имеет две охлаждающие пластины [3]; при этом в каждой пластине имеется длинная щель, в которую установлена часть трубки, частично заполненная испаряющейся рабочей жидкостью; трубка имеет ребра, которые омываются и охлаждаются потоком воздуха, продуваемым вентилятором;
- либо теплозащитные смеси, которые в процессе их эндотермического разложения поглощают тепло от кристалла полупроводникового прибора [4].
При этом материал охладителей должен обладать хорошей теплопроводностью.
Недостатком выше названных аналогов является необходимость прокачки теплоносителя - охлаждающей среды [1-3], что влечет за собой сложность конструкции, последнее присуще и аналогу [4], и, как следствие этого, - низкая технологичность изготовления, низкая надежность, а также значительное увеличение массогабаритных характеристик.
Более того, вышеуказанные недостатки затрудняют и ограничивают, а в ряде случаев исключают возможность их применения, например, в электронных полупроводниковых приборах СВЧ и, особенно, для мощных полупроводниковых приборов.
Известно охлаждение полупроводниковых приборов и их элементов посредством теплопроводящей пластины-прокладки, например:
- теплопроводящей пластины, представляющей собой ряд слоев - слой из терморасширенного графита, расположенного в середине, два клеящих слоя, два эластичных слоя и два внешних металлических слоя, расположенных соответственно с двух сторон первого [5];
- либо теплопроводящей пластины, которая с целью повышения эффективности отвода тепла выполнена с развитой поверхностью охлаждения, а именно пластинчатого типа [6];
- либо теплопроводящей пластины, выполненной в виде металлической сетки, которая имеет ряд преимуществ перед сплошными теплопроводящими пластинами, а именно она мягче, легко поддается сжатию и лучше заполняет зазор между теплоотводом и охлаждаемым полупроводниковым прибором [7];
- либо металлизированной пластины алмаза, как из природного, так и искусственного поликристаллического CVD-алмаза, которая с целью обеспечения адгезии металлизационного покрытия к алмазу и исключения деградации свойств алмаза содержит промежуточный слой между пластиной алмаза и металлизационным покрытием в виде слоя кремния и слоя соединения кремния с углеродом заданной толщины [8].
Среди теплопроводящих пластин металлизированные пластины алмаза, и прежде всего поликристаллического CVD-алмаза, являются перспективными с этой точки зрения материалами, поскольку теплопроводность алмаза, в том числе и поликристаллического CVD-алмаза, значительно выше теплопроводности иных используемых на сегодня материалов.
При этом, что немаловажно, этот материал является изолятором.
Вышеназванные теплопроводящие пластины-прокладки позволили несколько увеличить эффективность отвода тепла и значительно снизить массогабаритные характеристики.
Более того, использование подобных теплопроводящих пластин-прокладок особенно актуально в случае неидеальной поверхности охлаждаемых полупроводниковых приборов и, соответственно, неидеального контакта ее с теплоотводом-охладителем.
А также обеспечивается возможность использования их для любых типоразмеров и конфигураций полупроводниковых приборов.
Известно полупроводниковое устройство, содержащее подложку и теплоотвод также в виде пластины-прокладки, причем подложка имеет на первой стороне, по меньшей мере, один мощный схемный компонент, расположенный на первом печатном проводнике большой площади, а на второй стороне, противоположной стороне расположения мощного схемного компонента, имеет второй печатный проводник большой площади. При этом первый и второй печатные проводники соединены друг с другом, по меньшей мере, одним теплопроводящим межслойным соединением. Подложка второй стороной расположена на теплоотводе с обеспечением теплопроводного контакта между ними, при этом подложка контактирует с теплоотводом через распорки, расположенные на ее второй стороне, при этом зазор между подложкой и теплоотводом заполнен теплопроводящим наполнителем [9 - прототип].
Наличие распорок на второй стороне подложки, благодаря исключению электрического контакта между токопроводящими печатными проводниками и теплоотводом, улучшает электроизоляционные характеристики и, как следствие, надежность.
Однако, с другой стороны, наличие распорок приводит к увеличению толщины теплопроводящего наполнителя и тем самым к ухудшению условий теплопередачи и снижению эффективности отвода тепла и, как следствие, снижению надежности и выходной мощности.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и выходной мощности мощного полупроводникового прибора за счет снижения внутренних напряжений и повышения эффективности отвода тепла.
Указанный технический результат достигается заявленным мощным полупроводниковым прибором, содержащим полупроводниковый кристалл, на одной стороне которого выполнен, по меньшей мере, один мощный схемный элемент, а противоположной стороной полупроводниковый кристалл расположен соосно на металлизированном, по меньшей мере, с двух противоположных сторон теплоотводящем основании, выполненном из высокотеплопроводящего материала, и соединен с ним слоем припоя.
В котором
- часть поверхности металлизированного теплоотводящего основания, на которой расположен полупроводниковый кристалл, выполнена выпуклой либо вогнутой формы, при этом упомянутая форма части поверхности металлизированного теплоотводящего основания выполнена соосно и симметрично относительно центральной оси полупроводникового кристалла,
- форму выпуклости либо вогнутости и, соответственно, величину выпуклости либо вогнутости М части поверхности металлизированного теплоотводящего основания между ее центром и краем определяют из соотношения:
,
где M - величина выпуклости либо вогнутости упомянутой формы части поверхности металлизированного теплоотводящего основания между ее центром и краем, мм,
L - длина наибольшей стороны полупроводникового кристалла, мм,
м.п/п.к
ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения материала полупроводникового (п/п) кристалла, 1/град,
м.м.т.о
ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения материала металлизированного теплоотводящего основания, 1/град,
- при этом разница величин температурного коэффициента линейного расширения упомянутых материалов со знаком плюс соответствует выпуклой, а со знаком минус - вогнутой форме части поверхности металлизированного теплоотводящего основания,
- при этом размер поперечного сечения упомянутой формы части поверхности металлизированного теплоотводящего основания равен размеру поперечного сечения полупроводникового кристалла,
- а размер поперечного сечения металлизированного теплоотводящего основания выполнен с возможностью размещения на нем крышки,
- а соединен полупроводниковый кристалл с упомянутой формой части поверхности металлизированного теплоотводящего основания по всей поверхности их взаимного расположения слоем мягкого припоя, при этом слой мягкого припоя повторяет упомянутую форму части металлизированного теплоотводящего основания,
- а толщина слоя мягкого припоя по краю его поперечного сечения превышает величину выпуклости либо вогнутости М упомянутой формы части поверхности металлизированного теплоотводящего основания на 5-10 мкм соответственно.
III
V
Полупроводниковый кристалл выполнен, например, из полупроводникового материала кремния либо полупроводникового материала типа AB.
Металлизированное теплоотводящее основание выполнено из высокотеплопроводящего материала, например природного алмаза, либо искусственного поликристаллического CVD-алмаза, либо меди.
В случае выполнения полупроводникового прибора СВЧ теплопроводящее основание металлизировано со всех сторон.
Мощный полупроводниковый прибор предназначен, например, для мощных низкочастотных и СВЧ-электронных устройств.
Раскрытие сущности изобретения
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечит следующее.
Выполнение части поверхности металлизированного теплоотводящего основания, на которой расположен полупроводниковый кристалл выпуклой либо вогнутой формы, при этом соосно и симметрично относительно центральной оси полупроводникового кристалла, при этом, когда форму ее выпуклости либо вогнутости и ее величину М соответственно определяют из предложенного соотношения:
во-первых, позволит максимально оптимизировать соотношение температурного коэффициента линейного расширения материала полупроводникового кристалла и температурного коэффициента линейного расширения материала металлизированного теплоотводящего основания и тем самым значительно снизить внутренние напряжения на границе их соприкосновения и, как следствие, - повышение надежности;
во-вторых, обеспечивает возможность использования более тонкого технологически необходимого слоя припоя - слоя мягкого припоя и тем самым повышение эффективности отвода тепла и, соответственно, снижение теплового сопротивления и, как следствие, - повышение надежности и выходной мощности.
Выполнение размера поперечного сечения упомянутой формы части поверхности металлизированного теплоотводящего основания и поперечного сечения полупроводникового кристалла равными обеспечивает повышение эффективности отвода тепла и, соответственно, снижение теплового сопротивления и, как следствие, - повышение надежности и выходной мощности.
Соединение полупроводникового кристалла с упомянутой формой части поверхности металлизированного теплоотводящего основания
- по всей поверхности их взаимного расположения,
- слоем мягкого припоя,
- и когда слой мягкого припоя повторяет упомянутую форму части металлизированного теплоотводящего основания обеспечивает:
во-первых, исключение зазора между ними и тем самым повышение эффективности отвода тепла и, соответственно, снижение теплового сопротивления и, как следствие, - повышение выходной мощности,
во-вторых, снижение внутренних напряжений и, как следствие, - повышение надежности.
Превышение толщины слоя мягкого припоя по краю его поперечного сечения относительно величины выпуклости либо вогнутости М упомянутой формы части поверхности металлизированного теплоотводящего основания на 5-10 мкм соответственно обеспечивает исключение зазора между полупроводниковым кристаллом и упомянутой формой части поверхности металлизированного теплоотводящего основания и тем самым повышение эффективности отвода тепла, соответственно, снижение теплового сопротивления и, как следствие, - повышение выходной мощности.
Толщина слоя мягкого припоя менее 5 мкм не допустима, а более 10 мкм не желательна, так как приводит к снижению эффективности отвода тепла, соответственно, повышению теплового сопротивления и, как следствие, - снижению надежности (и особенно в первом случае вплоть до выхода мощного полупроводникового прибора из строя) и выходной мощности.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже (а и б) дан разрез мощного полупроводникового прибора, где
- полупроводниковый кристалл - 1,
- по меньшей мере, один мощный схемный элемент - 2,
- металлизированное теплоотводящее основание - 3,
- слой мягкого припоя - 4,
- часть поверхности металлизированного теплоотводящего основания, выполненная выпуклой либо вогнутой формы - 5.
При этом:
а - частный случай выполнения части поверхности металлизированного теплоотводящего основания выпуклой формы;
б - частный случай выполнения части поверхности металлизированного теплоотводящего основания вогнутой формы.
Мощный полупроводниковый прибор, содержащий один мощный схемный элемент, например мощный полевой транзистор СВЧ, выполненный на кристалле полупроводникового материала кремния, работает следующим образом.
На электроды затвора и стока мощного полевого транзистора СВЧ подаются необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на электроды затвора - отрицательное, а на электроды стока - положительное относительно истока. На электроды затвора полевого транзистора СВЧ подается СВЧ-сигнал, который усиливается СВЧ-полевым транзистором и подается на его выход.
При этом тепло, выделяемое в процессе работы мощного полевого транзистора СВЧ-полупроводникового кристалла, посредством металлизированного теплоотводящего основания и, прежде всего, части металлизированного теплоотводящего основания, выполненной выпуклой формы, отводится в окружающее пространство.
Пример конкретного выполнения мощного полупроводникового прибора, например мощного транзистора СВЧ.
Полупроводниковый кристалл 1 выполнен из полупроводникового материала кремния, на одной стороне которого расположен один мощный схемный элемент 2, например мощный транзистор СВЧ размером поперечного сечения 7,8×4,6 мм.
-6
Температурный коэффициент линейного расширения полупроводникового материала кремния равен 2,6×10 1/град.
Приготавливают металлизированное теплоотводящее основание 3.
Металлизированное теплоотводящее основание 3 выполнено из поликристаллического CVD-алмаза в виде пластины размером 10×10 мм и толщиной 0,4 мм.
-6
Температурный коэффициент линейного расширения поликристаллического CVD-алмаза равен 1,0×10 1/град.
Далее пластину из поликристаллического CVD-алмаза обрабатывают с обеих сторон в установке типа «Импульс 6» с целью получения заданной шероховатости не более 5 мкм [10].
Затем пластину из поликристаллического CVD-алмаза металлизируют со всех сторон посредством нанесения системы металлов кремний - титан - молибден - никель - золото толщиной 0,05, 0,1, 0,1, 0,2, 3,0 мкм соответственно на установке вакуумного осаждения УВН РЭ.Э-60 [8].
Далее определяют форму выпуклости либо вогнутости и ее величину согласно заявленному соотношению
Из этого видно, что материал полупроводникового кристалла - кремний в сочетании с материалом металлизированного теплоотводящего основания - поликристаллическим CVD-алмазом обеспечивают максимально эффективный отвод тепла при выполнении части поверхности металлизированного теплоотводящего основания 5, на которой расположен полупроводниковый кристалл 1:
а) выпуклой формы,
б) величиной выпуклости, равной 10,1 мкм.
Далее на части поверхности металлизированной пластины поликристаллического CVD-алмаза 5 выполняют данную форму выпуклости с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения полупроводникового кристалла - транзистора - 7,8×4,6 мм любым известным способом, например термической обработкой на железной пластине в установке «Импульс 6».
Затем на выпуклую форму части поверхности металлизированного теплоотводящего основания 5 помещают слой мягкого припоя 4 в виде пластины, выполненной из припоя типа ПСИн-12, размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения полупроводникового кристалла - транзистора - 7,8×4,6 мм.
Далее на выпуклую форму части поверхности металлизированного теплоотводящего основания 5 с размещенным слоем мягкого припоя 4 соосно и симметрично относительно центральной оси помещают полупроводниковый кристалл 1 с одним мощным схемным элементом 2 противоположной стороной относительно стороны, на которой расположен один мощный схемный элемент 2 - мощный транзистор СВЧ.
Затем осуществляют пайку этой сборки в водородной печи типа А 560.39 ПС при температуре 350-360°C.
Примеры 2-11.
Аналогично выполнены образцы мощного полупроводникового прибора, но при иных сочетаниях материала полупроводникового кристалла и материала металлизированного теплопроводящего основания, а следовательно, с иной формой и, соответственно, ее величиной выполнения части поверхности металлизированного теплоотводящего основания 5, на которой расположен полупроводниковый кристалл 1, а также иной толщиной слоя мягкого припоя 4 как в пределах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-9), так и выходящими за ее пределы (примеры 10-11).
Примеры 12-14.
Аналогично выполнены образцы мощного полупроводникового прибора СВЧ, но с традиционной - плоской формой выполнения поверхности металлизированного теплоотводящего основания, на которой расположен полупроводниковый кристалл.
На изготовленных образцах мощного полупроводникового прибора - мощного транзистора СВЧ:
T
- было измерено тепловое сопротивление (R), °C/Вт согласно ОСТ 110944-96 и
ВЫХ
- рассчитана выходная мощность (Р) согласно
ВЫХ
1
2
T
Р=(T-Т)/R,
ВЫХ
где Р - выходная мощность, Вт,
1
T - заданная допустимая рабочая температура тепловыделяющей области мощного схемного элемента - мощного транзистора СВЧ, равная 150°С,
2
Т - температура металлизированного теплоотводящего основания, равная температуре окружающей среды, принятой 25°С,
- проведены циклические испытания согласно ГОСТ В 28140.
Результаты представлены в таблице.
Как видно из таблицы, образцы мощного транзистора СВЧ (примеры 1-9), выполненные согласно заявленной формулы изобретения имеют:
низкое тепловое сопротивление:
а) для кремния на CVD-алмазе 0,9°C/Вт и на меди 1,2°C/Вт (примеры 1-6),
б) для арсенида галлия на меди 12°C/Вт (примеры 7-9),
высокую выходную мощность:
а) для кремния 139 Вт и 104 Вт соответственно,
б) для арсенида галлия 10,4 Вт.
Данные даны для среднего значения толщины припоя.
В отличие
от образцов (примеры 10-11) с толщиной припоя, выходящей за пределы, указанные в формуле изобретения, тепловое сопротивление для кремния на CVD-алмазе - 2,0 и 2,4°C/Вт, мощность 63 и 52 Вт соответственно;
а также образцов (примеры 12-14), которые выполнены с традиционной - плоской формой поверхности металлизированного теплоотводящего основания, на которой расположен полупроводниковый кристалл,
тепловое сопротивление:
а) для кремния на CVD-алмазе - 2,6°C/Вт, на меди 2,7°C/Вт (примеры 12-13),
б) для арсенида галлия на меди 16°C/Вт,
выходная мощность:
а) для кремния на CVD-алмазе 48 Вт и на меди 46 Вт,
б) для арсенида галлия на меди 8 Вт.
Как видно, по сравнению с традиционной - плоской формой металлизированного теплоотводящего основания
тепловое сопротивление в предложенной конструкции мощного полупроводникового прибора - мощного транзистора СВЧ снижено:
а) на кремнии примерно в 3 раза,
б) на арсениде галлия в 1,5 раза,
выходная мощность увеличена
а) на кремнии с 48 до 139 Вт, примерно в 3 раза,
б) на арсениде галлия с 8 до 10,4 Вт, примерно на 30 процентов.
Как видно из таблицы, образцы мощного транзистора СВЧ (примеры 1-9), выполненные согласно заявленной формуле изобретения, выдержали порядка 10000 циклов. Это - хороший результат.
Таким образом, предложенный мощный полупроводниковый прибор, предназначенный для мощных как низкочастотных, так и СВЧ-электронных устройств, обеспечит повышение надежности и выходной мощности.
Следует еще раз подчеркнуть актуальность данной проблемы для мощных полупроводниковых приборов, которые могут быть использованы в устройствах электронной техники любого типа.
Источники информации
1. Заявка Франции №2152652, приоритет 01.06.1973 г.
2. Патент РФ №2348087, МПК H01L 23/36, приоритет 06.07.2007, опубл. 27.02.2009.
3. Патент США №3942586, приоритет 09.03.76 г.
4. Патент РФ №2236099, МПК H05K 7/20, приоритет 12.07.2002, опубл. 12.02.2009.
5. Патент РФ №2172538, МПК H01L 23/34, 23/36, приоритет 01.09.1999, опубл. 10.09.2004.
6. Заявка РФ №93039926, МПК H01L 25/00, приоритет 05.08.1993, опубл. 27.05.1996.
7. 3аявка РФ №94011963, МПК H05K 7/20, приоритет 05.04.1994, опубл. 10.12.1995.
8. Патент РФ №2285977, МПК H01L 23/14, приоритет 21.03.2005, опубл. 20.10.2006.
9. Патент РФ №2201659, МПК H05K 7/20, приоритет 12.06.1998, опубл. 27.03.2003 - прототип.
10. Духновский М.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю., Кудряшов О.Ю., Леонтьев И.А. Термическая обработка поликристаллического CVD-алмаза с целью формирования гладкой поверхности. // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 2008. Вып.2 (495).