ТЕПЛООТВОД ИЗ 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 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 технологии2014. – №12, с. 158-159]. В данном техническом решении адгезия химически осаждённых слоёв никеля к частицам алмаза практически отсутствует. В местах выхода частиц алмаза на поверхность композита могут появляться непокрытые никелем пятна и точки, а также после нагрева возможны вздутия химически осаждённого покрытия, что может привести к локальным перегревам, например, транзисторных структур, смонтированных на теплоотводе из композита.
3
Известен теплотвод из металломатричного композита AlSiC (Патент РФ №2544319, опубл. 20.03.2015 г.), имеющий сплошное и равномерное покрытие химически осаждённым никелем. К недостаткам данного теплоотвода можно отнести низкую адгезию химического никеля к карбиду кремния поскольку достаточно высокую адгезию металлизации к подобным SiC диэлектрикам можно получить при условии химического взаимодействия материала диэлектрика с осаждаемым металлом. Чтобы химическая реакция между осаждаемым металлом и материалом диэлектрика имела место, необходимо, чтобы она была возможной с точки зрения термодинамики [Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков. – М.: Химия, 1978. – 359 с.]. Реакция между металлом и материалом диэлектрика термодинамически возможна в том случае, если величина изменения теплосодержания ΔH образования материала диэлектрика, менее отрицательна, чем величина ΔН образования соединения компонентов диэлектрика с напыляемого металла. При этом выделяется тепло. Теплота образования характеризует степень устойчивости соединения. Если при образовании соединения тепло выделяется, то соединение более устойчиво при механических и термических воздействиях. Только в этом случае металл будет отнимать углерод от карбида кремния и могут образовываться промежуточные фазовые слои. Поскольку ΔН образования NiC равная -9,2 ккал/моль·град менее отрицательна, чем ΔН образования SiC равная -26,7 ккал/моль·град тепло при образовании соединения не выделяется, и соединение при механических и термических воздействиях будет недостаточно устойчиво, т.е. соединение будет иметь недостаточную адгезию, и при нагревании могут появляться вздутия.
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. и др. Повышение надёжности IGBT модулей с применением металлического композиционного материала AiSiC// Экономика и управление в машиностроении. – 2011. – № 2. с. 49–52].
В данном техническом решении, как и в описанном выше, адгезия химически осаждённых слоёв никеля к частицам карбида кремния практически отсутствует. В местах выхода частиц карбида кремния на поверхность композита могут появляться непокрытые никелем пятна и точки, а также после нагрева возможны 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 композита алюминий-карбид кремния, преимуществами которого являются бездефектная монтажная поверхность и высокая адгезия металлизации ко всем участкам поверхности композита.
Указанный технический результат обеспечивается использованием в теплоотводе основания из композита алюминий-карбид кремния, по крайней мере, монтажная поверхность которого имеет покрытие, обеспечивающее монтаж пайкой активных и пассивных элементов полупроводниковых приборов, отличающийся тем, что монтажная поверхность основания из композита покрыта осаждённой в вакууме системой металлизации, адгезионный слой металла которой имеет величины теплосодержания ΔH образования карбида кремния и оксида алюминия менее отрицательные, чем величины ΔН образования соединений напыляемого металла с углеродом и кислородом. Предпочтителен титан в качестве адгезионного слоя, либо покрытие поверхности алюминием, осаждённым в вакууме. Покрытием, обеспечивающем монтаж активных и пассивных элементов полупроводниковых приборов может быть медь, никель, золото или совокупность указанных металлов.
4
3
2
5
3
5
3
5
2
3
Сущность заявленной полезной модели поясняется в Фиг. 1, на которой представлен теплоотвод из композита алюминий-карбид кремния, состоящий из основания 1, представляющего собой основание из композита алюминий-карбид кремния. По крайней мере на монтажной поверхности размещена осаждённая в вакууме система металлизации со слоями титана 2, меди 3 и никеля 4. Первым, адгезионным слоем 2 системы является металл, имеющий величину теплосодержания ДН образования соединений напыляемого металла с углеродом и кислородом более отрицательную, чем величины ΔH образования карбида кремния и оксида алюминия. Такими металлами, например, могут быть титан и алюминий, соединения которых имеют следующие величины ΔН образования соединений: AlC ΔH= -30,9; AlSiOΔH= -642,2; TiC ΔH = -54; TiO ΔH = -587 более отрицательные, чем у карбида кремния SiC ΔH= -26,7, в то время как у TiO ΔH = -587, более отрицательное, чем у оксида алюминия AlO ΔH= -399,09 [Справочник химика, Т.1 ГНТИХЛ, Ленинград-Москва, 1962, с. 776-826].
При рассмотрении вопроса о выборе последующих слоёв целесообразно исходить из предположения, что каждый слой металла образует с предыдущим некоторую область взаимной растворимости. При этом при любых температурных взаимодействиях практически исключается быстрая диффузия металла первого слоя в подложке, что может уменьшить величину адгезии.
Поскольку осаждение в вакууме достаточно толстых слоёв металла является довольно трудоёмким и непроизводительным процессом, при выборе последующих слоёв следует использовать гальванопокрытия. Для этого пригодны медь, никель, золото, платина и другие металлы, не образующие прочных окисных плёнок, препятствующих электрохимическим процессам.
Если первый осаждённый в вакууме металл может хорошо поглощать водород, например, титан, то второе покрытие не должно обладать этим свойством. Такими металлами, например, являются медь и никель. Во многих случаях на поверхность никеля осаждают гальваническое золото, что облегчает сборку приборов.
Были собраны образцы теплоотводов с основанием из композита алюминий-карбид кремния толщиной 4 мм, содержащего 70% частиц карбида кремния с размерами 40-70 мкм. Фотография с 25-ти кратным увеличением фрагмента поверхности такого композита представлена на Фиг. 2.
Все образцы были покрыты химическим никелем толщиной 6 мкм. Поверхность первого образца была покрыта только химическим никелем. На втором образце монтажная поверхность была также покрыта осаждённой в вакууме системой металлизации титан-медь; на третьем образце – системой титан-никель; на четвёртом образце – системой титан-медь-никель. На пятом образце монтажная поверхность была покрыта осаждённым в вакууме алюминием.
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. После осмотра была определена адгезия покрытия по усилию отрыва штырьков. Были получены следующие результаты:
2
2
- на первом образце, покрытом только химическим никелем, имелись непокрытые участки поверхности частиц карбида кремния, выходящие на монтажную поверхность теплоотвода. Фотография фрагмента поверхности с 12-ти кратным увеличением представлена на Фиг. 3; на 7% поверхности появились вздутия никеля. Фотография фрагмента поверхности с 50-ти кратным увеличением представлена на Фиг. 4; адгезия 7 штырьков составила 2,5-3 кг/мм; адгезия 3 штырьков, припаянных в зоне нахождения зёрен карбида кремния, составила 0,3-0,5 кг/мм;
2
- на втором образце с покрытием титан-медь непокрытые металлизацией участки отсутствовали (Фиг. 5). Осмотр поверхности проводили под микроскопом с 16-ти кратным увеличением. Адгезия всех 10 штырьков составила 2,5-4 кг/мм. Вздутия металлизации отсутствовали.
2
- на третьем образце с покрытием титан-никель непокрытые металлизацией участки отсутствовали (Фиг. 5). Осмотр поверхности проводили под микроскопом с 16-ти кратным увеличением. Адгезия всех 10 штырьков составила 2,5-4 кг/мм. Вздутия металлизации отсутствовали.
2
- на четвёртом образце с покрытием титан-медь-никель непокрытые металлизацией участки отсутствовали (Фиг. 5). Осмотр поверхности проводили под микроскопом с 16-ти кратным увеличением. Адгезия всех 10 штырьков составила 2,5-4 кг/мм. Вздутия металлизации отсутствовали.
2
- на пятом образце с осаждённым в вакууме алюминием непокрытые металлизацией участки отсутствовали (Фиг. 5). Осмотр поверхности проводили под микроскопом с 16-ти кратным увеличением. Адгезия всех 10 штырьков составила 2,5-3 кг/мм. Адгезия несколько ниже, чем у второго, третьего и четвёртого образцов, но также считается достаточно высокой. Вздутия металлизации отсутствовали.
На Фиг. 6 представлена фотография соответствующего полезной модели теплоотвода с финишным гальваническим золотым покрытием.
Список литературы:
1. Бондарь Д., Металлические и композитные теплопроводящие материалы для мощных полупроводниковых корпусов. Компоненты и технологии, 2014. – №12, с. 158-159
2. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков. – М.: Химия, 1978. – 359 с.
3. Каблов Е.Н., Щетанов Б.В., Шавнев А.А. и др. Повышение надёжности IGBT модулей с применением металлического композиционного материала AiSiC// Экономика и управление в машиностроении.  – 2011. – № 2. с. 49–52
4. Справочник химика, Т.1 ГНТИХЛ, Ленинград-Москва, 1962. – с. 776-826