МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ КОРПУС

Полезная модель (ПМ) относится к области электронной техники и может быть использована при разработке корпусов силовых полупроводниковых приборов большой мощности.
При изготовлении металлокерамических корпусов мощных изделий микроэлектроники для обеспечения хорошего отвода выделяющегося от кристалла тепла широко используются конструкционные элементы, изготовленные из металлических и изоляционных материалов с высокой теплопроводностью (медь, псевдосплавы медь-молибден, медь-вольфрам, керамика на основе окиси бериллия или нитрида алюминия и др.), а также применяется технология последовательной (ступенчатой) пайки этих элементов с использованием ряда припоев с различной температурой (интервалом температур) плавления.
72
28
88
12
96,8
3,2
80
20
Наиболее часто при изготовлении и корпусировании полупроводниковых приборов с использованием технологии ступенчатой пайки применяется ряд эвтектических припоев для соединения конструкционных элементов корпуса (AgCu), посадки полупроводникового кристалла (AuGe, AuSi) и герметизации корпуса (AuSn) (Рис. 1).
Однако, при пайке элементов, существенно отличающихся по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР), в процессе охлаждения в местах соединений возникают термические напряжения, которые могут вызывать их деформацию или разрушение. Величина этих напряжений зависит от разницы ТКЛР, размеров элементов и температуры плавления используемого припоя. Путем снижения величины возникающих при пайке термических напряжений является как использование конструкционных материалов, более согласованных по ТКЛР, так и припоев с более низкой температурой плавления.
Наиболее близким техническим решением является конструкция корпусов мощных полупроводниковых приборов, например, мощного СВЧ-транзистора /1/ с высокой теплорассеивающей способностью (Рис. 2).
72
28
пл
Основанием такого корпуса является металлический теплоотводящий фланец, изготовленный из псевдосплава молибдена с медью, на котором размещены изолятор из многослойной металлизированной алюмооксидной керамики с сформированной системой управляющих выводов, включающей контактные площадки с внешней стороны и во внутренней полости корпуса (на рисунке не показаны), и теплоотвод из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью - алюмонитридной керамики. Эти конструкционные элементы соединяются высокотемпературной пайкой эвтектическим припоем (1) серебро-медь (AgCu, Т=780°С).
пл
пл
Герметизация корпуса осуществляется пайкой крышки из алюмооксидной керамики с помощью эвтектического припоя (3) золото-олово (Т=280°С). Кремниевые кристаллы с транзисторными структурами монтируют на металлизированную поверхность теплоотвода пайкой эвтектическим припоем (2) золото-кремний (Т=363°С). В этой конструкции за счет выбора материалов конструкционных элементов и припоев удалось минимизировать величину термических напряжений паяных соединений кристалл - теплоотвод и корпус - крышка.
Однако, из-за недостаточной согласованности ТКЛР спаиваемых элементов (металлического фланца и керамических элементов), и высокой температуры пайки при использовании припоя на основе серебра в основании корпуса возможно возникновение термических напряжений, приводящих к деформации и разрушению конструкции 121.
Целью и техническим результатом заявляемого технического решения является снижение термических напряжений в основании металлокерамического корпуса вследствие уменьшения рассогласований тепловых расширений конструкционных элементов паяных соединений за счет снижения температуры пайки.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции корпуса состоящего из основания в виде паянного соединения конструкционных элементов, а именно: металлического теплоотводящего фланца, изолятора из многослойной керамики и теплоотвода-кристаллодержателя из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, и припаиваемой к основанию герметизирующей крышки из алюмооксидной керамики, при этом соединение металлического теплоотводящего фланца с изолятором и теплоотводом-кристаллодержателем выполнено припоем золото-олово, содержащим от 83 до 85 вес. % золота, олово - остальное, а металлический теплоотводящий фланец изготовлен из псевдосплава молибден-медь, содержащего от 15 до 50 вес. % меди, или псевдосплава вольфрам-медь, содержащего от 10 до 30 вес. % меди.
Полезная модель поясняется рисунком 2 поперечного сечения металлокерамического корпуса.
Металлокерамический корпус включает в себя теплоотводящий металлический фланец, к которому припаяны керамический теплоотвод, изготовленный в виде пластины из алюмонитридной керамики с нанесенными для пайки с фланцем и кристаллами участками металлизации, и металлизированный изолятор из многослойной алюмооксидной керамики с сформированной системой управляющих выводов и контактных площадок (на рисунке не показаны), (припой 1).
На теплоотводе закреплены (припой 2) кремниевые кристаллы, а герметизация корпуса осуществляется пайкой крышки из алюмооксидной керамики (припой 3).
72
28
Суть технического решения показана ниже на примерах: использование золото-оловянного припоя с интервалом температур плавления 280-500°С вместо припоя AgCu с температурой плавления 780°С при пайке элементов металлокерамического корпуса (микросхемы) в 3 раза снижает величину термических напряжений; при этом сохраняется возможность использования эвтектических припоев золото-кремний, золото-германий, золото-олово для монтажа кристаллов и герметизации корпуса.
72
28
80+x
20-x
ликвидус
ликвидус
80
20
Так в качестве альтернативы припою AgCu для соединения конструкционных элементов корпуса может быть предложен золото-оловянный припой (припойный материал) состава (вес. %) AuSnплавящийся в интервале температур (280°С - Т). По технологическим причинам Т такого сплава должна быть не ниже 400°С, превышая на 30-40°С температуру пайки кристаллов эвтектическими припоями золото-кремний и золото-германий и обеспечивая возможность осуществления ступенчатой пайки с использованием этих припоев и эвтектического припоя AuSn.
ликвидус
ликвидус
В соответствии с диаграммой состояния (Рис. 3) в равновесном состоянии значениями Т выше 400°С обладают сплавы, содержащие более 82,7 вес. % золота. Увеличение содержания золота более 85 вес. % (Т = 500°С) нецелесообразно, так как это вызывает необходимость увеличения температуры пайки.
72
28
Проведем сравнительный анализ величин термических напряжений, возникающих при пайке конструкционных элементов из различных материалов эвтектическим припоем AgCu и предлагаемым золото-оловянным припоем, содержащим от 83 до 85 вес. % золота (остальное - олово).
Относительное изменение линейных размеров (ΔL/L) i-го элемента паяного изделия при охлаждении в процессе пайки до комнатной температуры (20°С) определяется по формуле
i
ΔL/L=α×ΔT,
i
где ΔT - разница между температурой полного затвердевания припоя (температурой солидус) и комнатной температурой, а α - средний ТКЛР i-го элемента в интервале температур ΔT.
72
28
Для припоя AgCu АТ=760°С, а для предлагаемого золото-оловянного припоя ΔТ=260°С.
Величина термических напряжений в паяном соединении пропорциональна разнице в относительных изменениях линейных размеров его элементов (1 и 2) при охлаждении в процессе пайки до комнатной температуры, которая может быть определена по формуле:
1
2
1
2
(ΔL/L)-(ΔL/L)=(α-α)×ΔT.
В таблице 1 приведены рассчитанные значения этой величины для различных материалов, наиболее часто используемых в конструкциях мощных изделий микроэлектроники: алюмооксидной и алюмонитридной керамик с высоким содержанием окиси алюминия и нитрида алюминия и псевдосплавов молибден-медь и вольфрам-медь. Следует отметить, что уровень теплофизических и прочностных характеристики многочисленных марок выпускаемых промышленностью псевдосплавов молибден-медь (марок МД, содержащих от 15 до 50 вес. % меди) и вольфрам-медь (марок ВД, содержащих от 10 до 30 вес. % меди) определяется не только соотношением компонентов (составом), но и технологией получения композита и, как правило, эти характеристики не нормируются предприятиями изготовителями. Анализ технической информации показал, что разброс значений ТКЛР псевдосплавов с одинаковым содержанием компонентов может достигать 20% и более. Для расчета рассогласования тепловых расширений конструкционных элементов использовали усредненные справочные значения ТКЛР этих материалов для интервалов температур 20-280°С и 20-780°С (Табл. 2).
72
28
Проведенные расчеты показывают, что предлагаемый золото-оловянный припой, содержащий от 83 до 85 вес. % золота (остальное - олово), может быть применен вместо припоя AgCu в технологическом процессе изготовления мощных изделий микроэлектроники с использованием технология ступенчатой пайки. Его применение позволяет значительно снизить температуру пайки (с -800°С до 500°С) и в большинстве случаев более чем в 3 раза уменьшить величину рассогласований тепловых расширений элементов и термических напряжений в паяном соединении.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. В. Сидоров. Корпуса СВЧ-транзисторов на основе полиалмаза и алюмонитридной керамики, ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2007
2. А.И. Ивашко, М.М. Крымко. Металлический корпус для силовых полупроводниковых модулей, Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 4 (247) 2017, с. 61-67
3. Диаграммы состояния двойных металлических систем / под общей редакцией Лякишева Н.П../; т. 1, - М.: Машиностроение, 1996. - 996 с.