Охлаждение силовых полупроводниковых приборов с использованием композиционных покрытий никель-углерод

УДК 621.317

ОХЛАЖДЕНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НИКЕЛЬ-УГЛЕРОД В.В. Зенин, Д.С. Владимиров, К.А. Мухин, Б.А. Спиридонов

Проанализированы способы и устройства для отвода тепла СПП. Показана перспективность использования в качестве теплоотвода плёнок из поликристаллического алмаза. Проведены режимы осаждения композиционных покрытий N1-0 и их влияние на количество осаждённого на поверхность алмазного порошка. Рассмотрены особенности пайки кристаллов к основаниям корпусов СПП с использованием N1-0 покрытий

Ключевые слова: охлаждение, приборы, никель, углерод, покрытия

Введение. Улучшить охлаждение полупроводниковых приборов можно за счет: увеличения теплопроводящей поверхности, увеличения коэффициента теплоотдачи, применения для теплоотводов материалов с высокой теплопроводностью. Количество переданного тепла зависит от величины теплоотводящей поверхности и теплоотдачи, разности температур между охлаждаемым телом и окружающей средой и состоянием поверхности охлаждаемого тела.

Одним из методов контроля правильности выбора конструкции или технологического процесса изготовления силовых полупроводниковых приборов (СПП) является определение теплового сопротивления ЯТ «кристалл-корпус». ЯТ - это параметр полупроводникового прибора, характеризующий его способность отводить выделяющееся тепло в теплоотвод или во внешнюю среду. Для маломощных приборов (не имеющих специального теплоотвода) ЯТ определяется между р-п - переходом и окружающей средой. Для мощных приборов (имеющих специальный теплоотвод) ЯТ определяется участком р-п - переход -корпус.

Перегрев кристалла изменяет электрические характеристики прибора и снижает его надежность. Тепловой расчет температуры перегрева кристаллов проводят на этапе проектирования изделий. Требования к тепловому режиму необходимо учитывать при выборе материалов корпуса или подложки, а также конструкции приборов.

Температурный режим работы электронных приборов является фактором, который в значительной мере определяет предельную мощность, допустимую для устойчивой работы, температуру окружающей среды, КПД, длительность безотказной работы.

Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 89050511979 Владимиров Денис Сергеевич - ОАО «ВЗПП-Сборка», инженер-конструктор, тел. 89204045447 Мухин Константин Александрович - ВГТУ, студент - магистрант, тел. 89507623227 Спиридонов Борис Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 89601106979

Способы и устройства для отвода тепла от кристаллов. Существуют различные способы, конструкции и устройства для отвода тепла от кристалла при эксплуатации СПП в составе аппаратуры.

Теплопередача может обеспечиваться тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопередача посредством теплопроводности, осуществляемая непосредственным теплообменом между смежными частями, существует только в твердых веществах и определяется законом Фурье. При передаче тепловой энергии посредством теплопроводности отвод тепла происходит с поверхности корпуса прибора и теплоотвода в окружающую среду.

Теплопередача конвекцией может происходить лишь в газах и жидкостях, а посредством излучения представляет собой теплообмен со средой путем магнитного волнового излучения и действует в вакууме.

Основным элементом отвода тепла от полупроводникового кристалла к окружающей среде является паяный участок кристалла с корпусом, т. е. физическое соединение между кремнием и корпусом или ножкой, в которую монтируется кристалл. Наличие зазоров или пустот между кристаллом и поверхностью на которую он крепится при эксплуатации ППИ приводит к увеличению температуры активной части полупроводниковой структуры, а в конечном итоге к ухудшению их электрических характеристик. Например, простое увеличение на 10 °С рабочей температуры может привести к увеличению в два раза тока смещения транзистора и к уменьшению в два раза среднего срока службы чувствительного операционного усилителя.

Современная технология охлаждении СПП и силовых модулей осуществляется с помощью термоэлектроохладителей, основанных на эффекте Пельтье[1]. Суть явления заключается в том, что при подаче постоянного тока в цепь, составленную из двух разнородных проводников (Р -типа и N - типа), в местах контактов будет выделяться или поглощаться тепло в зависимости от направления тока.

Практика показывает, что у этого метода охлаждения очень широкая перспектива, так как

он лишен многих недостатков, присущих остальным способам. Применение термоэлектромодулей возможно не только для охлаждения, но и для стабилизации температуры объекта, так как модуль Пельтье одновременно может служить охладителем и нагревателем. Для этого необходимо лишь переключить полярность источника питания.

Заслуживает внимание конструкция устройства охлаждения СБИС, основанная на использовании эффекта Пельтье [2]. На схему в керамическом или пластмассовом корпусе наклеивается алюминиевый теплорастекатель, а на него - охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье. На верхнюю горячую поверхность термоэлектрического модуля (ТЭМ) присоединяется радиатор, к которому крепится вентилятор. Сборка устройства осуществляется с помощью теплопроводящей адгезионной пленки. Вентилятор малых размеров и ТЭМ запи-тываются параллельно от источника питания с напряжением постоянного тока 12 В. Данная конструкция позволяет снизить температуру нагрева СБИС почти вдвое.

В работе [3] достаточно подробно проведен анализ конструкций теплоотводов мощных полупроводниковых приборов. Рассмотрены способы сборки ППИ и устройства для их охлаждения при эксплуатации. По материалам зарубежной научно-технической литературы рассмотрены конструкции различных типов теплоотводов.

Алмазные теплоотводы в электронных приборах. В настоящее время алмаз находит широкое применение в электронике в качестве материала для теплоотводов. Природный алмаз имеет удельную теплопроводность примерно в четыре раза больше, чем у меди, являясь при этом диэлектриком. Поэтому алмаз в настоящее время позиционируется на рынке как материал для теплоотвода лазерных диодов и для небольших СВЧ интегральных схем. Естественная экстраполяция этого применения в изготовлении микросхем с большим быстродействием, так как активные устройства, установленные на алмазной подложке, могут лучше корпусироваться без их перегрева. Также можно ожидать возрастания надежности, поскольку температура теплового перехода будет более ниже при установке микросхемы на алмазной подложке.

Полупроводниковый алмаз является одним из наиболее подходящих материалов для ВЧ и СПП благодаря наличию у него большой ширины запрещенной зоны (5,5 эВ), высоких пробивного напряжения (106-107 В), подвижности электронов (2000 см2/В-с), скорости насыщения электронов (2-107 см/с), а также высокой теплопроводностью (около 2000 Вт/м-К).

Широко используются в качестве теплоотвода пленки из поликристаллического алмаза с размером зерна около 50 мкм.[4] Алмазный теплоотвод имеет толщину от 0,1 до 1,0 мм, стороны которого металлизируются осаждением Т1 или Сг,

W, N1, а затем Аи или Р1, Ag, и 8п. При этом одна сторона имеет шероховатость в пределах 10 мкм, а другая - 5 мкм. Параметры данного теплоотвода следующие: теплопроводность в диапазоне температур 20-100 оС > 500 Вт/м-К, удельное электрическое сопротивление между металлизированными сторонами порядка 109 Ом, прочность на излом до 2000 МПа.

Алмазный теплоотвод обладает способностью рассеяния намного большей удельной тепловой мощности, чем у обычных теплоотводящих материалов, СПП, оснащенные алмазными теплоотводами, могут работать с повышенной полезной мощностью на выходе. Алмазные теплоотводы находят применение для транзисторов большой мощности, диодов Ганна, ИС повышенной мощности, полупроводниковых лазеров, лавиннопролетных диодов, варикапов и переключающих полупроводниковых приборов [5].

На наш взгляд, в качестве теплоотводов перспективными являются композиционные покрытия (в основном оснований корпусов) с использованием порошков поликристаллического алмаза. В этом случае композиционные электрохимические покрытия, в которых в качестве добавок с высоким коэффициентом теплопроводности применяют порошок алмаза. Процесс электроосаждения покрытий протекает при постоянном перемешивании электролита - суспензии для поддержания частиц алмазного порошка во взвешенном состоянии для равномерного осаждения на катоде.

Исследования №-С покрытий корпусов

СПП. Для осаждения композиционных покрытий использовался электролит следующего состава (г/л): №804-7И20 - 180; №С12-6И20 - 30; Н3В03 -40; алмазный порошок зернистостью около 20 мкм - 20 г.

В табл. приведены режимы осаждения композиционных покрытий и их влияние на количество осажденных на поверхность пленок алмазного порошка.

Анализ покрытий на РЭМ показал неравномерное распределение алмазного порошка по поверхности покрытий. Наблюдались участки, на которых отсутствовал порошок алмаза (образец №1). Оценка внешнего вида микроструктуры поверхности №-С покрытий показала, что алмазные зерна хаотично расположены на поверхности.

Результаты рентгеноспектрального микроанализа различных участков поверхности N1 - С покрытий показали, что содержание углерода (кристаллов алмаза) колеблется от 0 до 30 %. Отсюда можно сделать вывод, что изменяя режимы электролиза при осаждении алмазных пленок можно увеличить плотность пленок на поверхности до 100%.

Режимы осаждения алмазного порошка

№ № об- раз цов Режимы электролиза Химический состав покрытий, %

Катодная плотность тока 1к, А/дм2 Площадь поверхности катода 8, дм2 Сила тока I, А Продолжительность электролиза т, мин

1 5 0,02 0,1 10 100№

2 10 0,02 0,2 10 78,54№/21,46С

3 10 0,02 0,2 10 95,8№/4,2С

4 15 0,02 0,3 10 73,15№/26,85С

5 15 0,02 0,3 10 88,7№/11,3С

Для исследований смачивания оснований корпусов с композиционным покрытием никель-углерод использовались два типа бессвинцовых припоев:

1) ВПр6 (83-86Sn/7,5-8,5Ag/6-8Sb) (температура полного расплавления Тпр=2500С);

2) 87-89Бп/9-11В1/0,8-1,2БЬ (Тпр=2300С).

3

кеУ

Рис. 1. Микроструктура и рентгеноспектральный микроанализ поверхности N1 - С покрытия

В качестве припоев использовалась фольга толщиной 0,1 мм. Перед проведением исследований припои и корпуса отмывались по стандартной технологии, применяемой на операции сборки СПП (по ТУ). Исследования показали, что

данные припои хорошо смачивают поверхность с покрытием никель-углерод.

Пайка кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов с использованием №-С покрытий. Основной трудностью пайки корпусов с покрытиями, имеющими на поверхности алмазные зерна, является правильный выбор металлов или сплавов (припоев). Главным критерием является полное смачивание зерен алмаза расплавленным металлом (сплавом) и образование необходимой прочности полученного паяного шва. При этом соединяемые материалы (покрытия кристалла и основания корпуса) должны иметь небольшую разницу КТЛР с паяным швом. В противном случае при высоких температурах, особенно при термоцик-лировании в результате остаточных термических напряжений системы «кристалл - паяный шов -корпус» возможно появление трещин, которые могут привести к отказам приборов.

Известны основные виды контактного взаимодействия алмаза с металлами в зависимости от типа и величины сил связи металла и углерода, характера протекающих процессов на меж-фазной границе металл-алмаз[6-8].

1. Образование прослойки новой карбидной фазы со сравнительно малым изменением составов объемов фаз на границе раздела металл-алмаз. К этому типу взаимодействия относятся переходные металлы 4-6 групп, а также кремний, бор и, по-видимому, отчасти щелочно-земельные металлы.

2. Растворение вещества твердой фазы (алмаза) в жидком металле; металл не растворяется и не диффундирует в твердую фазу. Этот тип взаимодействия обнаруживается у металлов 8 и отчасти 7 группы периодической системы.

3. Отсутствие химического взаимодействия, неизменность поверхности раздела. К этому типу взаимодействия относятся инактивные к углероду металлы - металлы Б - подгруппы периодической системы элементов таблицы Менделеева четвертой и шестой групп.

Получение надежного контакта между полупроводниковыми кристаллами алмаза и металлами относится к весьма сложным проблемам. Основной причиной, тормозящей создание контактов к алмазу, является очень малая адгезия металлов к поверхности кристалла, что основано на высокой химической стойкости алмаза и малым коэффициентом диффузии.

Известно, что нанесение контактов к искусственным полупроводниковым кристаллам алмаза температура нагрева не должна превышать 900-950 0С, так как наличие включений в алмазе при данной температуре приводит к разрушению кристалла. Поэтому при формировании контактов к алмазу используют адгезионноактивный сплав медь-серебро-титан с температурой плавления около 900 0С.

Существуют различные способы пайки кристаллов силовых полупроводниковых приборов к основаниям корпусов.

Известен способ контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу, по которому на паяемые поверхности кристалла и основания корпуса наносят соответственно алюминий и олово, а между кристаллом и корпусом размещают фольгу из цинка. Основным недостатком данного способа является низкий теплоотвод от кристалла к корпусу, так как коэффициент теплопроводности цинка (паяного шва) составляет X = 110,9 Вт/м-К.

В производстве БИС широко применяется способ монтажа кристаллов с использованием припоя на основе цинка, заключающийся в том, что на паяемую сторону кристалла напыляют алюминий толщиной 0,7-1,2 мкм, а затем проводят пайку к корпусу, покрытому сплавом цинк-алюминий-германий.

Основным недостатком данного способа является низкий теплоотвод от кристалла к корпусу по причине малой теплопроводности сплава

гп-АЮе.

Известен способ сборки высоковольтных 4И-81С диодов Шоттки, по которому на паяемую поверхность кристалла наносится слой никеля, а затем под пайку - слой серебра. После этого кристаллы диодов Шоттки напаиваются на специальные кристаллодержатели из металлизированного нитрида алюминия.

Основным недостатком данного способа является недостаточный теплоотвод от кристалла к корпусу, так как коэффициенты теплопроводности кристалла 4И-81С (Х=490 Вт/м-К) и АШ корпуса (Х=320 Вт/м-К).

С целью повышения теплоотвода от кристалла к корпусу нами разработан новый способ пайки кристаллов с использованием №-С покрытий на паяемых поверхностях кристалла и корпуса.

Новым в способе пайки кристаллов является то, что на паяемые поверхности кристалла и корпуса наносят адгезионный слой, а затем металлическую связку из N1 толщиной 3-5 мкм. Для формирования алмазоносного слоя используют

порошок алмаза с размером зерен 25-30 мкм. Алмазные зерна выступают над металлической связкой на 20-25 мкм. Между кристаллом и корпусом размещают фольгу припоя, содержащего адгезионно-активные металлы по отношению к алмазу. При этом толщина фольги припоя выбирается из условия полного заполнения зазоров между алмазными зернами. Для улучшения растекания припоя по боковым граням зерен алмазного порошка и заполнения зазоров между ними кристалл подвергают воздействию ультразвуковых колебаний (рис.2).

При кристаллизации припоя алмазные зерна располагаются внутри паянного шва, тем самым улучшая теплоотвод от кристалла к корпусу.

1

3

4

5

6

5

4

3

2

I__________________________

б)

Рис. 2. Схема сборки(а) и пайки кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов(б) с использованием №-С покрытий: 1 - кристалл, 2 - корпус, 3 - адгезионный слой, 4 - металлическая связка (№-покрытие), 5 - алмазоносный слой, 6 -фольга припоя, 7 - паяный шов

Проведен анализ конструкций теплоотводов мощных полупроводниковых приборов. Рассмотрены способы сборки ППИ и устройства для их охлаждения при эксплуатации. Установлено,

а)

что наиболее перспективными являются теплоотводы, в состав которых входит кристаллы алмаза. Рассмотрено выращивание алмазных пленок плазмохимическим методом. При нанесении композиционных покрытий Ni-C на основания корпусов наблюдается неравномерное расположение зерен алмаза на поверхности.

Предложен новый способ пайки кристаллов к основаниям корпусов СПП с использованием Ni - C покрытий. Оценка смачивания и растекания припоев по покрытиям с алмазным порошком требует дополнительных исследований.

Литература

1. Леонид Вихарев. Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе, или кратко о методах и средствах охлаждения РЭА // Силовая электроника, 2005. №4. С. 54 -59

2. Herbst Gerhardt G. Integrated circuit cooling apparatus // Пат. 5457342 США, МКИ6 Н 01 L 23/02. № 220204; Заявл. 30.3.94; Опубл. 10.10.95; НКИ 257/712.

3. Зенин В.В. Способы охлаждения полу-

проводниковых изделий и конструкции теплоот-водов/В.В Зенин, Л.В. Квасова, Е.П. Новокрещё-нова и д.р.//Вестник ВГТУ, 2007. Т3. №10. С.90-95.

4. Iguchi Takahisa, Nakamura Tsutomu, Nakai Tetsuo. Polycrystalline diamond heat sink having major surfaces electrically insulated from each other // Пат. 5495126 США, МКИ6 H 01 L 23/34 / Sumitomo Electric Ind., Ltd. № 181680; Заявл. 14.1.94; Опубл. 27.2.96; Приор. 21.01.91, № 3-272830 (Япония); НКИ 257/717.

5. Ланин В., Телеш Е. Алмазные теплоотводы для изделий электроники повышенной мощности // Силовая электроника, 2008. №3. С. 120124.

6. Найдич Ю.В. Пайка сверхтвердых материалов. Киев. Наукова думка, 1977.

7. Иванов В.Ф. Детчуев Ю.А. Фотченков А.А. Метод получения омических контактов к кристаллам алмаза// Адгезия расплавов и пайка материалов, 1979. Вып 4. С. 92-93.

8. Колесниченко Г.А. Найдич Ю.В. Адгезия медно-серебряно-титановых сплавов к поверхности алмаза.- Алмазы, 1970, вып. 3. С.25-28.

Воронежский государственный технический университет ОАО «ВЗ1II 1-Сборка»

COOLING OF POWER SEMI-CONDUCTOR DEVICES WITH USE OF THE COMPO-SITECOVERINGS NICKEL-CARBON V.V. Zenin, D.S. Vladimirov, K.A. Muhin, BA. Spiridonov

Ways and devices for heat removal Cnn are analysed. Perspectivity of use as a heat-conducting path of films from polycrystalline diamond is shown. Modes of sedimentation of composite coverings Ni-C and their influences on quantity of the diamond powder besieged on a surface are spent. Features of the soldering of crystals to the bases of cases of power semi-conductor devices with use Ni-C of coverings are considered

Key words: cooling, devices, nickel, carbon, coverings