Металлокерамические корпуса и материалы АО «ТЕСТПРИБОР» для изделий микроэлектроники

За последние несколько лет компания «ТЕСТПРИБОР» выполнила более 30 НИР и ОКР по разработке металлокерамических корпусов для изделий микроэлектроники как гражданского, так и специального назначения. В настоящее время номенклатура корпусов АО «ТЕСТПРИБОР» насчитывает свыше 70 наименований следующих типов:

• тип 2 по ГОСТ Р 54844;
• тип 4 по ГОСТ Р 54844;
• тип 5 по ГОСТ Р 54844;
• тип 6 по ГОСТ Р 54844;
• тип 8 по ГОСТ Р 54844;
• КТ по ГОСТ 18472.

Кроме того, компания осуществляет ОКР, в рамках которых разрабатывается около 22 типов металлокерамических корпусов категории качества ВП.

Одним из перспективных направлений деятельности компании, освоенных в последнее время, является разработка и производство материалов и изделий для электронной промышленности.

Металлизированные керамические платы

Металлизированные керамические платы предназначены для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств, в качестве основных материалов (табл. 1) применяются алюмооксидная керамика (Al₂O₃ 92%, 96% или 99,6%) и алюмонитридная керамика (AlN). Керамические подложки могут иметь как одно- или двухстороннюю сплошную металлизацию, так и топологический рисунок, сформированный в соответствии с техническими требованиями заказчика. Для металлизации керамических плат в АО «ТЕСТПРИБОР» наиболее часто применяются две технологии металлизации:

• на основе толстопленочной технологии THICK-FILM (рис. 1) — способ, при котором покрытие или проводящий топологический рисунок формируется трафаретным нанесением пасты (рис. 2) с последующим вжиганием в защитной среде;
• на основе технологии STC, используемой в компании для изготовления керамических плат на основе алюмооксидной керамики (Al₂O₃ 96%) и алюмонитридной керамики (AlN) с металлизацией медью толщиной до 400 мкм с возможностью последующего формирования заданного топологического рисунка фотолитографическими методами.

Рис. 1. Металлизированная керамическая плата с топологическим рисунком, сформированным по толстопленочной технологии

Рис. 2. Нанесение металлизации методом трафаретной печати

Изделия из технической керамики на основе оксида алюминия, в том числе с металлизацией и сложнопрофилированной формы

В соответствии с техническими требованиями заказчика компания «ТЕСТПРИБОР» осуществляет изготовление керамических изоляторов, в том числе с металлизированными боковыми, торцевыми и внутренними поверхностями, обеспечивающими вакуумплотные спаи с металлическими деталями твердыми припоями (Ag72Cu28) при температуре 800–850 °C (рис. 3, 4).

Рис. 3. Керамический изолятор

Рис. 4. Втулка керамическая

Возможные варианты исполнения:

• Покрытие металлизированных поверхностей:
  • никель 2 (никель 2–7 мкм);
  • никель 2 + золото 0,5 (никель 2–7 мкм, золото 0,5 мкм max).
• Материал металлизированной поверхности:
  • молибден-марганец (20–40 мкм).
• Значения шероховатостей поверхности:
  • без дополнительной обработки: Rа 2–5 мкм;
  • после обработки: Rа < 1 мкм.

Графитовая технологическая оснастка

При изготовлении нестандартной технологической графитовой оснастки (рис. 5, 6) для групповой пайки и вжигания стеклянных изоляторов в ходе производства изделий микроэлектроники используется графит марок ТР‑10 и ТР‑808 (табл. 2). Данные материалы изначально созданы для применения в области космического приборостроения и обладают рядом конкурентных преимуществ благодаря следующим особенностям и характеристикам:

• рабочая температура: до +2000 °C;
• высокая устойчивость к знакопеременным нагрузкам;
• не менее 500 рабочих циклов нагрева и охлаждения;
• полное отсутствие газовыделения;
• небольшой коэффициент теплового линейного расширения.

Рис. 5. Сборка изделий в графитовую оснастку

Рис. 6. Работа с графитовой технологической оснасткой для групповой пайки и вжигания стеклянных изоляторов

Таблица 2. Основные технические характеристики графита марок ТР‑10 и ТР‑808

Изделия микроэлектроники со стеклянными изоляторами

Компания «ТЕСТПРИБОР» реализовала проект по запуску собственной производственно-технологической линии изготовления изделий для электронной промышленности со стеклянными изоляторами и в настоящее время обеспечивает выпуск:

• металлостеклянных корпусов для интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, резонаторов, датчиков и т. д. (рис. 7, 8);
• проходных изоляторов;
• герметизированных вводов для блоков радиоэлектронной аппаратуры, двигателей и т. д.

Рис. 7. Сборка металлостеклянных корпусов

Рис. 8. Корпус металло-стеклянный типа ТО 5

Гальваническое производство

В целях обеспечения непрерывного технологического цикла изготовления корпусов и металлизированных керамических подложек для изделий микроэлектроники в компании «ТЕСТПРИБОР» создан и введен в эксплуатацию участок гальванических покрытий (рис. 9). В настоящее время, кроме обеспечения собственного производства, компания предлагает услуги по химическому никелированию (толщиной до 11 мкм), химическому золочению (до 0,5 мкм) и гальваническому золочению (до 3 мкм) металлизированных поверхностей и поверхностей металлических деталей изделий микроэлектроники.

Рис. 9. Участок гальванических покрытий АО «ТЕСТПРИБОР»

Корпуса для интегральных микросхем (ИМС)

Подробный обзор металлокерамических корпусов АО «ТЕСТПРИБОР» категории качества ВП и металлокерамических корпусов с радиационно-защитными экранами был представлен в одноименной статье журнала «Компоненты и технологии» № 11’2016. Однако за прошедший период номенклатура таких изделий, выпускаемых предприятием, значительно расширилась.

Корпуса 2‑го типа по ГОСТ Р 54844

Корпус МК 2134.16‑А (рис. 10), как и корпус МК 2103.8‑А, предназначен для производства микросистем анализа слабых магнитных полей, выполнен по базовой технологии изготовления многослойных высокотемпературных отожженных керамических модулей, однако за счет усовершенствования применяемых материалов обладает немагнитными свойствами. Корпус МК 2119.42‑А разработан для сборки микросистем бесконтактного контроля силы электрического тока, предназначенных для систем контроля тока различных узлов и блоков РЭА, конструктивно состоит из многослойного металлокерамического основания (рис. 11а) и керамического носителя медной шины (рис. 11б).

Рис. 10. Корпус МК 2134.16 А

Рис. 11. Корпус МК 2119.42 А:
а) многослойное металлокерамическое основание;
б) керамический носитель медной шины

Общие технические характеристики корпуса МК 2134.16‑А представлены в таблице 3.

Корпуса 4‑го типа по ГОСТ Р 54844

Четвертый тип по ГОСТ Р 54844 пополнен тремя корпусами (табл. 4):

• корпус 4156.132‑АК c двухсторонним расположением четырех монтажных площадок и специализированными электрическими связями контактных площадок и внешних выводов (рис. 12);
• корпус МК 4254.352-1 с высокоскоростными линиями связи для ПЛИС емкостью не менее 2 млн системных вентилей с размером монтажной площадки 19×19 мм и изолирующей выводной рамкой (рис. 13);
• корпус МК 4250.208-3 с размером монтажной площадки 17,2×17,2 мм и изолирующей выводной рамкой (рис. 14).

Рис. 12. Корпус 4156.132 АК

Рис. 13. Корпус МК 4254.352-1

Рис. 14. Корпус МК 4250.208-3

Корпуса 5‑го типа по ГОСТ Р 54844

На рис. 15–18 изображен внешний вид корпусов 5‑го типа по ГОСТ Р 54844, а в таблице 5 даны их общие технические характеристики.

Рис. 15. Корпус МК 5125.40-А

Рис. 16. Корпус МК 5161.24-А

Рис. 17. Корпус МК 5157.64-1

Рис. 18. Корпус МК 5163.64-1

Корпуса 6‑го и 8‑го типов по ГОСТ Р 54844

На рис. 19–21 изображен внешний вид корпусов 6‑го и 8‑го типа по ГОСТ Р 54844, а в таблице 6 даны их общие технические характеристики.

Рис. 19. Корпус МК 8306.144-1

Рис. 20. Корпус МК 8305.483-2

Рис. 21. Корпус МК 6117.602 А

Хочется обратить внимание, что практически все корпуса, рассмотренные выше, предназначены для изготовления интегральных цифровых и аналоговых микросхем. Сегмент корпусов для мощных дискретных полупроводниковых приборов компанией практически не был представлен.

В настоящее время компания завершила выполнение работ, целью которых стало создание и освоение промышленного производства серии корпусов типов КТ (рис. 22) и SMD (рис. 23) категории качества ВП, соответствующих требованиям ГОСТ РВ 20.39.412-97, ГОСТ РВ 5901-004-2010 и ГОСТ Р 57439-2017, с улучшенными значениями теплопроводности оснований.

Рис. 22. Серия корпусов типа КТ:
а) основание корпуса МК КТ 28 В 1;
б) основание корпуса МК КТ 43G 1;
в) основание корпуса МК КТ 98A 1;
г) основание корпуса МК КТ 99C 2;
д) основание корпуса МК КТ 105-3

Рис. 23. Серия корпусов типа SMD:
а) основание корпуса МК КТ 93-3;
б) основание корпуса МК КТ 94-5;
в) основание корпуса МК КТ 95-3;
г) основание корпуса МК КТ 106-2

При разработке и изготовлении полупроводниковых приборов высокие требования предъявляются к тепловым параметрам корпусов (тепловому сопротивлению на границах «кристалл–корпус» и «корпус – окружающая среда»), их надежности и способности сохранять заданные характеристики в течение всего срока эксплуатации.

Именно поэтому при проектировании и разработке корпусов для мощных дискретных полупроводниковых приборов особое внимание должно быть уделено выбору материала теплоотвода.

Существует достаточно много материалов, обладающих хорошими значениями теплопроводности, однако многие из них не могут быть применены в конструкции корпуса из-за несовместимости физико-механических свойств с керамикой. В таблице 7 приведены материалы, наиболее часто используемые для изготовления теплопроводящих подложек в электронной промышленности, а также их основные физико-механические свойства. Из всего перечня материалов, представленных в таблице 7, наиболее широкое применение в конструкции корпусов нашли молибдено-медные и вольфрам-медные псевдосплавы.

К примеру, сплав WCu представляет собой комбинацию вольфрама (W), который имеет низкое значение ТКЛР, и меди (Cu), отличающейся высокой теплопроводностью. Значение ТКЛР сплава WCu в зависимости от процентного содержания в нем вольфрама и меди может быть подобрано таким образом, чтобы оно соответствовало значениям ТКЛР алюмооксидной керамики и ковара. Кроме того, данный материал хорошо обрабатывается, и из него можно изготавливать детали сложной формы.

В настоящее время псевдосплавы WCu и MoCu являются основными коммерческими материалами для изготовления теплоотводов корпусов как для полупроводниковых приборов, так и для ИМС.

Структуры теплоотводов на основе слоистых композитов (рис. 24) Сu/MoCu/Cu и Сu/WCu/Cu имеют теплопроводность практически в 1,5 раза больше по сравнению с типовыми значениями теплопроводности материалов WCu и MoCu, однако имеют более высокую стоимость.

Рис. 24. Пример структуры теплоотвода на основе слоистых композитов

Графитовый материал TPG обладает превосходными теплопроводящими свойствами, и его применение в структурах теплоотводов (один из вариантов ее реализации приведен на рис. 25) позволяет снизить тепловое сопротивление «переход–корпус» более чем на 30%, однако массовое промышленное применение этого перспективного материала ограничивается из-за сложности технологического процесса производства, а применение — из-за высокой стоимости.

Рис. 25. Пример структуры теплоотвода с графитовой вставкой

Нельзя не отметить относительно недавно появившийся на рынке материал Al-SiC, который представляет собой спеченный теплопроводящий материал, удельный вес которого составляет 1/3 Cu, а значение теплопроводности 160 Вт/(м·К). Значение ТКЛР этого материала определяет процентное содержание Al и SiC, однако он имеет ряд недостатков, что и ограничивает его применение.

В качестве материала, оптимально подходящего для решения задач повышения значений теплопроводности оснований корпусов, предназначенных для мощных дискретных полупроводниковых приборов, можно рассмотреть новый, перспективный композиционный материал Cu-Graphite. Его теплопроводность близка к теплопроводности чистой меди и составляет 370 Вт/(м·К), а удельный вес 5 г/см³, поэтому вес данного материала практически в два раза меньше меди и более чем втрое меньше сплава W85Cu15.