Металлические и композитные теплопроводящие материалы для мощных полупроводниковых корпусов

№ 12’2014
PDF версия
В статье рассмотрены основные требования и критерии выбора теплопроводящих материалов мощных полупроводниковых корпусов, основные тепловые и электрофизические параметры сплавов WCu, MoCu, композитных материалов из Cu, Mo, WCu, MoCu и новых перспективных композитных материалов алюминий-алмаз, медь-алмаз, CVD-графит, использующих исключительные электрофизические параметры углерода. Проанализировано влияние типа теплопроводящих материалов оснований корпусов на тепловые и электрические параметры мощных СВЧ-транзисторов.

Введение

Одной из тенденций современных эффективных полупроводниковых приборов является увеличение плотности выделяемой мощности, достигающей десятков кВт/см2, и повышение рабочей температуры приборов [1]. Использование новых материалов, таких как SiC, GaN, позволяет увеличить рабочие температуры c типовых +85.. .150 °C до экстремальных +250…300 °C и выше [2]. Даже при +125…150 °C высокая температура может стать одной из основных причин отказа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. При экстремальных температурах отвод тепла от поверхности чипа и корпуса прибора превращается в первоочередную проблему, требующую решения. И здесь на помощь приходит оптимизация конструкции и технологии сборки, а также применение новых материалов с улучшенными теплопроводящими свойствами [3].

В силовых приборах, действующих на низких частотах или в постоянном режиме, могут быть использованы все методы оптимизации. Однако в мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторах и усилителях мощности ее возможности ограничены из-за паразитных составляющих, влияющих на работу при высоких и сверхвысоких частотах. Применение новых материалов с улучшенными теплопроводящими свойствами часто остается единственным приемлемым способом отвода тепла от поверхности чипа. Поэтому в последние годы множество исследований и разработок, особенно в США и Японии, посвящено именно созданию новых материалов для мощных полупроводниковых корпусов.

На рис. 1 показана типовая структура и материалы современного мощного мультичипового СВЧ LDMOS-транзистора и усилителя мощности. Базовым в такой конструкции является металлическое основание, на которое методом высокотемпературной напайки монтируются боковая керамическая рамка из Al2O3, металлические выводы, а также с помощью эпоксидного компаунда наклеивается керамическая крышка. Чипы транзисторов и конденсаторов монтируются на металлическое теплопроводящее основание методами эвтектики Au-Si или посадкой на припой. В СВЧ MOSFET- и биполярных транзисторах монтаж чипа выполняется на металлизированную BeO- или AlN-керамику, расположенную между металлическим основанием и чипом и электрически изолирующую чип от основания. В процессе эксплуатации температура достигает максимальных значений на поверхности чипа и за счет хороших теплопроводящих свойств ВеО-керамики и металлического основания уменьшается к области нижнего основания корпуса (рис. 2) [4]. Керамика BeO обладает лучшими теплопроводящими свойствами из известных применяемых материалов (рис. 3) и является безальтернативной для СВЧ-транзисторов и модулей высокой мощности. Снижение толщины чипов также становится одним из факторов уменьшения температуры на поверхности чипа [5]. Однако особое значение имеют тепловые и электрофизические параметры металлических оснований мощных полупроводниковых корпусов. Именно от них зависит эффективность отвода тепла от чипа к внешним радиаторам.

Типовая структура мощного СВЧ LDMOS-транзистора в корпусе

Рис. 1. Типовая структура мощного СВЧ LDMOS-транзистора в корпусе

Распределение температуры в структуре мощного СВЧ-транзистора

Рис. 2. Распределение температуры в структуре мощного СВЧ-транзистора

Тепловые свойства различных керамических материалов

Рис. 3. Тепловые свойства различных керамических материалов

 

Критерии выбора материалов

Выбор материалов для теплоотводящих оснований (фланцев) мощных полупроводниковых корпусов обусловлен соответствием основным параметрам, которыми должны обладать эти материалы:

  • максимальная теплопроводность во всем диапазоне рабочих температур;
  • технологическая совместимость с основными материалами корпуса (ковар, Cu, Al2O3, BeO, AlN и др.) и материалами чипов (Si, GaAs, GaN, InP, SiC и т. д.);
  • коэффициент термического расширения (КТР), максимально близкий к основным материалам корпуса и чипа;
  • хорошие механические свойства, исключающие деформацию оснований как в процессе изготовления корпусов, так и при сборке чипов и последующей эксплуатации;
  • низкая шероховатость поверхности, менее 0,6 мкм;
  • приемлемая стоимость.

На рис. 4 приведены теплопроводность и коэффициент термического расширения для основных материалов, применяемых при изготовлении корпусов и чипов для приборов силовой и СВЧ-электроники [6]. Видно, что коэффициент термического расширения основных материалов находится в области 4-8 ppm/K. Медь, как наиболее распространенный материал для маломощных корпусов ИС, имеет достаточную теплопроводность, но довольно высокий КТР. Сочетание хорошей теплопроводности Cu с удовлетворительными КТР широко применяемых в микроэлектронике W и Mo становится оптимальным выбором материала сплавов WCu и MoCu для теплопроводящих оснований корпусов мощных приборов. В настоящее время именно этим обусловлено широкое распространение WCu и MoCu в качестве материалов тепло-проводящих оснований для корпусов мощных выпрямительных и лазерных диодов, СВЧ-транзисторов и усилителей мощности, а также мощных силовых модулей и оптоэлектронных приборов.

Теплопроводность и коэффициент термического расширения основных материалов силовой и СВЧ-электроники

Рис. 4. Теплопроводность и коэффициент термического расширения основных материалов силовой и СВЧ-электроники

 

Материалы WCu, MoCu

Требование совместимости КТР основных материалов корпуса и чипов обусловливает повышенное содержание W и Mo в сравнении с Cu в сплавах WCu и MoCu. В таблице 1 представлены параметры WCu и MoCu в зависимости от содержания в них W и Mo [7]. Изменяя содержание W, можно достигать близости коэффициентов термического расширения к основным применяемым материалам: кремнию, керамике Al2O3, BeO, AlN и металлам (ковар и др.). Идентичный результат удается получить за счет изменения содержания Mo в сплаве MoCu, однако благодаря меньшему весу MoCu имеет преимущество в тех областях, где это особенно важно, прежде всего в авиационной и космической сферах. Хорошая механическая прочность W и Mo позволяет минимизировать деформацию оснований при изготовлении корпусов и сборке чипов.

Таблица 1. Параметры сплавов WCu и MoCu в зависимости от соотношения материалов
Тип Содержание W и Mo, вес. % Плотность, г/см3 Коэффициент термического расширения, ppm/K Теплопроводность, Вт/м·K
W90Cu 90 ±1 17 6,5 180-190
W85Cu 85 ±1 16,3 7 190-200
W80Cu 80 ±1 15,6 8,3 200-210
W75Cu 75 ±1 14,9 9 220-230
Mo70Cu 70 ±1 9,8 9,1 170-200
Mo60Cu 60 ±1 9,66 10,3 210-250
Mo50Cu 50 ±1 9,54 11,5 230-270

Технологии получения и обработки сплавов WCu и MoCu давно созданы и оптимизированы. Бурное промышленное развитие в Китае способствовало организации таких производств в этой стране и снижению их цены. Вот почему простым сплавам WCu, MoCu в данной статье уделено меньше внимания, чем альтернативным материалам с улучшенными параметрами.

 

Композиционные материалы

В последние годы широкое распространение получают слоистые композиционные структуры. Они состоят из нижней и верхней обкладок из Cu, между которыми помещается слой, содержащий Mo или W или их сплавы с медью (рис. 5). Меняя соотношение толщины данных слоев, можно варьировать теплопроводность и коэффициент термического расширения (табл. 2) [78]. Такие «сэндвичные» структуры позволяют не только увеличить теплопроводность и жесткость конструкции, но и снизить их стоимость, что имеет немалое значение для повышения конкурентоспособности.

Таблица 2. Параметры композиционных структур CMC (Cu/Mo/Cu) и СPC (Cu/Mo70Cu/Cu) в зависимости от соотношения материалов
Тип Соотношение Плотность, г/см3 Коэффициент расширения, ppm/K Теплопроводность, Вт/м·К
в плоскости по толщине
CMC (Cu/Mo/Cu) 13:74:13 9,88 5,6 200 170
1:4:1 9,75 6 220 180
1:3:1 9,66 6,8 244 190
1:2:1 9,54 7,8 260 210
1:1:1 9,32 8,8 305 250
CPC (Cu/Mo70Cu/Cu) 1:4:1 9,46 7,2 — по оси Х
9 — по оси Y
340 300
CPC (Cu/W85Cu/Cu) 1:4:1 13,45 8,79 340 300
S-CMC (Cu/Mo/Cu/…/Cu) 5:1:5:1:5 9,2 12,8 при +200 °C
6,1 при +800 °C
350 295
Вид и структура композиционных оснований СВЧ-корпуса

Рис. 5. Вид и структура композиционных оснований СВЧ-корпуса

На рис. 6 дано сравнение механических напряжений в материалах WCu и медном композите, демонстрирующее значительно меньшие напряжения и склонность к деформации в композиционных структурах. Это имеет особое значение для сверхмощных приборов, использующих основания (фланцы) большой площади. В таких приборах нарушение плоскостности основания корпуса способно привести к катастрофическим отказам при эксплуатации.

Механические напряжения WCu- и Cu-композита

Рис. 6. Механические напряжения WCu- и Cu-композита

Количество слоев в композиционных структурах может изменяться от трех для простых CMC-, CPC-материалов до 8-10, как в S-CMC-материалах.

В настоящее время композиционные структуры из Cu, W, Mo, имеющие улучшенные параметры в сравнении со сплавами WCu, MoCu, вытесняют их, расширяя сферы своего применения.

 

Металлические материалы с графитовым наполнением

Совсем недавно появились разновидности композитных материалов, использующих в качестве внутреннего наполнения «сэндвича» графитовый материал (рис. 7) [9]. Разработанный компанией Momentive Perfomance Materials графитовый материал под названием TPG (thermal pyrolitic graphite) изготавливают в вакууме при температуре свыше +2000 °C методом осаждения из газовой фазы с помощью разложения CH4. Полученный TPG обладает слоистой структурой с хорошо ориентированными кристаллами, теплопроводностью 1500 Вт/м·K, что в четыре раза выше, чем у Cu. Кроме того, данный материал даже легче алюминия и WCu и MoCu. Благодаря прекрасным тепловым параметрам он обеспечивает минимальный градиент температур и значительное повышение рассеиваемой мощности (рис. 8, 9). Исследования, проведенные нашей компанией «Синтез Микроэлектроника» на TPG-основаниях компании Momentive, показали отличные результаты.

Структура графитовых TPG-оснований СВЧ-корпуса

Рис. 7. Структура графитовых TPG-оснований СВЧ-корпуса

Параметры материалов TPG, MoCu, WCu

Рис. 8. Параметры материалов TPG, MoCu, WCu

Тепловые преимущества TPG-материала

Рис. 9. Тепловые преимущества TPG-материала:
а) корпус с основанием CuMo (толщина транзисторного чипа d = 220 мкм);
б) корпус с основанием TPG (толщина транзисторного чипа d = 220 мкм)

На рис. 10 приведены результаты распределения теплового поля и достигнутых параметров мощности и теплового сопротивления для СВЧ-транзистора в корпусах с основаниями из MoCu и с графитовым TPG-наполнителем. Это означает, что применение TPG позволяет снизить тепловое сопротивление переход-корпус на 30% и, соответственно, пропорционально увеличить значение максимальной рассеиваемой мощности (рабочего тока) и расширить область безопасности работы транзистора.

Тепловое сопротивление и мощность СВЧ-транзистора с основаниями корпуса из MoCu (а) и с TPG-наполнителем (б)

Рис. 10. Тепловое сопротивление и мощность СВЧ-транзистора с основаниями корпуса из MoCu (а) и с TPG-наполнителем (б)

Однако, несмотря на хорошие тепловые, механические и физические свойства, в настоящее время структуры TPG обладают одним существенным недостатком — высокой стоимостью. Очевидно, что в дальнейшем по мере удешевления технологии TPG-материал расширит сферы применения в полупроводниковых корпусах, особенно для высокотемпературного, экстремального и сверхмощного применения.

В работе [10] было исследовано использование и влияние CVD-алмаза для мощных СВЧ-корпусов на тепловые параметры СВЧ-транзистора и усилителя мощности. Промоделировано влияние CVD-алмаза толщиной 0,3 мм, нанесенного на поверхность основания MoCu вместо керамики BeO, на тепловые параметры этих приборов. Установлено, что температура может быть снижена на 5 °C, а тепловое сопротивление уменьшено на 30%. Данные расчеты очень хорошо согласуются с упомянутыми экспериментальными результатами на TPG-основаниях, полученными нашей компанией.

 

Алюминий-алмаз, медь-алмаз

Еще одно направление, использующее хорошие параметры углерода, — композитные материалы Al-алмаз и Cu-алмаз. Исследования их свойств велись более 10 лет, но только недавно эти материалы стали коммерчески доступными для продуктов силовой электроники.

Компания Nano Materials International Corporation (NMIC) много лет проводит исследование по материалу алюминий-алмаз [11]. И лишь в 2011 году NMIC анонсировала выход на рынок GaN СВЧ мощных транзисторов первого теплопроводящего материала из материала алюминий-алмаз. Схема процесса получения металлического матричного композитного материала, именуемого ММС (Metal Matrix Composite), показана на рис. 11.

Схема процесса изготовления материала Al-алмаз

Рис. 11. Схема процесса изготовления материала Al-алмаз

Материалы компании NMIC производятся по процессу, называемому «литье под давлением», предусматривающему инфильтрацию при высоком давлении (50-150 MPa) расплавленного алюминия или алюминиевого сплава в оснастку, содержащую алмазный порошок со сформированным поверхностным слоем SiC [11]. Оснастка представляет собой формованные пластины различного размера и толщины под конкретные габариты изделий каждого клиента. В процессе жидкой штамповки расплавленный металл под высоким механическим давлением заполняет герметичную матрицу с оснасткой. Давление в данном процессе выше, чем в других процессах типа инфильтрации с использованием давления газа, за счет чего достигаются лучшие показатели теплопроводности. Кроме того, в отличие от других процессов литье под давлением делает композиты с металлической матрицей (MMC) более твердыми и однородными. Композиционные материалы обычно состоят из базового металла (металлического сплава типа алюминия, меди или кремния) в сочетании с вторичным материалом типа алмаза или SiC. Композиты с металлической матрицей (MMC) используют комбинацию из алюминиевого сплава, инфильтрированную в преформу или упаковку из частиц алмаза, представляющих собой дешевый промышленный порошок из синтетических алмазов. Размер и соотношение алмазных частиц оптимизируется для получения высокой теплопроводности, низкого КТР и удовлетворительной механической прочности. Готовится смесь из двух размеров алмазных частиц (мелких и крупных) для максимизации нагрузки, типовое значение которой составляет 60 об.% алмазного порошка. Испытания показали, что интерфейс между алмазными частицами и инфильтрированным алюминиевым сплавом имеет особую важность для обеспечения общей теплопроводности и термостабильности MMC. Неспособность алюминия полностью смачивать частицы алмаза приводит к возникновению микротрещин в данной прослойке, результатом чего является деградация параметров теплопроводности (поскольку данная прослойка играет основную роль во взаимодействии между металлом и алмазом). При термоциклировании микротрещины вызывают разрушение прослойки, что приводит к уменьшению теплопроводности. С учетом всего этого компания NMIC разработала процесс создания методами диффузии тонкого поверхностного слоя SiC на поверхности частиц алмаза. В отличие от покрытия SiC, которое представляет собой еще один лишний термоинтерфейс между слоем SiC и частицами алмаза, преобразованный поверхностный слой SiC становится неотъемлемой составляющей самой частицы алмаза и устраняет значительные потери в теплопроводности до поверхности алмаза. К тому же преобразованный слой на поверхности алмаза в сочетании с металлической матрицей, обеспечивающей хорошую механическую прочность и жесткость, дает максимальные теоретически возможные уровни теплопроводности для подобных композитов, а также полную смачиваемость частиц алмаза алюминием за счет поверхностного слоя SiC и отсутствие микротрещин в прослойке. На рис. 12 показано фото со сканирующего электронного микроскопа частиц алмаза с преобразованным поверхностным слоем SiC и без него. На рис. 12 видно значительное изменение цвета алмазного порошка после формирования на нем данного слоя. Были проведены испытания по термотренировке образцов, изготовленных с использованием алмазов с поверхностным слоем SiC и без такового. После 10 циклов термотренировки при +500 °C с интервалом в 1 ч удельная теплопроводность образцов без поверхностного слоя SiC быстро деградировала, в то время как теплопроводность образцов с поверхностным слоем SiC оставалась неизменной. Тест продемонстрировал важность наличия поверхности контакта между металлом и алмазом и ту роль, которую играет сформированный поверхностный слой SiC в поддержании стабильных параметров теплопроводности.

Частицы алмаза

Рис. 12. Частицы алмаза: а, б) фото с электронного микроскопа:
а) без преобразованного поверхностного слоя;
б) с преобразованным поверхностным SiC-слоем;
в) внешний вид

Шероховатость (гладкость) поверхности основания корпуса очень важна для обеспечения качественного монтажа чипов на его поверхности. Типовое требование шероховатости составляет менее 1 мкм. Для того чтобы создать нужную поверхность материала Al-алмаз, на его нижней и верхней стороне формируют слои алюминия толщиной от 0,05 до 0,1 мм (рис. 13). Таким образом достигается поверхностная шероховатость менее 0,6 мкм. Наличие этих слоев необходимо и для последующего формирования на их поверхности слоев Ni и Au (рис. 11).

Структура материала Al-алмаз

Рис. 13. Структура материала Al-алмаз

Композитный состав Cu-алмаз очень близок по своим характеристикам к параметрам Al-алмаз (табл. 3) [8]. Он получил промышленное продвижение из-за предпочтительных свойств и преимуществ меди для корпусного применения и совместимости с другими материалами электроники.

Таблица 3. Параметры материалов Al-алмаз, Cu-алмаз
Параметры Al-алмаз Cu-алмаз
Содержание алмаза, об.% 57
Плотность, г/см3 3,17 5,5
Теплопроводность, Вт/м·К 500 470
Удельная теплоемкость, Дж/г·К 0,62 0,44
Коэффициент термического расширения, ppm/K 7,5 6,7
Прочность изгиба, МПа 300 230
Модуль Юнга, ГПа 340 255
Электрическое сопротивление, мкОм·см 37 9
Шероховатость поверхности (Ra), мкм <1 <2
<0,2 покрытая
Точка плавления, °С +570

Основные параметры материала Al-алмаз приведены в таблице 3. Материал обладает теплопроводностью 500 Вт/м·K, что более чем в 2 раза превышает эти значения для WCu. Моделирование, выполненное на мощных GaN-транзисторах, показало снижение теплового сопротивления переход-корпус на 25%. Исследование влияния температуры на теплопроводность и КТР образцов Al-алмаз демонстрирует увеличение КТР вплоть до +400 °C с последующим выравниванием значений (рис. 14). Это вполне ожидаемо из-за приближения температуры к точке плавления Al-сплава. Теплопроводность материала уменьшается с повышением температуры.

Влияние температуры на теплопроводность и коэффициент термического расширения материала Al-алмаз

Рис. 14. Влияние температуры на теплопроводность и коэффициент термического расширения материала Al-алмаз

Американская компания Metal Matrix Cast Composites (MMCC) специализируется на разработке материалов и компонентов для полупроводниковой, военной, авиационной, медицинской промышленности [12]. Одной из сфер применения этих материалов являются композитные материалы с высокой теплопроводностью. Запатентованные MMCC технологии производства Al- и Cu-композитных материалов позволили выпустить на рынок продукты METGRAF и AlGrp. Линейка METGRAF включает AlMetGraf- и CuMetGraf-композитные составы из Al и Cu с углеродом, обладающие теплопроводностью от 185 до 300 Вт/м·K. Материал AlGrp имеет более высокую теплопроводность 650-750 Вт/м·K, что позволяет применять его и в качестве вставок в основания из METGRAF, тем самым повышая его теплопроводность (рис. 15) [12].

Пример конструкции с комбинированием материалов METGRAF и AlGrp компании MMCC

Рис. 15. Пример конструкции с комбинированием материалов METGRAF и AlGrp компании MMCC

 

Применение в полупроводниковой электронике

Достигаемое с помощью углеродных составляющих металлов корпусов улучшение тепловых и электрических параметров мощных полупроводниковых приборов весьма важно для дальнейшего увеличения плотности их мощности. Однако таким материалам еще предстоит пройти путь адаптации к массовому промышленному применению, включая оптимизацию технологии, обеспечение полной воспроизводимости параметров и приемлемой цены для рынка. Это позволит не только захватить рыночную нишу экстремального применения и сверхмощных приборов, но и потеснить сплавы металлов WCu, MoCu и композиционные структуры в уже существующих сферах.

Материалы повышенной теплопроводности используются не только для СВЧ-корпусов, но и для корпусов обычных мощных диодов и транзисторов. В 1990-е годы компания AEGIS (сейчас AMETEK) разработала серию корпусов TO и SMD. В качестве их базовых оснований, наряду с коваром и Cu, применялись сплавы WCu и MoCu, а в последнее время и AlSiC [13]. Сейчас корпуса TO-254, TO-256, TO-257, TO-258, SMD-0.5, SMD-1, SMD-2, в составе которых имеются эти материалы, изготавливает несколько компаний в США, Европе, Азии и России. В зависимости от поставленных задач заказчик может приобрести корпуса не только с разным материалом базового основания, но и с металлизированной керамикой из BeO или AlN, что необходимо для MOSFET-транзисторов. В таких корпусах компании Microsemi и GeneSiC Semiconductor [14, 15] выпускают много изделий.

Но наиболее привлекательны эти материалы для металлокерамических и пластмассовых корпусов СВЧ-транзисторов и усилителей мощности, чья выходная мощность достигает 2,2 кВт [14] за счет новых материалов чипов GaN, SiC.

Очевидно, что по мере увеличения мощности и рабочей температуры полупроводниковых приборов роль и использование новых материалов с высокой теплопроводностью будет возрастать. Это станет основным стимулом не только для максимального сокращения сроков перехода от исследований новых материалов к их промышленному применению, но и к созданию новых перспективных материалов с улучшенными параметрами.

 

Заключение

Повышение максимальной мощности современных эффективных полупроводниковых приборов требует действенных методов и материалов для отвода тепла от поверхности чипа.

Металлические основания с максимальной теплопроводностью становятся наиболее эффективным инструментом для снижения температуры мощных полупроводниковых корпусов.

В настоящее время WCu и MoCu являются основными коммерческими материалами основания корпусов, позволяющими за счет изменения соотношения между WCu и MoCu варьировать теплопроводность и коэффициент термического расширения для конкретных целей.

Композиционные структуры Cu/MoCu/Cu, Cu/WCu/Cu, Cu/Mo/Cu/…/Cu в 1,2-1,4 раза способны улучшить теплопроводность типовых WCu-, MoCu-материалов и повысить их устойчивость к механическим деформациям.

Благодаря исключительным параметрам углерода его использование в композитных структурах алюминий-алмаз, медь-алмаз и в композитных материалах значительно улучшает теплопроводящие свойства мощных полупроводниковых корпусов и увеличивает мощность СВЧ-транзисторов, усилителей мощности, лазерных диодов и т. д. Однако массовое промышленное применение этих перспективных материалов пока сдерживается сложностью технологии и их высокой стоимостью.

Литература
  1. Blanchard P. RF & Microwave Capability & Roadmap. Microsemi Space Forum Russia. November, 2013.
  2. Sundaresan S, Singh R., Jochnson R. W. Silicon Carbide Super Junction Transistors Operations at 500 °C // www.genesicsemi.com
  3. Zweben C. Transient Thermal Solve Power Electronics Challenges. Power Electronics Technology. February, 2006.
  4. Eblen M. Transient Thermal Modeling Techniques for WBG Device Packaging. Kyocera America. 2006.
  5. Боднарь Д. Ультратонкие пластины как тенденция развития полупроводниковых технологий // Компоненты и технологии. 2012. № 11.
  6. www.allied-material.co.jp
  7. Torrey Hills Heat Sinks. 2013 // www.torreyhillstech.com
  8. www.plansee.com
  9. www.momentive.com
  10. Obeloer T., Bolinger B. E. CVD Diamond — Integrating a Superior Thermal Material. Electronics Cooling. September 5, 2014.
  11. Loutfy K., Hirotsuru H. Advanced Diamond Metal Matrix Composites for Thermal Management of RF Devices.
  12. www.metalmatrixcomposites.com /ссылка устарела/
  13. www.ametek-ecp.com
  14. www.microsemi.com
  15. www.genesicsemi.com

Комментарии на “Металлические и композитные теплопроводящие материалы для мощных полупроводниковых корпусов

  1. ООО «Покрытия и композиты» изготавливает композиционный материал, обладающий теплопроводностью 600-900 Вт/(м К), который состоит из алмазного наполнителя на медной связке. Характеристики полученных алмаз-медных композитов с монодисперсным наполнителем:
    — коэффициент теплопроводности при температуре 25 оС до 800…900 Вт/(м К) при размере частиц алмаза 200…400 мкм;
    — объемная доля алмаза ~62 %;
    — плотность композита ~5,5 г/см3;
    — пористость не более ~1 %;
    — коэффициент термического расширения 5…6 ppm/K при температуре 25 оС и 8 ppm/K при 200 оС;
    — продольная скорость звука 8…9 км/с;
    — удельное электрическое сопротивление 5…10 мкОм см;
    — модуль Юнга ~300 ГПа;
    — предел прочности на растяжение 150 МПа;
    — предел прочности на изгиб 370 МПа;
    — удлинение при разрыве ~ 2 %;
    — шероховатость полированной поверхности Rz ~0,1 мкм;
    — минимальная толщина изделий 1-2 мм;
    — устойчивость к термоциклированию и термоудару (для 102 термоциклов -65 оС … +125 оС снижение теплопроводности и увеличение коэффициента термического расширения не более ~5 %).

    Для сравнения: для меди при температуре 25 оС коэффициент теплопроводности составляет 390 Вт/(м К), коэффициент термического расширения 17 ppm/K.

    Композиционный алмаз-медный материал изготавливается методом капиллярной (спонтанной) инфильтрации расплава меди в слой частиц алмаза с предварительно нанесенным покрытием карбидообразующего материала. Преимуществом технологии является ее простота: инфильтрация проводится без приложения давления (механического или газа), не требуется компактирование заготовки под давлением перед инфильтрацией, используется общедоступное сырье (порошки синтетического алмаза и медь, не применяются сплавы). Кроме того, инфильтрация расплава проводится за короткое время (несколько минут), и способ почти не имеет ограничений по форме получаемых изделий (возможно изготовление изделий с полостями, выступами, сквозными отверстиями). Изделия могут быть получены в окончательной или близкой к окончательной форме. Операции нанесения покрытия на алмаз (получение полуфабриката) и инфильтрации металла (получение композита) могут быть разнесены, т.е. проведены в разное время в разных местах. Полученные изделия легко соединяются с другими конструктивными элементами посредством пайки. По приведенным характеристикам полученный материал не уступает алмазно-металлическим композитам, полученным всеми другими известными способами (инфильтрация содержащих карбидообразующие добавки сплавов меди под давлением; введение медной матрицы спеканием или инфильтрацией при высоких давлениях более 1 ГПа).
    Композиционный материал может использоваться для теплообменников, теплоотводов, теплорассеивателей в полупроводниковых и ламповых электронных приборах (таких, как интегральные схемы, центральные процессоры CPU, IGBT-модули высокомощных транзисторов, лазеры, рентгеновские трубки и др.), в тепловых машинах, холодильниках (таких, как термоэлектрические охлаждающие системы и др.). Композиционный материал может использоваться в конструкциях с высокими тепловыми нагрузками и высокими тепловыми потоками (например, в синхротронных источниках излучения, в ускорителях элементарных частиц и в реакторах ядерного синтеза), а также в устройствах с высокой скоростью теплопередачи (таких, как системы с термочувствительными сенсорами).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *