ТЕПЛООТВОДЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2011 года по МПК H01L23/373 

Изобретение относится к области электроники и предназначено преимущественно для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении полупроводниковых приборов и электронных устройств.

Известен теплоотводящий элемент, выполненный из нитрид-алюминиевой керамики (Балкевич В.Л. Техническая керамика, 2-е изд., 1984, с.234, таблица 50; патент US №5320990, С04В 35/581, публ. 1994 г.).

Коэффициент теплопроводности нитрид-алюминиевой керамики 66-285 Вт/м·К, электрическая прочность - 16 кВ/мм, механическая прочность на статический изгиб - 270 МПа, удельное электрическое сопротивление - 2-10¹² Ом·м, температурный коэффициент линейного расширения - (4,8-5,64)·10^-6К^-1, плотность 3,2-3,3 г/см³.

Достоинства:

- высокая диэлектрическая прочность;

- высокое электрическое сопротивление;

- низкий температурный коэффициент линейного расширения;

- низкий удельный вес;

- низкие диэлектрические потери.

Недостатками указанного элемента являются:

- недостаточно высокая теплопроводность;

- недостаточно высокие изолирующие свойства;

- недостаточно высокая механическая прочность на изгиб.

Техническим результатом, который можно получить при осуществлении изобретения, является улучшение изолирующих свойств, повышение теплопроводности и механической прочности теплоотводящего элемента.

Технический результат достигается тем, что теплоотводящий элемент состоит из пластины, выполненной на основе карбида кремния, и пластины, выполненной на основе нитрид-алюминиевой керамики, соединенных между собой эвтектической пайкой металлами, обладающими высокой теплопроводностью.

Технический результат достигается и тем, что предварительно одну из поверхностей каждой пластины последовательно металлизируют слоем металла, обладающего адгезией с материалом пластин, например хрома, молибдена, титана или вольфрама, а затем прижимают пластины металлизированными поверхностями друг к другу и спекают при температуре 200-700°С в среде азота.

Технический результат достигается также и тем, что на одну из поверхностей теплоотводящего элемента наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза, после чего на слой поликристаллического алмаза и на непокрытую поверхность другой пластины наносят слой металла, обладающего адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием или с материалом пластины, соответственно, например хрома, молибдена, титана или вольфрама.

На слои металлов, обладающих адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием и с материалом пластины, соответственно последовательно наносят слой никеля или платины и слой металла или сплава, обеспечивающего надежный контакт и высокую кондуктивную теплопроводность к теплосъемнику, например алюминия, серебра, золота или их сплавов.

На фиг.1 представлены исходные пластины на основе карбида кремния и на основе нитрид-алюминиевой керамики, металлизированные с одной стороны.

На фиг.2 - конструкция теплоотводящего элемента после спекания.

На фиг.3 - теплоотводящий элемент.

Теплоотводящий элемент изготавливают следующим способом.

Сначала изготавливают пластину из карбида кремния 1 с достаточно высокой теплопроводностью (не менее 100 Вт/м·К), например, способом, аналогичным описанному в патенте РФ 2173307, подготавливают пористую карбидокремниевую заготовку. Далее полученную заготовку подвергают термообработке в среде углеводорода или смеси углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения. После высокотемпературной обработки (не менее 1300-1500°С) полученную заготовку пропитывают расплавом металла или сплава металлов из группы: алюминий, магний, и известными технологическими приемами резки, шлифовки, полировки изготавливают пластину толщиной не менее 100 мкм. Минимальная толщина пластины определяется механической прочностью конструкции, максимальная ограничивается суммарными диэлектрическими потерями теплоотводящего элемента, поэтому толщина пластин не превышает 200-1000 мкм.

Затем изготавливают пластину из керамики на основе нитрида алюминия 2. Керамические заготовки нитрида алюминия в виде пластин толщиной 1 мм изготавливают из исходного порошка нитрида алюминия с размером частиц 4-5 мкм спеканием при высоком давлении и температуре (усилие не менее 5-10 МН).

После этого на одну из поверхностей каждой пластины последовательно наносят слой металла 3, обладающего адгезией с материалом пластин, например хрома, молибдена, титана или вольфрама, используя любые известные методы: гальванический, напыление, нанесение пасты, и для обеспечения эвтектического спекания - дополнительные слои металлов: никеля или платины и алюминия, серебра или золота (или их сплавов).

После этого пластины прижимают друг к другу металлизированными поверхностями и спекают при температуре 200-700°С в среде азота.

В результате этого происходит процесс эвтектической пайки пластин с помощью нанесенных на них металлов.

При необходимости, если изолирующие свойства у теплоотводящего элемента недостаточны, то на одну из его поверхностей, например на пластину из карбида кремния 1, наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза 4 толщиной 1 мкм методом лазерного ионно-лучевого распыления графита из газовой фазы.

На слой поликристаллического алмаза 4 и на непокрытую поверхность другой пластины 2 наносят слой металла 5, обладающего адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием и с материалом пластины, соответственно, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама, используя любые известные методы: гальванический, напыление, нанесение пасты.

Затем проводится операция «вжигание» металлизации в среде азота при температуре 200-700°С.

При необходимости наносят дополнительные слои металлов: слой 6 никеля или платины и слой 7 алюминия, серебра или золота (или их сплавов) для обеспечения надежного контакта и кондуктивной теплопроводности от электронного компонента к поверхности теплосъемника.

Изобретение относится к области электроники и предназначено преимущественно для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении полупроводниковых приборов и электронных систем. Техническим результатом изобретения является улучшение изолирующих свойств, повышение теплопроводности и механической прочности теплоотводящего элемента. Сущность изобретения: теплоотводящий элемент состоит из пластины, выполненной на основе карбида кремния, и пластины, выполненной на основе нитрид-алюминиевой керамики, соединенных между собой эвтектической пайкой металлами, обладающими высокой теплопроводностью. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплоотводящий элемент, состоящий из пластины, выполненной на основе карбида кремния, и пластины, выполненной на основе нитрид-алюминиевой керамики, соединенных между собой эвтектической пайкой металлами, обладающими высокой теплопроводностью.

2. Теплоотводящий элемент по п.1, отличающийся тем, что предварительно одну из поверхностей каждой пластины последовательно металлизируют слоем металла, обладающего адгезией с материалом пластин, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама, а затем прижимают пластины металлизированными поверхностями друг к другу и спекают при температуре 200-700°С в среде азота.

3. Теплоотводящий элемент по п.1, отличающийся тем, что на одну из его поверхностей наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза, после чего на слой поликристаллического алмаза и на непокрытую поверхность другой пластины наносят слой металла, обладающего адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием или с материалом пластины соответственно, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама.

4. Теплоотводящий элемент по п.3, отличающийся тем, что на слои металлов, обладающих адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием и с материалом пластины соответственно последовательно наносят слой никеля или платины и слой металла или сплава, обеспечивающего надежный контакт и высокую кондуктивную теплопроводность к теплосъемнику, например, алюминия, серебра, золота или их сплавов.