Способ изготовления керамических плат для СВЧ монолитных интегральных схем Российский патент 2023 года по МПК C04B41/88 C04B41/90 H05K3/42 H05K3/06 

Изобретение относится к технологии изготовления керамических плат для СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) и может быть использовано в производстве СВЧ МИС повышенной мощности для СВЧ радиоэлектронных систем.

Разработка новых СВЧ приборов неразрывно связана с разработкой новых технологических решений, которые могли бы обеспечить необходимые тепловые и электрические параметры приборов.

Известен способ изготовления оснований из алюмонитридной керамики с металлизированными отверстиями в котором на осажденную в вакууме металлизацию для повышения ее электропроводности, дополнительно осаждают гальваническую медь толщиной 3 мкм и никель толщиной 3 мкм. Металлизированные отверстия соединяют контактные площадки монтажной поверхности керамического основания с фланцем, являющемся базовым (общим) электродом мощного транзисторов L-диапазона частот. Данное техническое решение направлено на снижение индуктивности мощного транзистора L-диапазона в базовых цепях (С.В. Катаев, В.А. Сидоров, Д.А. Евстигнеев. Теплоотводящие основания из алюмонитридной керамики с металлизированными отверстиями в базовых цепях для мощных транзисторов L-диапазона частот. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 1 (235) 2015, с. 62-67).

Основным недостатком данного технического решения является отсутствие заполнения отверстий материалом с высокой теплопроводностью. То есть над отверстиями нельзя монтировать активные полупроводниковые кристаллы, так как тепло от них будет отводиться через плохо проводящий тепло воздух. Кроме того, керамические основания со сквозными отверстиями не являются герметичными.

В известном способе изготовления металлокерамического корпуса силового модуля включающем изготовление металлизированного основания из алюмонитридной керамики с переходными отверстиями (Патент РФ 2688035 от 17.05.2019). Данное техническое решение направлено на достижение минимального электрического сопротивления переходных отверстий путем размещения в не металлизированных отверстиях медных вставок, к которым припаивают с двух сторон медные аппликации. Данное техническое решение иллюстрирует микрофотоснимок сечения основания в зоне переходного отверстия, показанный на Фиг. 1 и чертеж (Фиг. 2) керамической платы силового модуля с переходными отверстиями. На керамической плате 1 формируют элементы 2 топологического рисунка металлизации и силовые проводники 3, представляющие собой медные аппликации толщиной более 0,1 мм. Аппликации 3 соединяют с внешними выводами 4 переходными отверстиями, в которых перед пайкой размещают медные вставки 5.

Рассмотренное техническое решение используется в корпусах силовых полупроводниковых модулей, но не может быть использовано в СВЧ МИС, работающих на частотах 10 и более ГГц поскольку на платах СВЧ МИС используют тонкопленочную металлизацию, позволяющую формировать прецизионные размеры элементов топографического рисунка, что особенно необходимо для микрополосковых линий с заданным волновым сопротивлением.

Известен способ изготовления плат на основе нитрида алюминия с переходными отверстиями (Патент РФ 2704149 от 24.10.2019) в котором вакуумным осаждением на поверхность керамической пластины наносят тонкопленочные слои титана и меди. Тонкопленочный слой титан-медь покрывают тонким слоем химического никеля, формируют фотолитографическим травлением рисунок металлизации. В отверстиях размещают медные вставки высотой, меньшей толщины керамической пластины на величину не более толщины припоя, после чего к покрытым никелем участкам тонкопленочного слоя под давлением 0,01-0,03 кгс/мм прижимают аппликации из медной фольги и проводят пайку припоем серебро-медь.

Так же, как и в предыдущем способе изготовления металлокерамического корпуса силового полупроводникового модуля, данный способ изготовления плат из керамики на основе нитрида алюминия с переходными отверстиями может найти применение в силовых модулях и не может быть использовано для изготовления керамических плат СВЧ МИС, особенно работающих на частотах 10 и более ГГц.

Ближайшим аналогом может быть способ двухсторонней металлизации керамических пластин (Патент РФ 2649624 от 2018.04.04), включающий заполнение серебросодержащей пастой сквозных отверстий и нанесение на стороны керамической пластины топологических рисунков металлизации с использованием трафаретной сетки в котором в отверстия ракелем продавливается серебросодержащая паста с вязкостью 75-80 Па⋅с, затем серебросодержащей пастой с вязкостью 45-60 Па⋅с наносится топологический рисунок металлизации на нижнюю сторону пластины и проводится низкотемпературная термообработка, затем на рабочую сторону пластины наносится топологический рисунок и проводится высокотемпературный отжиг. Паста для заполнения сквозных отверстий содержит, мас. %: серебро около 90, порошок нитрида алюминия 0,5-2,5, органическое связующее остальное. Паста для нанесения топологических рисунков металлизации на пластину содержит, мас. %: серебро 50-70, боросиликатное стекло с окисью висмута 15-20, органическое связующее остальное.

Данный способ двухсторонней металлизации керамических плат с заполнением отверстий составом на основе серебра решает задачу обеспечения надежного электрического соединения проводников, расположенных на противоположных сторонах платы, но не обеспечивает эффективный отвод тепла через заполненные отверстия составом на основе серебра. Наносимая через сеткотрафарет паста кроме серебра содержит по массе более 7,5% органического связующего, имеющего, как правило, удельный вес в 8-10 раз меньший, чем серебро, то есть объем органического связующего в пасте для заполнения отверстий превышает объем серебра. Следовательно, после удаления органического связующего при отжиге, металлизация в отверстиях не заполнит отверстия полностью, в результате чего при помещении платы на теплоотвод между поверхностью теплоотвода и составом на основе серебра в отверстиях будет находиться плохо проводящий тепло воздух. Кроме того, материал топологического рисунка металлизации, содержащий по массе 50-70% серебра и 15-20% стекла имеет высокое электрическое сопротивление в 1,3-1,6 раз превышающее сопротивление серебра, что существенно повышает потери СВЧ энергии в микрополосковых линиях из этого материала.

Техническим результатом настоящего изобретения является технологический процесс, обеспечивающий эффективный отвод тепла с поверхности платы, предназначенной для монтажа функциональных элементов к поверхности (общему электроду), предназначенной для монтажа на теплоотвод, снижение индуктивности в общем электроде и обеспечение минимальных потерь СВЧ энергии в микрополосковых линиях мощной СВЧ МИС.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе изготовления керамических плат для СВЧ монолитных интегральных схем, включающем формирование на поверхностях платы топологического рисунка металлизации и заполнение переходных отверстий серебросодержащим составом, поверхности платы и поверхности отверстий металлизируют вакуумным осаждением слоев адгезионного металла и меди, формируют методом фотолитографического травления на поверхностях платы топологические рисунки металлизации с площадкой для монтажа интегральной схемы и на противоположной стороне платы с площадкой общего электрода, размещают над площадкой с отверстиями прокладку из эвтектического припоя серебро - медь с толщиной, обеспечивающей объем припоя, превышающий не менее чем в 1,5 раза объем покрытия металлизации платы, включая объем отверстий, с последующим плавлением припоя при температуре 820-830°С в восстановительной среде при давлении прижима прокладки припоя к металлизации 0,1-0,2 кгс/см².

Эвтектический припой серебро-медь широко используется в промышленности, например, известен способ пайки керамики с металлами (патент РФ №2722294, опубл. 2020.05.28), в котором в качестве основы припоя берут фольгу медносеребряного припоя эвтектического типа марки ПСр 72 с содержанием вес. %: серебро 72, медь 28.

Основными требованиями, предъявляемыми к керамическим платам мощных СВЧ МИС, является обеспечение эффективного отвода тепла от активных функциональных элементов, минимальные диэлектрические потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ) материала платы, минимальная индуктивность в общем электроде и низкие потери СВЧ энергии в микрополосковых линиях, обеспечиваемых материалом микрополосков. В СВЧ МИС для плат используют керамику ВК 100 (поликор) у которой tgδ на частоте 10 ГГц равен всего лишь 0,4⋅10^-4 (Физические свойства электровакуумных стекол, ситаллов и керамики. Справочник. ОНТИ научно-исследовательского института электровакуумного стекла (НИИЭС), М, 1967, с. 39).

Поскольку керамика ВК 100 не относится к материалам с высокой теплопроводностью, для повышения эффективности отвода тепла от площадки, предназначенной для монтажа МИС использованы переходные отверстия, заполненные припоем серебро-медь с теплопроводностью в 13-14 раз превышающей теплопроводность керамики ВК 100. Переходные отверстия, заполненные припоем серебро-медь с низким удельным электрическим сопротивлением, также обеспечивают минимальную индуктивность в цепи общего электрода. При диаметре отверстия 0,4 мм и толщине платы 0,5 мм индуктивность одного заполненного отверстия равна 0,4 нГн. Индуктивность 30-ти параллельно соединенных отверстий равна 0,013 нГн.

Сущность изобретения поясняется фотографиями, представленными на Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5.

На Фиг. 3а представлены фотографии керамической заготовки платы с 30 платами для мощной СВЧ МИС до заполнения сквозных отверстий припоем, где на керамической плате 1 сформирован топологический рисунок металлизации 2 с площадкой для монтажа МИС, а на Фиг. 3б на обратной стороне керамической платы 1, сформирован топологический рисунок металлизации 2 с площадкой для общего электрода.

На Фиг. 4 показаны фрагменты плат МИС: до заполнения переходных отверстий (а) сплавом на основе серебра и меди и после заполнения (б).

На Фиг. 5 приведена увеличенная фотография сечения, заполненного припоем серебро-медь переходного отверстия керамической платы 1.

На заготовках из керамики ВК 100 с размерами 40×60 мм толщиной 0,5 мм и отверстиями диаметром 0,4 мм были изготовлены платы с тонкопленочной медной металлизацией толщиной 2 мкм, осажденной в вакууме. Первым осаждали слой ванадия в качестве адгезионного. Топологический рисунок металлизации был сформирован фотолитографическим травлением. Площадь металлизации на заготовке плат с 30-тью площадками с отверстиями диаметром 0,4 мм и с элементами топологического рисунка равна 35,5 см². Площадь прокладки эвтектического припоя серебро-медь с 30-тью площадками, соответствующими площадкам металлизации платы, предназначенными для монтажа МИС, и соединительными перемычками равна 6 см². После плавления прокладки припоя в восстановительной среде при температуре 820-830°С и прижима прокладки через керамическую пластину с давлением 0,1-0,2 кгс/см² припой заполняет отверстия и растекается слоем толщиной 10-20 мкм по металлизации топологического рисунка. Излишек припоя вытекает за пределы керамической заготовки. При давлении менее 0,1 кгс/см² некоторые отверстия оказались заполненными не полностью.

Давление более 0,2 кгс/см² использовать нецелесообразно, так как это связано с увеличением массы груза, а также с увеличением времени нагрева керамических заготовок при вакуумном осаждении металлизации.

В Таблице 1 приведены результаты испытаний по заполнению отверстий с использованием прокладок припоя различной толщины. В соответствии с результатами испытаний, приведенными в таблице, можно сделать вывод, что качественное заполнение отверстий можно получить при толщине прокладки припоя, обеспечивающей объем припоя превышающий не менее, чем в 1,5 раза объем покрытия металлизации платы, включая объем заполненных отверстий, при давлении прижима прокладки припоя к металлизации 0,1-0,2 кгс/см².

Изобретение относится к технологии изготовления керамических плат для сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) и может быть использовано для производства СВЧ МИС повышенной мощности. Способ изготовления керамической платы включает формирование на поверхностях платы рисунка металлизации и заполнение переходных отверстий серебросодержащим составом. Поверхности платы и поверхности отверстий металлизируют вакуумным осаждением меди, формируют топологический рисунок металлизации, над площадками с отверстиями размещают прокладку из эвтектического припоя серебро-медь с толщиной, обеспечивающей объём припоя, превышающий не менее чем в 1,5 раза объём покрытия металлизации платы, включая объём отверстий, проводят плавление припоя при температуре 820-830°С в восстановительной среде при давлении прижима прокладки припоя к металлизации 0,1-0,2 кгс/см². Технический результат изобретения - обеспечение эффективного отвода тепла от активных функциональных элементов, а также минимальных диэлектрических потерь, характеризуемых тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ) материала платы, минимальной индуктивности в общем электроде и низких потерь СВЧ энергии. 5 ил., 1 табл.

Способ изготовления керамических плат для СВЧ монолитных интегральных схем, включающий формирование на поверхностях платы топологического рисунка металлизации и заполнение переходных отверстий серебросодержащим составом, отличающийся тем, что поверхности платы и поверхности отверстий металлизируют вакуумным осаждением слоёв адгезионного металла и меди, формируют методом фотолитографического травления на поверхностях платы топологические рисунки металлизации с площадкой для монтажа интегральной схемы и на противоположной стороне платы с площадкой общего электрода, размещают над площадкой с отверстиями прокладку из эвтектического припоя серебро – медь с толщиной, обеспечивающей объём припоя, превышающий не менее чем в 1,5 раза объём покрытия металлизации платы, включая объём отверстий, с последующим плавлением припоя при температуре 820-830°С в восстановительной среде при давлении прижима прокладки припоя к металлизации 0,1-0,2 кгс/см².