[1]Полезная модель (ПМ) относится к области электронной техники и может быть использована при разработке корпусов силовых полупроводниковых приборов большой мощности.
[2]При изготовлении металлокерамических корпусов мощных изделий микроэлектроники для обеспечения хорошего отвода выделяющегося от кристалла тепла широко используются конструкционные элементы, изготовленные из металлических и изоляционных материалов с высокой теплопроводностью (медь, псевдосплавы медь-молибден, медь-вольфрам, керамика на основе окиси бериллия или нитрида алюминия и др.), а также применяется технология последовательной (ступенчатой) пайки этих элементов с использованием ряда припоев с различной температурой (интервалом температур) плавления.
[3]Наиболее часто при изготовлении и корпусировании полупроводниковых приборов с использованием технологии ступенчатой пайки применяется ряд эвтектических припоев для соединения конструкционных элементов корпуса (Ag72Cu28), посадки полупроводникового кристалла (Au88Ge12, Au96,8Si3,2) и герметизации корпуса (Au80Sn20) (Рис. 1).
[4]Однако, при пайке элементов, существенно отличающихся по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР), в процессе охлаждения в местах соединений возникают термические напряжения, которые могут вызывать их деформацию или разрушение. Величина этих напряжений зависит от разницы ТКЛР, размеров элементов и температуры плавления используемого припоя. Путем снижения величины возникающих при пайке термических напряжений является как использование конструкционных материалов, более согласованных по ТКЛР, так и припоев с более низкой температурой плавления.
[5]Наиболее близким техническим решением является конструкция корпусов мощных полупроводниковых приборов, например, мощного СВЧ-транзистора /1/ с высокой теплорассеивающей способностью (Рис. 2).
[6]Основанием такого корпуса является металлический теплоотводящий фланец, изготовленный из псевдосплава молибдена с медью, на котором размещены изолятор из многослойной металлизированной алюмооксидной керамики с сформированной системой управляющих выводов, включающей контактные площадки с внешней стороны и во внутренней полости корпуса (на рисунке не показаны), и теплоотвод из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью - алюмонитридной керамики. Эти конструкционные элементы соединяются высокотемпературной пайкой эвтектическим припоем (1) серебро-медь (Ag72Cu28, Тпл=780°С).
[7]Герметизация корпуса осуществляется пайкой крышки из алюмооксидной керамики с помощью эвтектического припоя (3) золото-олово (Тпл=280°С). Кремниевые кристаллы с транзисторными структурами монтируют на металлизированную поверхность теплоотвода пайкой эвтектическим припоем (2) золото-кремний (Тпл=363°С). В этой конструкции за счет выбора материалов конструкционных элементов и припоев удалось минимизировать величину термических напряжений паяных соединений кристалл - теплоотвод и корпус - крышка.
[8]Однако, из-за недостаточной согласованности ТКЛР спаиваемых элементов (металлического фланца и керамических элементов), и высокой температуры пайки при использовании припоя на основе серебра в основании корпуса возможно возникновение термических напряжений, приводящих к деформации и разрушению конструкции 121.
[9]Целью и техническим результатом заявляемого технического решения является снижение термических напряжений в основании металлокерамического корпуса вследствие уменьшения рассогласований тепловых расширений конструкционных элементов паяных соединений за счет снижения температуры пайки.
[10]Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции корпуса состоящего из основания в виде паянного соединения конструкционных элементов, а именно: металлического теплоотводящего фланца, изолятора из многослойной керамики и теплоотвода-кристаллодержателя из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, и припаиваемой к основанию герметизирующей крышки из алюмооксидной керамики, при этом соединение металлического теплоотводящего фланца с изолятором и теплоотводом-кристаллодержателем выполнено припоем золото-олово, содержащим от 83 до 85 вес. % золота, олово - остальное, а металлический теплоотводящий фланец изготовлен из псевдосплава молибден-медь, содержащего от 15 до 50 вес. % меди, или псевдосплава вольфрам-медь, содержащего от 10 до 30 вес. % меди.
[11]Полезная модель поясняется рисунком 2 поперечного сечения металлокерамического корпуса.
[12]Металлокерамический корпус включает в себя теплоотводящий металлический фланец, к которому припаяны керамический теплоотвод, изготовленный в виде пластины из алюмонитридной керамики с нанесенными для пайки с фланцем и кристаллами участками металлизации, и металлизированный изолятор из многослойной алюмооксидной керамики с сформированной системой управляющих выводов и контактных площадок (на рисунке не показаны), (припой 1).
[13]На теплоотводе закреплены (припой 2) кремниевые кристаллы, а герметизация корпуса осуществляется пайкой крышки из алюмооксидной керамики (припой 3).
[14]Суть технического решения показана ниже на примерах: использование золото-оловянного припоя с интервалом температур плавления 280-500°С вместо припоя Ag72Cu28 с температурой плавления 780°С при пайке элементов металлокерамического корпуса (микросхемы) в 3 раза снижает величину термических напряжений; при этом сохраняется возможность использования эвтектических припоев золото-кремний, золото-германий, золото-олово для монтажа кристаллов и герметизации корпуса.
[15]Так в качестве альтернативы припою Ag72Cu28 для соединения конструкционных элементов корпуса может быть предложен золото-оловянный припой (припойный материал) состава (вес. %) Au80+xSn20-xплавящийся в интервале температур (280°С - Тликвидус). По технологическим причинам Тликвидус такого сплава должна быть не ниже 400°С, превышая на 30-40°С температуру пайки кристаллов эвтектическими припоями золото-кремний и золото-германий и обеспечивая возможность осуществления ступенчатой пайки с использованием этих припоев и эвтектического припоя Au80Sn20.
[16]В соответствии с диаграммой состояния (Рис. 3) в равновесном состоянии значениями Тликвидус выше 400°С обладают сплавы, содержащие более 82,7 вес. % золота. Увеличение содержания золота более 85 вес. % (Тликвидус = 500°С) нецелесообразно, так как это вызывает необходимость увеличения температуры пайки.
[17]Проведем сравнительный анализ величин термических напряжений, возникающих при пайке конструкционных элементов из различных материалов эвтектическим припоем Ag72Cu28 и предлагаемым золото-оловянным припоем, содержащим от 83 до 85 вес. % золота (остальное - олово).
[18]Относительное изменение линейных размеров (ΔL/L) i-го элемента паяного изделия при охлаждении в процессе пайки до комнатной температуры (20°С) определяется по формуле
[20]где ΔT - разница между температурой полного затвердевания припоя (температурой солидус) и комнатной температурой, а αi - средний ТКЛР i-го элемента в интервале температур ΔT.
[21]Для припоя Ag72Cu28 АТ=760°С, а для предлагаемого золото-оловянного припоя ΔТ=260°С.
[22]Величина термических напряжений в паяном соединении пропорциональна разнице в относительных изменениях линейных размеров его элементов (1 и 2) при охлаждении в процессе пайки до комнатной температуры, которая может быть определена по формуле:
[23](ΔL/L)1-(ΔL/L)2=(α1-α2)×ΔT.
[24]В таблице 1 приведены рассчитанные значения этой величины для различных материалов, наиболее часто используемых в конструкциях мощных изделий микроэлектроники: алюмооксидной и алюмонитридной керамик с высоким содержанием окиси алюминия и нитрида алюминия и псевдосплавов молибден-медь и вольфрам-медь. Следует отметить, что уровень теплофизических и прочностных характеристики многочисленных марок выпускаемых промышленностью псевдосплавов молибден-медь (марок МД, содержащих от 15 до 50 вес. % меди) и вольфрам-медь (марок ВД, содержащих от 10 до 30 вес. % меди) определяется не только соотношением компонентов (составом), но и технологией получения композита и, как правило, эти характеристики не нормируются предприятиями изготовителями. Анализ технической информации показал, что разброс значений ТКЛР псевдосплавов с одинаковым содержанием компонентов может достигать 20% и более. Для расчета рассогласования тепловых расширений конструкционных элементов использовали усредненные справочные значения ТКЛР этих материалов для интервалов температур 20-280°С и 20-780°С (Табл. 2).
[25]
[26]
[27]Проведенные расчеты показывают, что предлагаемый золото-оловянный припой, содержащий от 83 до 85 вес. % золота (остальное - олово), может быть применен вместо припоя Ag72Cu28 в технологическом процессе изготовления мощных изделий микроэлектроники с использованием технология ступенчатой пайки. Его применение позволяет значительно снизить температуру пайки (с -800°С до 500°С) и в большинстве случаев более чем в 3 раза уменьшить величину рассогласований тепловых расширений элементов и термических напряжений в паяном соединении.
[28]Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
[29]1. В. Сидоров. Корпуса СВЧ-транзисторов на основе полиалмаза и алюмонитридной керамики, ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2007
[30]2. А.И. Ивашко, М.М. Крымко. Металлический корпус для силовых полупроводниковых модулей, Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 4 (247) 2017, с. 61-67
[31]3. Диаграммы состояния двойных металлических систем / под общей редакцией Лякишева Н.П../; т. 1, - М.: Машиностроение, 1996. - 996 с.
