RU131235U1

RU131235U1 - DIAMOND HEAT REMOVAL OF SEMICONDUCTOR DEVICE

Info

Publication number: RU131235U1
Application number: RU2013118617/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Катаев; Михаил Миронович Крымко; Виктор Алексеевич Курмачёв; Владимир Алексеевич Сидоров
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар"
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-08-10

Abstract

Алмазный теплоотвод полупроводникового прибора, состоящий из алмазной пластины, металлизированной по поверхностям, предназначенным для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода на основании прибора, а также имеющей электропроводящие включения на боковых поверхностях, отличающийся тем, что по периметру поверхности, предназначенной для монтажа кристалла, имеется фаска с электроизолирующим участком, поверхность которого не содержит электропроводящих включений, причем ширина участка не менее 0,05 мм.A diamond heat sink of a semiconductor device, consisting of a diamond plate metallized on surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the base of the device, as well as having conductive inclusions on the side surfaces, characterized in that there is a perimeter of the surface intended for mounting the crystal chamfer with an electrically insulating section, the surface of which does not contain electrically conductive inclusions, and the width of the section is not less than 0.05 mm.

Description

Заявляемое техническое решение относится к электронной технике и может быть использовано для монтажа и отвода тепла от активных элементов полупроводниковых приборов.The claimed technical solution relates to electronic equipment and can be used for installation and removal of heat from the active elements of semiconductor devices.

Одним из перспективных материалов для теплоотводов в полупроводниковых приборах является алмаз, как природный, так и искусственный, в том числе поликристаллический алмаз, получаемый осаждением из газовой фазы плазмохимическим методом (CVD), теплопроводность которого существенно превышает теплопроводность всех известных материалов.One of the promising materials for heat sinks in semiconductor devices is diamond, both natural and artificial, including polycrystalline diamond, obtained by deposition from the gas phase by the plasma chemical method (CVD), the thermal conductivity of which significantly exceeds the thermal conductivity of all known materials.

Использование алмаза для полупроводниковых приборов неразрывно связано с металлизацией поверхностей, предназначенных для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода на основании прибора, причем между указанными поверхностями должно быть обеспечено высокое значение сопротивления изоляции. Обычно алмазный теплоотвод представляет собой металлизированную по поверхностям пластину, вырезанную с помощью лазера в соответствии с требуемыми размерами.The use of diamond for semiconductor devices is inextricably linked with the metallization of surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the basis of the device, and a high value of insulation resistance must be ensured between these surfaces. Typically, a diamond heat sink is a surface metallized plate cut with a laser according to the required dimensions.

Известно техническое решение, в котором для повышения адгезии металлизационного слоя в металлизированную пластину алмаза вводят промежуточный слой между пластиной алмаза и металлизационным слоем. Промежуточный слой выполнен из вольфрама и слоя соединения его с углеродом приповерхностного слоя пластины алмаза [1]. Данная металлизированная пластина алмаза изготовлена в результате ее прогрева с нанесенным на нее слоем вольфрама в бескислородной среде при температуре 700-1200°С в течение 5-60 минут.A technical solution is known in which, to increase the adhesion of the metallization layer, an intermediate layer is introduced into the metallized diamond plate between the diamond plate and the metallization layer. The intermediate layer is made of tungsten and a layer of its connection with carbon of the surface layer of the diamond plate [1]. This metallized diamond plate is made as a result of its heating with a layer of tungsten deposited on it in an oxygen-free medium at a temperature of 700-1200 ° C for 5-60 minutes.

Однако высокая температура, используемая при изготовлении, может приводить и к графитизации поверхности алмаза, и, следовательно, к появлению электропроводящего слоя графита на его поверхностях. Кроме того, при лазерной резке боковые поверхности теплоотвода также графитизируются, что приводит к заращиванию поверхностей алмаза металлом при электрохимических покрытиях теплоотводов, в частности, золотом.However, the high temperature used in the manufacture can lead to graphitization of the diamond surface and, consequently, to the appearance of an electrically conductive layer of graphite on its surfaces. In addition, during laser cutting, the side surfaces of the heat sink are also graphitized, which leads to the healing of diamond surfaces with metal during electrochemical coatings of heat sinks, in particular gold.

Известна металлизированная пластина алмаза, содержащая промежуточный слой между пластиной алмаза и металлизацией в виде слоя материала промежуточного слоя и слоя соединения его с углеродом, обеспечивающий адгезию металла к алмазу, в котором промежуточный слой выполнен в виде слоя кремния толщиной 0,04-0,1 мкм, и слоя соединения керамики с углеродом [2].Known metallized diamond plate containing an intermediate layer between the diamond plate and metallization in the form of a layer of material of the intermediate layer and a layer of its connection with carbon, providing adhesion of the metal to diamond, in which the intermediate layer is made in the form of a silicon layer with a thickness of 0.04-0.1 microns , and a layer of ceramics-carbon compound [2].

Данное техническое решение обеспечивает адгезию металлизации, но не решает задачи очистки боковой поверхности теплоотвода от включений электропроводящего графита после, практически, неизбежной лазерной резки, в результате которой боковые поверхности теплоотвода графитизируются, что приводит к заращиванию поверхностей алмаза металлом при электрохимических покрытиях теплоотводов, в частности, золотом.This technical solution ensures the adhesion of metallization, but does not solve the problem of cleaning the side surface of the heat sink from inclusions of electrically conductive graphite after almost inevitable laser cutting, as a result of which the side surfaces of the heat sink are graphitized, which leads to the healing of diamond surfaces with metal during electrochemical coatings of heat sinks, in particular in gold.

Известна металлизированная пластина алмаза, которая дополнительно содержит электрически проводящий слой алмаза, непосредственно прилегающий к промежуточному слою. При этом электрически проводящий слой алмаза выполнен с заданным удельным электрическим сопротивлением равным 0,3-2,5 Ом/см и толщиной не менее 0,05 мкм [3-прототип].Known metallized diamond plate, which further comprises an electrically conductive layer of diamond, directly adjacent to the intermediate layer. In this case, the electrically conductive diamond layer is made with a given specific electrical resistance equal to 0.3-2.5 Ohm / cm and a thickness of at least 0.05 μm [3-prototype].

Техническим результатом заявляемого технического решения является обеспечение высокого электрического сопротивления между металлизированными поверхностями алмазного теплоотвода. Кроме того, исключается возможность контакта металлизированной поверхности, предназначенной для монтажа кристалла, с находящимися рядом металлическими элементами корпуса полупроводникового прибора.The technical result of the claimed technical solution is to provide high electrical resistance between the metallized surfaces of the diamond heat sink. In addition, it eliminates the possibility of contact of a metallized surface intended for mounting the crystal, with adjacent metal elements of the housing of the semiconductor device.

Указанный технический результат достигается алмазным теплоотводом полупроводникового прибора, состоящим из алмазной пластины, содержащей металлизацию, по крайней мере, на поверхностях, предназначенным для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода на основании прибора, в котором по периметру поверхности, предназначенной для монтажа кристалла имеется фаска с электроизолирующим участком, поверхность которого не содержит электропроводящих включений, причем ширина электроизолирующего участка не менее 0,05 мм.The indicated technical result is achieved by a diamond heat sink of a semiconductor device, consisting of a diamond plate containing metallization, at least on surfaces, intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the basis of the device, in which there is a chamfer along the perimeter of the surface intended for mounting the crystal electrical insulating section, the surface of which does not contain electrically conductive inclusions, and the width of the electrical insulating section is not less than 0.05 mm

Раскрытие сущности заявляемого технического решения.Disclosure of the essence of the claimed technical solution.

Наличие по периметру поверхности теплоотвода, предназначенной для монтажа кристалла фаски с электроизолирующим участком, поверхность которого не содержит электропроводящих включений и имеющего минимальный размер 0,05 мм, обеспечивает высокое электрическое сопротивление между металлизированными поверхностями алмазного теплоотвода, поскольку поверхность электроизолирующего участка не содержит электропроводящих включений, например, графита. Кроме того, при этом, в случае монтажа теплоотвода вблизи конструктивных металлических элементов полупроводникового прибора, сформированный электроизолирующей фаской гарантированный зазор исключает возможность электрического контакта металлизированной поверхности, предназначенной для монтажа кристалла, с конструктивными металлическими элементами прибора.The presence on the perimeter of the surface of the heat sink intended for mounting a chamfer crystal with an electrically insulating section, the surface of which does not contain electrically conductive inclusions and having a minimum size of 0.05 mm, provides high electrical resistance between the metallized surfaces of the diamond heat sink, since the surface of the electrically insulating section does not contain electrically conductive inclusions, for example graphite. In addition, in this case, in the case of installing a heat sink near the structural metal elements of the semiconductor device, the guaranteed clearance formed by the electrically insulating bevel eliminates the possibility of electrical contact of the metallized surface intended for mounting the crystal with the structural metal elements of the device.

Включения графита можно удалить, например, обработкой в плазме тлеющего разряда. Применение этого метода основано на том, что алмаз при 773 К не газифицируется в водородной плазме тлеющего разряда, когда как неалмазный углерод газифицируется [4-6]. Обработка смесью бихромата калия с концентрированной серной кислотой в течение 4 часов при температуре 893 К приводит также к удалению графита [7]. Но достичь абсолютно полного удаления графита такими методами, практически, не удается. Отдельные включения графита на поверхности алмаза остаются, что приводит к заращиванию поверхностей алмаза металлом при электрохимических покрытиях теплоотводов, в частности, золотом. Обеспечить высокое электрическое сопротивление между металлизированными поверхностями алмазного теплоотвода можно посредством формирования по периметру поверхности, предназначенной для монтажа кристалла, фаски с электроизолирующим участком, поверхность которого не содержит электропроводящих включений, причем ширина электроизолирующего участка не менее 0,05 мм. Такую фаску можно выполнить, например, шлифовкой. Шлифованная поверхность алмаза не содержит каких-либо электропроводящих включений.Graphite inclusions can be removed, for example, by treatment in a glow discharge plasma. The application of this method is based on the fact that diamond at 773 K is not gasified in a glow plasma when it is non-diamond carbon gasified [4-6]. Treatment with a mixture of potassium dichromate with concentrated sulfuric acid for 4 hours at a temperature of 893 K also leads to the removal of graphite [7]. But to achieve absolutely complete removal of graphite by such methods, in practice, it is not possible. Separate inclusions of graphite on the diamond surface remain, which leads to overgrowing of the diamond surfaces with metal during electrochemical coatings of heat sinks, in particular gold. It is possible to ensure high electrical resistance between the metallized surfaces of the diamond heat sink by forming along the perimeter of the surface intended for mounting the crystal a chamfer with an electrically insulating section, the surface of which does not contain electrically conductive inclusions, and the width of the electrically insulating section is at least 0.05 mm. Such a chamfer can be performed, for example, by grinding. The polished surface of the diamond does not contain any electrically conductive inclusions.

Достигаемый технический результат подтверждается следующим примером.The achieved technical result is confirmed by the following example.

На алмазных теплоотводах, представляющих собой полученную методом CVD пластину с размерами 1,2×10 мм при толщине 0,5 мм с металлизацией титан платина на поверхностях предназначенных для монтажа полупроводникового кристалла и на теплоотводящее основание прибора, были измерены величины электрического сопротивления между металлизированными поверхностями до гальванического покрытия и после гальванического покрытия золотом. Фаска была сформирована посредством механической шлифовки с помощью алмазного порошка. Такая обработка исключает на поверхности электроизолирующей фаски наличие графита и иных включений проводящих электрический ток. Результаты измерений приведены в таблице.On diamond heat sinks, which are a CVD-produced plate with dimensions of 1.2 × 10 mm and a thickness of 0.5 mm with metallization of titanium platinum on surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and on the heat sink base of the device, we measured the electrical resistance between metallized surfaces up to plating and after plating with gold. The chamfer was formed by mechanical grinding using diamond powder. Such treatment excludes the presence of graphite and other inclusions conducting electric current on the surface of the electrically insulating bevel. The measurement results are shown in the table.

Результаты измерений показывают, что на величину электрического сопротивления практически не влияет угол фаски, но ширина фаски должна быть не менее 0,05 мм.The measurement results show that the angle of the chamfer practically does not affect the value of electrical resistance, but the width of the chamfer should be at least 0.05 mm.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.The claimed technical solution is illustrated by drawings.

На Фиг.1 представлена обычная конструкция алмазного теплоотвода полупроводникового прибора в виде алмазной пластины 1 прямоугольной формы с металлизацией 2 на поверхности предназначенной для монтажа полупроводникового кристалла и с металлизацией 3 на поверхности предназначенной для монтажа теплоотвода на фланец прибора.Figure 1 shows the usual design of a diamond heat sink of a semiconductor device in the form of a rectangular diamond plate 1 with metallization 2 on the surface for mounting a semiconductor crystal and with metallization 3 on the surface for mounting a heat sink on the flange of the device.

На Фиг.2 представлена соответствующая заявляемому техническому решению конструкция алмазного теплоотвода полупроводникового прибора в виде алмазной пластины 1 прямоугольной формы с металлизацией 2 на поверхности предназначенной для монтажа полупроводникового кристалла, с металлизацией 3 на поверхности предназначенной для монтажа теплоотвода на фланец прибора и с электроизолирующей фаской 4.Figure 2 presents the design of the diamond heat sink of the semiconductor device corresponding to the claimed technical solution in the form of a rectangular diamond plate 1 with metallization 2 on the surface intended for mounting a semiconductor crystal, with metallization 3 on the surface intended for mounting a heat sink on the device flange and with an electrically insulating bevel 4.

На Фиг.3 представлен вид теплоотвода со стороны поверхности предназначенной для монтажа полупроводникового кристалла.Figure 3 presents a view of the heat sink from the surface intended for mounting a semiconductor chip.

Форма теплоотвода может быть не только в виде бруска. Теплоотвод может иметь и иную форму. Например, он может быть выполнен в виде диска, что не выходит за рамки настоящего технического решения.The shape of the heat sink can be not only in the form of a bar. The heat sink may also have a different shape. For example, it can be made in the form of a disk, which does not go beyond the scope of this technical solution.

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки.Sources of information taken into account when filling out the application.

1. Патент США №5346719 НКИ 427/96, 8, опубл. 13.09.1994.1. US patent No. 5346719 NKI 427/96, 8, publ. 09/13/1994.

2. Патент РФ №2285977 МПК Н01L 23/14, опубл. 20.10.2006.2. RF patent №2285977 IPC Н01L 23/14, publ. 10/20/2006.

3. Патент РФ №2436189 МПК Н01L 23/34, опубл. 10.12.2011.3. RF patent No. 2436189 IPC H01L 23/34, publ. 12/10/2011.

4. Куприна Р.В., Верховлюк Т.В. Экологически чистый технологический процесс извлечения алмазов и вольфрама из отработанного бурового и режущего инструмента //ЖПХ 1995. - Т.68.-№10. - С.1735-1737.4. Kuprina R.V., Verkhovlyuk T.V. An environmentally friendly technological process for the extraction of diamonds and tungsten from spent drilling and cutting tools // ZhPKh 1995. - T.68.-No. 10. - S.1735-1737.

5. Путятин А.А., Никольская И.В., Калашников А.Я. Химические м1етоды извлечения алмазов из продуктов синтеза // Сверхтвердые материалы. - 1982. - №2. - С.20-28.5. Putyatin A.A., Nikolskaya I.V., Kalashnikov A.Ya. Chemical methods for the extraction of diamonds from synthesis products // Superhard materials. - 1982. - No. 2. - S.20-28.

6. Исаев Р.Н. Способы извлечения алмазов из различных материалов и методы их очистки // Сверхтвердые материалы. - 1989. - №2, С.30-34.6. Isaev R.N. Methods for extracting diamonds from various materials and methods for their purification // Superhard materials. - 1989. - No. 2, S.30-34.

7. Сандомирская О.А., Беженарь Н.П., Шишкин В.А. Очистка поверхности поликристаллов сверхтвердых материалов от графита // Сверхтвердые материалы. - 1982. - №6. - С.12-14.7. Sandomirskaya O.A., Bezhenar N.P., Shishkin V.A. Cleaning the surface of polycrystals of superhard materials from graphite // Superhard materials. - 1982. - No. 6. - S.12-14.

Claims

A diamond heat sink of a semiconductor device, consisting of a diamond plate metallized on surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the base of the device, as well as having electrically conductive inclusions on the side surfaces, characterized in that there is a perimeter of the surface for mounting the crystal a chamfer with an electrically insulating section, the surface of which does not contain electrically conductive inclusions, and the width of the section is not less than 0.05 mm.