RU215217U1

RU215217U1 - HEAT SINK OF A SEMICONDUCTOR DEVICE BASED ON CVD DIAMOND

Info

Publication number: RU215217U1
Application number: RU2022120436U
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Сидоров; Александр Александрович Зайцев; Сергей Владимирович Катаев; Алексей Геннадьевич Чупрунов; Кирилл Владимирович Сидоров
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2022-12-02

Abstract

Полезная модель относится к электронной технике и может быть использована в полупроводниковых приборах для эффективного отвода тепла от активных элементов. Результатом предложенного технического решения является снижение трудоёмкости изготовления теплоотвода на основе поликристаллического CVD алмаза за счёт исключения трудоёмких операций шлифовки и полировки ростовой поверхности алмаза перед металлизацией. Технический результат обеспечивается тем, что в теплоотводе полупроводникового прибора на основе CVD алмаза, состоящем из пластины CVD алмаза с металлизированными поверхностями, предназначенными для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода на основании прибора, поверхность алмаза, предназначенная для монтажа кристалла, металлизирована тонкоплёночной металлизацией, а поверхность алмаза, предназначенная для монтажа теплоотвода на основании прибора, выбрана ростовой и металлизирована припаянной к ней медной фольгой, причём в зоне пайки углубления в шероховатой ростовой поверхности заполнены припоем с высокой теплопроводностью. 3 ил.

The utility model relates to electronic engineering and can be used in semiconductor devices for efficient heat removal from active elements. The result of the proposed technical solution is to reduce the labor intensity of manufacturing a heat sink based on polycrystalline CVD diamond by eliminating the labor-intensive operations of grinding and polishing the diamond growth surface before metallization. The technical result is ensured by the fact that in the heat sink of a semiconductor device based on CVD diamond, consisting of a CVD diamond plate with metallized surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the base of the device, the diamond surface intended for mounting the crystal is metallized with thin-film metallization, and the surface of the diamond, intended for mounting the heat sink on the base of the device, was chosen as a growth surface and metallized with copper foil soldered to it, and in the soldering zone, the recesses in the rough growth surface were filled with solder with high thermal conductivity. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к электронной технике и может быть использована в полупроводниковых приборах для эффективного отвода тепла от активных элементов. Полукристаллический CVD алмаз является перспективным материалом для теплоотводов мощных транзисторов. Пластины CVD алмаза диаметром 50-100 мм и толщиной 0,3-2 мм выращивают плазмохимическим осаждением из газовой смеси метана и водорода на полированную пластину из кремния при воздействии СВЧ разряда. Шероховатость ростовой поверхности – 10-50 мкм, обратная сторона по шероховатости повторяет поверхность кремниевой пластины (Фиг. 1, Фиг. 2) [М.П. Духновский, А.К. Ратникова, Ю.Ю. Фёдоров / Термическая обработка поликристаллического CVD алмаза с целью формирования гладкой поверхности // Электронная техника, сер.1. СВЧ техника, вып. 2(495).2008]. Для использования алмазных пластин ростовую поверхность полируют, используя шлифовку и полировку алмазными порошками, либо воздействием коротких импульсов лазерного излучения, либо используя взаимное растворение металла и углерода т.д. Такая обработка алмазных пластин отличается большой трудоёмкостью и длительностью.The utility model relates to electronic engineering and can be used in semiconductor devices for efficient heat removal from active elements. Semicrystalline CVD diamond is a promising material for heat sinks in high power transistors. Plates of CVD diamond with a diameter of 50-100 mm and a thickness of 0.3-2 mm are grown by plasma-chemical deposition from a gas mixture of methane and hydrogen on a polished silicon wafer when exposed to a microwave discharge. The roughness of the growth surface is 10-50 microns, the reverse side repeats the surface of the silicon wafer in terms of roughness (Fig. 1, Fig. 2) [M.P. Dukhnovsky, A.K. Ratnikova, Yu.Yu. Fedorov / Heat treatment of polycrystalline CVD diamond to form a smooth surface // Elektronnaya Tekhnika, Ser.1. Microwave technology, no. 2(495).2008]. To use diamond plates, the growth surface is polished using grinding and polishing with diamond powders, either by exposure to short pulses of laser radiation, or by using mutual dissolution of metal and carbon, etc. Such processing of diamond plates is very laborious and time consuming.

Использование алмаза для полупроводниковых приборов неразрывно связано с металлизацией поверхностей, предназначенных для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа алмазного теплоотвода на основании прибора.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 diamond heat sink on the base of the device.

Известно, что покрытие алмаза металлом является весьма сложной проблемой, так как алмаз имеет чрезвычайно низкую адгезию к любым материалам. В данной работе предложена полированная алмазная пластина, покрытая ионно-легированным слоем кремния покрытым тонкоплёночной металлизацией титан, молибден, никель. Основным недостатком такой пластины является тудоёмкость её изготовления [Духновский М. П., Крысов Г.А., Ратникова А. К. Металлизация пластин из CVD-алмаза // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ техника, вып. 1(494), 2008, с. 3-7]. It is known that the coating of diamond with metal is a very difficult problem, since diamond has an extremely low adhesion to any materials. In this paper, we propose a polished diamond plate coated with an ion-doped layer of silicon coated with a thin-film metallization of titanium, molybdenum, and nickel. The main disadvantage of such a plate is the labor intensity of its manufacture [Dukhnovsky M. P., Krysov G. A., Ratnikova A. K. Metallization of plates from CVD diamond // Elektronnaya tekhnika, Ser. 1, microwave technology, no. 1(494), 2008, p. 3-7].

Известна пластина алмаза, на модифицированной поверхности которой осаждён химический никель [Патент США № 6348240, опубл. 19.02.2002 г. НКИ 427/539]. Данная металлизированная пластина алмаза выдерживает испытание на отрыв лентой Scotch. Основным недостатком данной пластины является низкая адгезия металла к алмазу.A diamond plate is known, on the modified surface of which chemical Nickel is deposited [US Patent No. 6348240, publ. February 19, 2002 NCI 427/539]. This plated diamond plate withstands the Scotch tape peel test. The main disadvantage of this plate is the low adhesion of metal to diamond.

Известен металлизированный элемент из CVD алмаза для пайки твёрдыми припоями [Вяхирев В. Б., Духновский М. П., Ратникова А. К., Федоров Ю. Ю. Изолирующие теплоотводы на основе CVD-алмаза для силовой электроники // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ техника, вып. 3(502), 2009, с. 40] с полированной поверхностью до шероховатости 1,000 Å и металлизированный вакуумным осаждением металлов. При этом первый слой - хром толщиной 200-10,000 Å, второй слой - барьерный из вольфрама, молибдена, тантала, ниобия, сплава хрома с тугоплавким металлом, верхний слой-медь серебро, толщиной 200-50,000 Å. Такая обработка алмазных пластин отличается большой трудоёмкостью и длительностью. Known metallized element of CVD diamond for brazing [Vyakhirev V. B., Dukhnovsky M. P., Ratnikova A. K., Fedorov Yu. Yu. Insulating heat sinks based on CVD diamond for power electronics // Electronic technology, Ser . 1, microwave technology, no. 3(502), 2009, p. 40] with a polished surface to a roughness of 1,000 Å and metallized by vacuum deposition of metals. In this case, the first layer is chromium with a thickness of 200-10,000 Å, the second layer is a barrier layer of tungsten, molybdenum, tantalum, niobium, an alloy of chromium with a refractory metal, the upper layer is copper silver, 200-50,000 Å thick. Such processing of diamond plates is very laborious and time consuming.

Известен способ модификации поверхности синтетического алмаза, обеспечивающий приемлемый уровень адгезии тонкоплёночной и толстоплёночной металлизации для электронных приборов (патент США № 5853888 от 29.12.1998). В изобретении раскрыт принцип металлизации синтетических алмазных подложек, в котором решаются трудности слабой адгезии обычных соединительных материалов (таких как алюминий, золото, медь и другие) к алмазу и необходимости нанесения дополнительного промежуточного металлического слоя для обеспечения приемлемого уровня адгезии теплоотвода и подложки, а также способ её осуществления. A known method of modifying the surface of synthetic diamond, providing an acceptable level of adhesion of thin-film and thick-film metallization for electronic devices (US patent No. 5853888 from 29.12.1998). The invention discloses the principle of metallization of synthetic diamond substrates, which solves the problems of weak adhesion of conventional connecting materials (such as aluminum, gold, copper, and others) to diamond and the need to apply an additional intermediate metal layer to ensure an acceptable level of adhesion of the heat sink and substrate, as well as a method its implementation.

Но тонкоплёночная металлизация требует длительной и трудоёмкой полировки поверхности алмаза.But thin-film metallization requires a long and laborious polishing of the diamond surface.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является теплоотвод полупроводникового прибора [Патент РФ № 131235, МПК H01L23/34, опубликован 10.08.2013], состоящий из пластины CVD алмаза, содержащей металлизацию на поверхностях, предназначенных для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода в приборе. Пластина CVD алмаза металлизирована тонкоплёночной металлизацией системы титан-платина, что требует длительной и трудоёмкой полировки поверхностей, подлежащих металлизации. The closest analogue, taken as a prototype of the proposed utility model, is the heat sink of a semiconductor device [RF Patent No. 131235, IPC H01L23 / 34, published on August 10, 2013], consisting of a CVD diamond plate containing metallization on surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for installation of a heat sink in the device. The CVD diamond plate is metallized by thin-film metallization of the titanium-platinum system, which requires a long and laborious polishing of the surfaces to be metallized.

Результатом указанного технического решения является снижение трудоёмкости изготовления теплоотвода на основе поликристаллического CVD алмаза за счёт исключения операций длительной и трудоёмкой шлифовки и полировки, по крайней мере, ростовой поверхности алмаза.The result of this technical solution is to reduce the labor intensity of manufacturing a heat sink based on polycrystalline CVD diamond by eliminating the operations of long and laborious grinding and polishing, at least, of the diamond growth surface.

Технический результат обеспечивается тем, что в теплоотводе полупроводникового прибора на основе CVD алмаза, состоящем из пластины CVD алмаза с металлизированными поверхностями, предназначенными для монтажа полупроводникового кристалла и для монтажа теплоотвода на основании прибора, поверхность алмаза (полированная), предназначенная для монтажа кристалла, металлизирована тонкоплёночной металлизацией, а поверхность алмаза, предназначенная для монтажа теплоотвода на основании прибора, выбрана ростовой (без обработки) и металлизирована припаянной к ней медной фольгой, причём в зоне пайки углубления в шероховатой ростовой поверхности заполнены припоем с высокой теплопроводностью. The technical result is ensured by the fact that in the heat sink of a semiconductor device based on CVD diamond, consisting of a CVD diamond plate with metallized surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the base of the device, the diamond surface (polished), intended for mounting a crystal, is metallized with a thin film metallization, and the diamond surface intended for mounting the heat sink on the base of the device was selected as a growth diamond (without processing) and metallized with copper foil soldered to it, and in the soldering zone, the recesses in the rough growth surface were filled with solder with high thermal conductivity.

Осаждённая в вакууме тонкоплёночная система металлизации на полированной поверхности CVD алмаза, предназначенная для монтажа полупроводникового кристалла имеет толщину всего лишь несколько микрометров и практически не влияет на тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом и алмазом. Vacuum-deposited thin-film metallization system on a polished CVD diamond surface, designed for mounting a semiconductor crystal, is only a few micrometers thick and practically does not affect the thermal resistance between the semiconductor crystal and diamond.

Влиянием на тепловое сопротивление между алмазом и медной фольгой шероховатой ростовой поверхности алмаза также можно пренебречь, поскольку, как указано выше, шероховатость ростовой поверхности составляет 10-50 мкм, а рекомендованный зазор для вакуумноплотного соединения деталей высокотемпературной пайкой для многих высокотемпературных припоев, например, ПСр-72 составляет до 75 мкм [Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, C. 69], что обеспечивает гарантированное заполнение углублений в шероховатой ростовой поверхности алмаза припоем с высокой теплопроводностью.The effect on the thermal resistance between diamond and copper foil of the rough growth surface of diamond can also be neglected, since, as indicated above, the roughness of the growth surface is 10–50 μm, and the recommended gap for vacuum-tight joining of parts by high-temperature soldering for many high-temperature solders, for example, PSr- 72 is up to 75 µm [Roth A. Vacuum seals. Per. from English. M., "Energy", 1971, C. 69], which ensures the guaranteed filling of recesses in the rough growth surface of the diamond solder with high thermal conductivity.

На Фиг. 3 представлена соответствующая заявленному техническому решению конструкция алмазного теплоотвода полупроводникового прибора в виде алмазной пластины 1 с осаждённой в вакууме тонкоплёночной системой металлизации 2 на поверхности, предназначенной для монтажа полупроводникового кристалла. Поверхность алмаза, предназначенная для монтажа теплоотвода на основании прибора, выбрана ростовой без обработки и металлизирована припаянной к ней медной фольгой 3. On FIG. 3 shows the construction of a diamond heat sink for a semiconductor device corresponding to the claimed technical solution in the form of a diamond plate 1 with a thin-film metallization system 2 deposited in vacuum on the surface intended for mounting a semiconductor crystal. The surface of the diamond intended for mounting the heat sink on the base of the device was selected as a growth diamond without processing and metallized with copper foil 3 soldered to it.

Claims

The heat sink of a semiconductor device based on CVD diamond, consisting of a CVD diamond plate with metallized surfaces intended for mounting a semiconductor crystal and for mounting a heat sink on the base of the device, characterized in that the surface of the diamond intended for mounting the crystal is metallized with a thin-film metallization, and the diamond surface, designed for mounting a heat sink on the base of the device, a growth surface without processing was chosen and metallized with copper foil soldered to it, and in the soldering zone, the recesses in the rough growth surface were filled with solder with high thermal conductivity.