RU2413329C9 - Теплоотводящий элемент - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к теплоотводящим элементам. Указанный элемент состоит из пластины, выполненной из композитного материала, обладающего высокой теплопроводностью, причем на сторонах пластины нанесены электроизоляционные слои. Электроизоляционные слои покрыты слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью. Заявленное изобретение направлено на улучшения изолирующих свойств, повышение теплопроводности и механической прочности теплоотводящего элемента. 7 з.п. ф-лы.

Description

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 композиционного материала, состоящего из алмазных зерен, связанных медью и медными сплавами (патент US 5783316, B23K 31/02, публ. 1998 г.). Этот материал обеспечивает теплопроводность выше теплопроводности меди за счет введения в композит алмазных зерен, имеющих теплопроводность более 1000 Вт/м·K. Для повышения адгезии медных сплавов к частицам алмаза последние предварительно покрывают тонким слоем карбидообразующих металлов.

Недостатками известного теплоотводящего элемента являются его относительно высокий удельный вес, обусловленный высоким удельным весом меди, и высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), также определяемый медью. Последнее приводит к значительной температурной деформации изделия при повышенных температурах. Теплоотводящий элемент, как и чистая медь, недостаточно устойчив к окислению и является электропроводным.

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 из композиционного материала, обладающего высокой теплопроводностью, с нанесенным с одной или с обеих сторон электроизоляционным слоем, который покрыт слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью.

Пластина может быть выполнена из композиционного материала на основе карбида кремния или композиционного материала, содержащего алмазные зерна в матрице из карбида кремния и кремния.

В качестве электроизоляционного слоя на пластину может быть нанесен слой поликристаллического алмаза или слой нитрида алюминия.

В случае нанесения электроизоляционного слоя с одной стороны пластины другая ее сторона покрыта слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью.

Электроизоляционный слой последовательно металлизируют сначала слоем металла, обеспечивающего адгезию с электроизоляционным слоем, а затем слоем металла или сплава, обеспечивающего надежный контакт и высокую кондуктивную теплопроводность к теплосъемнику, например алюминия, серебра, золота или их сплавов.

В случае нанесения электроизоляционного слоя с одной стороны пластины другая ее сторона покрыта слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью, при этом поверхность другой стороны пластины последовательно металлизируют сначала слоем металла, обеспечивающего адгезию с материалом пластины, а затем слоем металла или сплава, обеспечивающего надежный контакт и высокую кондуктивную теплопроводность к теплосъемнику, например алюминия, серебра, золота или их сплавов.

Теплоотводящий элемент получают следующим способом.

Сначала изготавливают пластину толщиной более 200 мкм из карбида кремния или композиционного материала на его основе с повышенной теплопроводностью и ограниченными изолирующими свойствами, например композиционного карбидосодержащего материала, способ получения которого описан в патенте Российской Федерации №2189367. Нижний предел толщины пластины определяется механической прочностью конструкции, а верхний ~2000 мкм - массогабаритными параметрами электронных устройств. Комплекс положительных свойств: высокие механическая прочность, теплопроводность, а также возможность получения заданной и окончательной формы заготовки, позволяет использовать ее для создания теплоотводящего элемента.

После шлифовки, полировки и очистки поверхности пластины на одну или обе ее стороны методом лазерного ионно-лучевого распыления графита из газовой фазы наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза (алмазоподобную пленку) толщиной более 1 мкм, что обеспечивает конструкции заданную статическую электрическую прочность выше 2 кВ без снижения теплопроводности. Толщина алмазоподобного покрытия менее 1 мкм может не гарантировать сплошности покрытия и, соответственно, требуемой электрической прочности. Верхний предел толщины покрытия 5÷10 мкм ограничивается экономической целесообразностью.

После этого на слой поликристаллического алмазного покрытия и на непокрытую поверхность пластины из карбида кремния (если пластина покрыта слоем поликристаллического алмаза с одной стороны) наносят слой металла, обеспечивающего адгезию с поликристаллическим алмазным покрытием, например, хрома, молибдена или вольфрама, используя любые известные методы: гальванический, напыление, нанесение пасты.

Затем проводится операция «вжигание» металлизации в атмосфере азота при температуре 200÷700°C.

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

Изготовление теплоотводящего элемента, содержащего в качестве электроизоляционного слоя нитрид алюминия, проводится аналогично описанному выше способу. На первом этапе изготавливают пластину из композиционного материала на основе карбида кремния или композиционного материала, содержащего алмазные зерна в матрице из карбида кремния и кремния. После шлифовки, полировки и очистки поверхности пластины на одну или обе ее стороны из газовой фазы, например, методом эпитаксиального наращивания при температуре выше 700°C разложением металлоорганического соединения алюминия в среде аммиака наносят слой нитрида алюминия толщиной более 5-10 мкм, что обеспечивает конструкции электрическую прочность выше 2 кВ без снижения теплопроводности, верхний предел толщины слоя нитрида алюминия определяется технологичностью конструкции.

Далее на слой нитрида алюминия и на непокрытую поверхность пластины из карбида кремния (если пластина покрыта слоем нитрида алюминия с одной стороны) наносят слой металла, обеспечивающего адгезию с нитридом алюминия покрытием, например, хрома, молибдена или вольфрама, используя любые известные методы: гальванический, напыление, нанесение пасты.

Затем проводится операция «вжигание» металлизации в атмосфере азота при температуре 200÷700°C.

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

Claims (8)

1. Теплоотводящий элемент, состоящий из пластины, выполненной из композиционного материала, обладающего высокой теплопроводностью, с нанесенным с одной или с обеих сторон электроизоляционным слоем, который покрыт слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью.

2. Теплоотводящий элемент по п.1, отличающийся тем, пластина выполнена на основе карбида кремния.

3. Теплоотводящий элемент по п.1, отличающийся тем, пластина выполнена из композиционного материала, содержащего алмазные зерна в матрице из карбида кремния и кремния.

4. Теплоотводящий элемент по пп.1, или 2, или 3, отличающийся тем, электроизоляционный слой представляет собой слой поликристаллического алмаза.

5. Теплоотводящий элемент по пп.1, или 2, или 3, отличающийся тем, электроизоляционный слой представляет собой слой нитрида-алюминия.

6. Теплоотводящий элемент по п.1, отличающийся тем, что в случае нанесения электроизоляционного слоя с одной стороны пластины другая ее сторона покрыта слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью.

7. Теплоотводящий элемент по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционный слой последовательно металлизируют сначала слоем металла, обеспечивающего адгезию с электроизоляционным слоем, а затем слоем металла или сплава, обеспечивающего надежный контакт и высокую кондуктивную теплопроводность к теплосъемнику, например алюминия, серебра, золота или их сплавов.

8. Теплоотводящий элемент по п.6, отличающийся тем, что поверхность другой стороны пластины последовательно металлизируют сначала слоем металла, обеспечивающего адгезию с материалом пластины, а затем слоем металла или сплава, обеспечивающего надежный контакт и высокую кондуктивную теплопроводность к теплосъемнику, например алюминия, серебра, золота или их сплавов.