RU2696369C1 - Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing - Google Patents

Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing Download PDF

Info

Publication number
RU2696369C1
RU2696369C1 RU2018141662A RU2018141662A RU2696369C1 RU 2696369 C1 RU2696369 C1 RU 2696369C1 RU 2018141662 A RU2018141662 A RU 2018141662A RU 2018141662 A RU2018141662 A RU 2018141662A RU 2696369 C1 RU2696369 C1 RU 2696369C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
board
power
solder
aluminum nitride
metallized holes
Prior art date
Application number
RU2018141662A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Петрович Смирнов
Александр Александрович Тевяшов
Андрей Сергеевич Корпухин
Original Assignee
Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") filed Critical Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы")
Priority to RU2018141662A priority Critical patent/RU2696369C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2696369C1 publication Critical patent/RU2696369C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies not provided for in groups H01L21/0405, H01L21/0445, H01L21/06, H01L21/16 and H01L21/18 with or without impurities, e.g. doping materials

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention can be used for high-power power and microwave semiconductor devices. Essence of the invention consists in that the switching board comprises a plate of aluminum nitride with through holes formed by laser micro processing, metallized holes and a metal topological pattern from a system of metals with thickness of 3 to 300 mcm with a protective layer of chemical nickel and gold, formed by vacuum sputtering methods, galvanic deposition, etching through a film photoresist, wherein the switching board has a thick double-sided metallization of up to 300 mcm, a solder mask with windows, two-sided solder layer in solder mask open openings and an additional solder layer in places of attachment of powerful suspension elements and assembly of the board to the housing of the device housing, in combination with metallized holes, heat removal into the board and from the board into the housing, and metallized holes make installation of high density due to two-level layout of metal topological pattern.
EFFECT: enabling improvement of heat removal from radio elements and current-conducting paths located on the switching board.
1 cl, 1 dwg

Description

Коммутационная плата на нитриде алюминия для силовых
и мощных СВЧ полупроводниковых устройств, монтируемая
на основании корпуса прибора.Patch plate on aluminum nitride for power
and high-power microwave semiconductor devices mounted
based on the housing of the device.

Заявленное изобретение относится к конструкции и технологии изготовления коммутирующих керамических плат на основе нитрида алюминия для высокомощных силовых и СВЧ полупроводниковых устройств.The claimed invention relates to the design and manufacturing technology of switching ceramic boards based on aluminum nitride for high-power power and microwave semiconductor devices.

Из уровня техники известна металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей и способ металлизации керамики патент (RU 2490237, опубл. 20.08.2013). Металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей содержит керамическую пластину из оксида или нитрида алюминия, на которой сверху и снизу размещены адгезионные слои на основе молибдена и марганца, слои порошкообразной меди и пластины медной фольги. Пластины медной фольги, слои порошкообразной меди и адгезионные слои могут иметь единый топологический рисунок. Для выполнения металлизации после нанесения на керамическую пластину адгезионных слоев проводят их вжигание при температуре 1320-1350°C. Слои порошкообразной меди наносят методом холодного газодинамического напыления. Затем проводят отжиг при температуре 900-1100°C. На слои порошкообразной меди устанавливают пластины медной фольги толщиной 100-700 мкм и проводят отжиг при температуре 850-1000°C. Отжиг может проводиться под давлением 0,7-1,6кгс/мм2 в среде водорода или в вакууме. Для обеспечения необходимого давления во время отжига подложка может быть помещена в специальную фиксирующую оправку. The prior art known metallized ceramic substrate for electronic power modules and a method of metallization of ceramics patent (RU 2490237, publ. 08.20.2013). The metallized ceramic substrate for electronic power modules contains a ceramic plate of aluminum oxide or nitride, on which molybdenum and manganese-based adhesive layers, layers of powdered copper and copper foil plates are placed on top and bottom. Copper foil plates, powdered copper layers and adhesive layers can have a single topological pattern. To perform metallization after applying adhesive layers to a ceramic plate, they are incinerated at a temperature of 1320-1350 ° C. Layers of powdered copper are applied by cold gas-dynamic spraying. Then annealing is carried out at a temperature of 900-1100 ° C. On the layers of powdered copper set plates of copper foil with a thickness of 100-700 μm and conduct annealing at a temperature of 850-1000 ° C. Annealing can be carried out at a pressure of 0.7-1.6 kgf / mm2 in a hydrogen medium or in vacuum. To provide the necessary pressure during annealing, the substrate can be placed in a special fixing mandrel.

Недостатком указанного аналога является сложность технологического процесса монтажа, недостаточная плотность монтируемых элементов, связанная с отсутствием переходных проводящих отверстий. The disadvantage of this analogue is the complexity of the installation process, the lack of density of the mounted elements associated with the absence of transitional conductive holes.

Из уровня техники известна, выбранная в качестве наиболее близкого аналога керамическая плата (JP2000058995A, опубл. 25.02.2000), содержащая вертикальное сквозное отверстие, образованное в керамической печатной плате из оксида или нитрида алюминия. Проводник сквозного отверстия, который образован в отверстии, состоит из металлизированного слоя основания, который отпечатан на внутренней периферийной поверхности отверстия и покрыт слоем, сформированным на поверхности металлизированного слоя, Металлизированный слой формируется путем печати W или Mo проводящей пасты на внутренней периферийной поверхности. Защитный слой образован путем покрытия поверхности металлизированного слоя с помощью Cu или Ag. Схема проводки, сформированная на поверхности пластины, также имеет двухслойную структуру из металлизированного слоя основания и позолоченного слоя.The prior art ceramic board selected as the closest analogue (JP2000058995A, publ. 02.25.2000) containing a vertical through hole formed in a ceramic printed circuit board of aluminum oxide or nitride. The through hole conductor that is formed in the hole consists of a metallized base layer that is printed on the inner peripheral surface of the hole and coated with a layer formed on the surface of the metallized layer. A metallized layer is formed by printing W or Mo conductive paste on the inner peripheral surface. The protective layer is formed by coating the surface of the metallized layer with Cu or Ag. The wiring diagram formed on the surface of the plate also has a two-layer structure of a metallized base layer and a gilded layer.

Недостатком указанного в качестве наиболее близкого аналога устройства является то, что данные устройства невозможно использовать во вторичных источниках питания, поскольку у них недостаточно низкое тепловое сопротивление. The disadvantage of the device indicated as the closest analogue is that these devices cannot be used in secondary power sources, since they have insufficiently low thermal resistance.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение теплоотвода от радиоэлементов и токоведущих дорожек, расположенных на коммутационной плате и повышение плотности коммутации.The technical result of the claimed invention is to improve the heat sink from the radio elements and current paths located on the circuit board and increase the density of switching.

Заявленный технический результат достигается за счет создания коммутационной платы на нитриде алюминия для высокомощных силовых и СВЧ полупроводниковых устройств, монтируемой на основание корпуса прибора, содержащей пластину из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, сформированными лазерной микрообработкой, металлизированные отверстия и металлический топологический рисунок из системы металлов толщиной от 3 до 300 мкм с защитным слоем из химического никеля и золота, сформированные методами вакуумного напыления, гальванического осаждения, травления через пленочный фоторезист, при этом на коммутационной плате выполнена толстая двусторонняя металлизация до 300 мкм, паяльная маска с окнами, двусторонний слой припоя в открытых окнах паяльной маски, и дополнительный слой припоя в местах крепления мощных навесных элементов и монтажа платы к основанию корпуса прибора, обеспечивающие в совокупности с металлизированными отверстиями отведения тепла в плату и от платы в корпус, а выполнение металлизированных отверстий обеспечивает монтаж высокой плотности за счет двухуровневой разводки металлического топологического рисунка.The claimed technical result is achieved by creating a switching board on aluminum nitride for high-power power and microwave semiconductor devices mounted on the base of the device housing containing a plate of aluminum nitride with through holes formed by laser microprocessing, metallized holes and a metal topological pattern from a metal system with a thickness of 3 to 300 microns with a protective layer of chemical nickel and gold, formed by vacuum deposition, galvanic deposition, etching through a film photoresist, with a thick double-sided metallization of up to 300 microns, a solder mask with windows, a double-sided solder layer in the open windows of the solder mask, and an additional layer of solder in the places of attachment of powerful attachments and mounting the board to the base of the chassis devices providing, in combination with metallized holes, heat removal to the board and from the board to the case, and the implementation of metallized holes provides high density installation due to two ovnevoy topological wiring metal pattern.

Заявленное изобретение проиллюстрирована фигурой 1 на которой изображена коммутационная плата.The claimed invention is illustrated by figure 1 which depicts a patch board.

На фиг.1 позиции обозначают следующее:In figure 1, the positions indicate the following:

1 - пластина из нитрида алюминия;1 - plate of aluminum nitride;

2 - сквозные отверстия;2 - through holes;

3 - медный слой металлизации;3 - a copper layer of metallization;

4 - защитный слой;4 - a protective layer;

5 - паяльная маска;5 - solder mask;

6 - навесной элемент;6 - hinged element;

7 - слой припоя;7 - a layer of solder;

8 - прибор, на котором монтируется коммутационная плата. 8 - device on which the circuit board is mounted.

Заявлена конструкция двухсторонней коммутации платы из нитрида алюминия, имеющая повышенный коэффициент теплопроводности, для монтажа высокомощных силовых и СВЧ полупроводниковых устройств. Плата монтируется на основании корпуса прибора.The design of double-sided switching of a board made of aluminum nitride with an increased coefficient of thermal conductivity for mounting high-power power and microwave semiconductor devices is claimed. The board is mounted on the basis of the instrument housing.

Плата изготавливается следующим образом. На пластину из нитрида алюминия со сформированными методом лазерной микрообработки сквозными отверстиями, формировали двусторонний медный слой металлизации, сформированный вакуумным напылением и гальваническим осаждением 3-300 мкм меди. Топологический рисунок формировали травлением с помощью пленочной фоторезистивной маски. Далее формировали на медном топологическом рисунке защитный слой из химического никеля и золота. Двустороннюю паяльную маску с окнами под навесные элементы и места для крепления к основанию корпуса, формировали методом офсетной печати. Припой наносили методом окунания. Далее проводили монтаж элементов и припайку платы в основании корпуса. В окнах паяльной маски на нижней стороне платы под высокомощными навесными элементами и в точках крепления к основанию корпуса размещен слой припоя для соединения коммутационной платы с прибором, а также для дополнительного теплоотвода от теплонагруженных элементов.The board is made as follows. A two-sided copper metallization layer formed by vacuum deposition and galvanic deposition of 3-300 microns of copper was formed on an aluminum nitride plate with through holes formed by laser microprocessing. A topological pattern was formed by etching using a film photoresist mask. Next, a protective layer of chemical nickel and gold was formed on a copper topological drawing. A double-sided soldering mask with windows for hinged elements and places for attaching to the base of the case was formed by offset printing. The solder was applied by dipping. Next, the elements were mounted and the board was soldered at the base of the case. In the windows of the solder mask on the underside of the board under high-power hinged elements and at the points of attachment to the base of the case there is a solder layer for connecting the patch board to the device, as well as for additional heat removal from heat-loaded elements.

Преимущество изготовления плат из нитрида алюминия вместо стеклотекстолита связано с сочетанием у этого материала его физикомеханических и электрических свойств, хорошая адгезия металлизации к подложке, высокая теплопроводность (> 170 Вт/м*К), диэлектрическая проницаемость (8,7), диэлектрические потери (3*10-4), хорошие электроизоляционные свойства (>109 Ом) и коэффициент теплового расширения (4.5·10–6 °С–1 при нагреве от 20 до 1000 °C). Данные параметры позволяют надежно изолировать токопроводящие шины и эффективно отводить тепло от активных радиоэлементов. The advantage of manufacturing boards from aluminum nitride instead of fiberglass is associated with the combination of its physicomechanical and electrical properties, good metallization adhesion to the substrate, high thermal conductivity (> 170 W / m * K), dielectric constant (8.7), and dielectric loss (3 * 10 -4 ), good electrical insulation properties (> 10 9 Ohms) and coefficient of thermal expansion (4.5 · 10 –6 ° С –1 when heated from 20 to 1000 ° C). These parameters make it possible to reliably isolate the conductive busbars and effectively remove heat from active radioelements.

В качестве примера изготовления можно привести следующий технологический маршрут изготовления платы для вторичных источников питания. На коммутационной плате со сформированными методами лазерной микрообработки отверстиями методами магнетронного напыления и гальваники наносился слой меди толщиной 100 мкм и формировались переходные проводящие отверстия. Процесс травления меди в хлорном железе проводился по маске пленочного фоторезиста марки ordyl am-140. Далее на сформированный рисунок проводников и металлизированных отверстий наносились слои химического никеля (4-6) мкм и химического золота 0, 1 мкм. Далее на подложку наносили паяльную маску peters elpemer 2467, методом офсетной печати. После формировался рисунок в паяльной маске. Затем в окна паяльной маски методом окунания в расплав наносился припой ПОС 61.As an example of manufacturing, we can cite the following technological route for manufacturing boards for secondary power sources. A copper layer with a thickness of 100 μm was deposited on a patch plate with holes formed by laser micro-processing by magnetron sputtering and electroplating, and transitional conducting holes were formed. The process of etching copper in ferric chloride was carried out using a mask of a film photoresist of the brand ordyl am-140. Next, layers of chemical nickel (4-6) microns and chemical gold of 0.1 microns were applied to the formed pattern of conductors and metallized holes. Next, a soldering mask peters elpemer 2467 was applied to the substrate by offset printing. After the drawing was formed in a solder mask. Then, POS 61 solder was applied to the windows of the solder mask by dipping into the melt.

Таким образом, созданием заявленной коммутационной платы достигается основная задача, актуальная для силовых и мощных СВЧ модулей, а именно теплоотвод от радиоэлементов и токоведущих дорожек, расположенных на коммутационной плате. Радиоэлектронная аппаратура, в том числе современная приемо-передающие модули, блоки цифровой обработки сигналов и т.д., предъявляет жесткие требования к параметрам электрического сигнала. Поэтому в большинстве случаев необходимо проведение преобразования электрической энергии от первичного источника (аккумуляторные батареи, топливные элементы и т.д.). Эту роль выполняют высокомощных силовых полупроводниковых устройств, состоящие из нескольких функциональных узлов, обеспечивающих стабильность требуемых значений питающих напряжений, постоянных и переменных токов, электроизоляцию цепей питания друг от друга, эффективное подавление пульсаций во вторичных питающих цепях постоянного тока и т.п. Основные требования к современным источникам вторичного электропитания это стабильность выходных параметров, малые массогабаритные характеристики, большой срок безотказной работы и высокая надежность.Thus, the creation of the declared switching board achieves the main task that is relevant for power and powerful microwave modules, namely, heat removal from radio elements and current paths located on the switching board. Electronic equipment, including modern transceiver modules, digital signal processing units, etc., imposes stringent requirements on the parameters of the electric signal. Therefore, in most cases, it is necessary to conduct the conversion of electrical energy from the primary source (batteries, fuel cells, etc.). This role is played by high-power power semiconductor devices, consisting of several functional units that ensure the stability of the required values of supply voltages, direct and alternating currents, electrical isolation of the supply circuits from each other, effective suppression of ripple in the secondary supply DC circuits, etc. The main requirements for modern secondary power sources are the stability of the output parameters, small weight and size characteristics, a long uptime and high reliability.

Claims (2)

1. Коммутационная плата на нитриде алюминия для высокомощных силовых и СВЧ полупроводниковых устройств, монтируемая на основание корпуса прибора, содержащая пластину из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, сформированными лазерной микрообработкой, металлизированные отверстия и металлический топологический рисунок из системы металлов толщиной от 3 до 300 мкм с защитным слоем из химического никеля и золота, сформированные методами вакуумного напыления, гальванического осаждения, травления через пленочный фоторезист, отличающаяся тем, что на коммутационной плате выполнена толстая двусторонняя металлизация до 300 мкм, паяльная маска с окнами, двусторонний слой припоя в открытых окнах паяльной маски и дополнительный слой припоя в местах крепления мощных навесных элементов и монтажа платы к основанию корпуса, обеспечивающие в совокупности с металлизированными отверстиями отведение тепла в плату и от платы в корпус, а выполнение металлизированных отверстий обеспечивает монтаж высокой плотности за счет двухуровневой разводки металлического топологического рисунка.1. An aluminum nitride patch plate for high-power power and microwave semiconductor devices mounted on the base of the device housing, containing an aluminum nitride plate with through holes formed by laser microprocessing, metallized holes and a metal topological pattern from a metal system with a thickness of 3 to 300 microns with a protective layer of chemical nickel and gold formed by vacuum deposition, galvanic deposition, etching through a film photoresist, characterized the fact that the patch board has thick double-sided metallization up to 300 microns, a solder mask with windows, a double-sided solder layer in the open windows of the solder mask, and an additional solder layer at the points of fastening of powerful attachments and mounting the board to the base of the case, which together with metallized holes heat removal to the board and from the board to the case, and the implementation of metallized holes ensures the installation of high density due to the two-level wiring of the metal topological pattern . 2. Коммутационная плата по п.1, отличающаяся тем, что в паяльной маске дополнительно выполнены окна для точек монтажа с нанесенным на них припоем. 2. The patch board according to claim 1, characterized in that the solder mask additionally has windows for mounting points with solder applied to them.
RU2018141662A 2018-11-27 2018-11-27 Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing RU2696369C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018141662A RU2696369C1 (en) 2018-11-27 2018-11-27 Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018141662A RU2696369C1 (en) 2018-11-27 2018-11-27 Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2696369C1 true RU2696369C1 (en) 2019-08-01

Family

ID=67586684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018141662A RU2696369C1 (en) 2018-11-27 2018-11-27 Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2696369C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000058995A (en) * 1998-08-11 2000-02-25 Sumitomo Kinzoku Electro Device:Kk Ceramic circuit board and semiconductor module
RU2490237C2 (en) * 2011-08-12 2013-08-20 Холдинговая компания "Новосибирский Электровакуумный Завод-Союз" в форме открытого акционерного общества Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation
RU2527661C1 (en) * 2013-02-11 2014-09-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Method of gang bonding of crystals in assembling highly-dense electronic modules
RU154339U1 (en) * 2014-12-01 2015-08-20 Зао "Группа Кремний Эл" SILICON SWITCHBOARD
US9661752B2 (en) * 2010-06-21 2017-05-23 Infineon Technologies Ag Circuit arrangement with shunt resistor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000058995A (en) * 1998-08-11 2000-02-25 Sumitomo Kinzoku Electro Device:Kk Ceramic circuit board and semiconductor module
US9661752B2 (en) * 2010-06-21 2017-05-23 Infineon Technologies Ag Circuit arrangement with shunt resistor
RU2490237C2 (en) * 2011-08-12 2013-08-20 Холдинговая компания "Новосибирский Электровакуумный Завод-Союз" в форме открытого акционерного общества Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation
RU2527661C1 (en) * 2013-02-11 2014-09-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Method of gang bonding of crystals in assembling highly-dense electronic modules
RU154339U1 (en) * 2014-12-01 2015-08-20 Зао "Группа Кремний Эл" SILICON SWITCHBOARD

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4383270A (en) Structure for mounting a semiconductor chip to a metal core substrate
CN108419376B (en) Manufacturing method of selective local electroplating high-thickness copper PCB
US5786986A (en) Multi-level circuit card structure
US5323520A (en) Process for fabricating a substrate with thin film capacitor
USH1471H (en) Metal substrate double sided circuit board
JP2017500730A (en) Temperature control circuit material, manufacturing method thereof, and article formed therefrom
CN100499053C (en) Power semiconductor wiring technology for electric insulation material layer that follows the surface contours
US9648742B2 (en) Printed circuit board, circuit and method for producing a circuit
JPH04144259A (en) Package for power transistor
CN111096089A (en) Interconnect circuit method and device
US20080302564A1 (en) Circuit assembly including a metal core substrate and process for preparing the same
KR20140020114A (en) Metal heat-radiation substrate and manufacturing method thereof
US9231167B2 (en) Insulation structure for high temperature conditions and manufacturing method thereof
RU2696369C1 (en) Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing
US4285781A (en) Metal support for an electronic component interconnection network and process for manufacturing this support
CN108200716A (en) Ceramic PCB manufacturing process based on graphene material
KR102396727B1 (en) high current circuit
US20080084678A1 (en) Printed circuit board and a method for imbedding a battery in a printed circuit board
CN100468670C (en) Internal connection system for power semiconductors comprising large-area terminals
JP4383866B2 (en) Power electronic unit
RU193413U1 (en) Ceramic Power Module Board
US5763060A (en) Printed wiring board
JPS60257191A (en) Printed circuit board
TW593778B (en) A method for applying copper on substrates
JP2008118105A (en) Ion gun treatment method, copper clad laminate manufactured by using the same method, and printed circuit board