RU2724289C1 - Housing of semiconductor device from metal matrix composite and method of its manufacturing - Google Patents
Housing of semiconductor device from metal matrix composite and method of its manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724289C1 RU2724289C1 RU2019128890A RU2019128890A RU2724289C1 RU 2724289 C1 RU2724289 C1 RU 2724289C1 RU 2019128890 A RU2019128890 A RU 2019128890A RU 2019128890 A RU2019128890 A RU 2019128890A RU 2724289 C1 RU2724289 C1 RU 2724289C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- semiconductor device
- housing
- size
- silicon carbide
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electroplating Methods And Accessories (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области конструирования полупроводниковых приборов и может применяться в СВЧ полупроводниковых приборах на широкозонных материалах, в составе которых имеется кристалл транзистора и корпус транзистора. The invention relates to the field of construction of semiconductor devices and can be used in microwave semiconductor devices on wide-gap materials, which include a transistor crystal and a transistor housing.
Из существующего уровня техники известны корпуса транзисторов на основе сплавов МД-40, которые широко используются в технологии производства транзисторов (Пономарев В.А., Сидоров В.А., Хозиков В.С. Применение молибдено-медных псевдосплавов в СВЧ приборах // Электронная техника. Серия 6. Материалы. – 1984. – вып. 14 (199). – С. 9-11.; Ken Kuang, Franklin Kim, Sean S. Cahill. RF and Microwave Microelectronics Packaging. – N.Y.: Springer Science+Business Media, LLC 2010. – 281 p.).From the existing level of technology, transistor casings based on MD-40 alloys are widely used, which are widely used in transistor manufacturing technology (Ponomarev V.A., Sidorov V.A., Khozikov V.S. Application of molybdenum-copper pseudo-alloys in microwave devices // Electronic Technique. Series 6. Materials. - 1984. - Issue 14 (199). - S. 9-11 .; Ken Kuang, Franklin Kim, Sean S. Cahill. RF and Microwave Microelectronics Packaging. - NY: Springer Science + Business Media, LLC 2010 .-- 281 p.).
Также известно техническое решение (RU Патент № 2505378, дата публикации 27.01.2014 г.) «Алюминиево-алмазный композиционный материал и способ его получения». Алюминиево-алмазный композиционный материал в форме пластины состоит из участка композита, включающего зерна алмаза и алюминиевый сплав, и поверхностных слоев, сформированных на обеих сторонах участка композита. Поверхностные слои состоят из материала, содержащего металл, в основном состоящий из алюминия, в количестве 80% об. Содержание алмазных частиц в композите составляет 40-70% об. от всего алюминиево-алмазного композиционного материала. Недостатком данной модели является то, что при нанесении слоя металлизации высокая температура может приводить к появлению на поверхности материала электропроводящего слоя графита.Also known is a technical solution (RU Patent No. 2505378, publication date 01/27/2014) "Aluminum-diamond composite material and method for its preparation." The aluminum-diamond composite material in the form of a plate consists of a composite section, including diamond grains and aluminum alloy, and surface layers formed on both sides of the composite section. The surface layers consist of a material containing metal, mainly consisting of aluminum, in an amount of 80% vol. The content of diamond particles in the composite is 40-70% vol. from all aluminum-diamond composite material. The disadvantage of this model is that when a metallization layer is applied, high temperature can lead to the appearance of an electrically conductive graphite layer on the surface of the material.
Известен патент RU 2544319 «Способ химического никелирования и раствор для его осуществления». Изобретение относится к области химической металлизации поверхности металломатричных композиционных материалов, в частности металломатричного композиционного материала алюминий-карбид кремния. Способ включает обезжиривание, первую промывку, травление, вторую промывку, химическое осаждение никеля, третью промывку и сушку, при этом травление проводят в водном растворе, содержащем 20-35 мас.% фтористоводородной кислоты и 10-35 г/л аммония фтористого, в течение 15-30 с, при температуре раствора от 10 до 40°C. Химическое осаждение никеля можно проводить при температуре от 55 до 70°C.Known patent RU 2544319 "Method for chemical nickel plating and a solution for its implementation." The invention relates to the field of chemical metallization of the surface of metal matrix composite materials, in particular aluminum-silicon carbide metal matrix composite material. The method includes degreasing, first washing, etching, second washing, chemical precipitation of nickel, third washing and drying, while etching is carried out in an aqueous solution containing 20-35 wt.% Hydrofluoric acid and 10-35 g / l of ammonium fluoride, during 15-30 s, at a solution temperature of 10 to 40 ° C. Chemical precipitation of Nickel can be carried out at a temperature of from 55 to 70 ° C.
Недостатком данного способа является повышенный растрав поверхности, который приводит к появлению неплоскосности поверхности, а также плохая паяемость при монтаже кристалла транзистора на металлизированную поверхность.The disadvantage of this method is the increased raster of the surface, which leads to the appearance of flatness of the surface, as well as poor solderability when mounting the transistor crystal on a metallized surface.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является заявка JP2002322531 (дата публикации 08.11.2002 г.) «Высокотеплопроводный композитный материал и способ его создания», которая является прототипом заявляемого решения. Данное техническое решение относится к области электроники и предназначен, преимущественно, для использования в качестве материала для изготовления теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении полупроводниковых приборов и электронных устройств. Данное техническое решение содержит в своем составе от 15% до 60% алюминия и от 40% до 85% керамического наполнителя. В данном патенте не решен вопрос сплошной металлизации монтажных поверхностей, в результате чего под активным полупроводниковым кристаллом могут быть непропаянные участки, что может привести к недопустимому перегреву локальных участков полупроводниковой структуры. То есть, такой материал может быть использован успешно только как теплопроводная прокладка.The closest analogue of the invention is the application JP2002322531 (publication date 11/08/2002) "High-conductivity composite material and method of its creation", which is a prototype of the proposed solution. This technical solution relates to the field of electronics and is intended primarily for use as a material for the manufacture of a heat-conducting electrically insulating substrate in the manufacture of semiconductor devices and electronic devices. This technical solution contains from 15% to 60% aluminum and from 40% to 85% ceramic filler. This patent does not solve the issue of continuous metallization of mounting surfaces, as a result of which there can be unsoldered sections under the active semiconductor crystal, which can lead to unacceptable overheating of local sections of the semiconductor structure. That is, such a material can only be used successfully as a heat-conducting gasket.
Технический результат изобретения заключается в оптимизации технологии изготовления корпуса с металлизацией металломатричного композита, которая позволяет избежать растрава поверхности. Также техническими результатами является получение прочного спая в местах монтажа кристалла на поверхности корпуса, интенсификация теплоотвода корпуса, и как следствие уменьшение деформации транзистора при нагреве в процессе работы.The technical result of the invention is to optimize the manufacturing technology of the housing with the metallization of the metal matrix composite, which avoids raster surface. Also the technical results are obtaining a solid junction in the places of mounting the crystal on the surface of the housing, the intensification of the heat sink of the housing, and as a result, a decrease in the deformation of the transistor during heating during operation.
Задачами, направленными на достижение заявленных результатов являются: создание корпуса полупроводникового прибора, обладающего высокой теплопроводностью, КТР которого максимально приближен к КТР подложки СВЧ транзистора на основе карбида кремния, металлизации корпуса полупроводникового прибора для возможности монтажа кристалла транзистора; обеспечение сплошности металлизации поверхности корпуса и получение плоскостности поверхности для монтажа кристалла полупроводникового прибора; получение металлизированной поверхности корпуса полупроводникового прибора, изготовленного из металломатричного композита, без растрава поверхности, с возможностью получения качественных спаев в местах монтажа кристалла транзистора. The tasks aimed at achieving the stated results are: creating a case of a semiconductor device having high thermal conductivity, the KTR of which is as close as possible to the KTR of the substrate of a microwave transistor based on silicon carbide, metallization of the case of a semiconductor device for the possibility of mounting a transistor crystal; ensuring the continuity of the metallization of the surface of the housing and obtaining flatness of the surface for mounting a crystal of a semiconductor device; obtaining a metallized surface of the case of a semiconductor device made of a metal matrix composite, without raster surface, with the possibility of obtaining high-quality junctions in places of installation of the transistor crystal.
Схема заготовки перед механической обработкой показана на Фиг.1., где 1 – частицы карбида кремния двух типоразмеров, 2 – алюминий.The scheme of the workpiece before machining is shown in Fig. 1., where 1 - particles of silicon carbide of two sizes, 2 - aluminum.
Общий вид корпуса приведен на Фиг. 2, где 3 – основание корпуса, являющееся теплоотводящим элементом (теплоотводом). Фотографическое изображение образца корпуса приведено на Фиг. 3.A general view of the housing is shown in FIG. 2, where 3 is the base of the housing, which is a heat sink element (heat sink). A photographic image of a sample housing is shown in FIG. 3.
Корпус полупроводникового прибора представляет собой сложную фигуру призматической формы, в основании которой находится прямоугольный параллелепипед с усеченными углами и двумя технологическими торцевыми выемками на меньших сторонах основания, предназначенных для крепления. На основании расположены стенки корпуса П-образной формы. На основании (теплоотводе) в дальнейшем располагается подложка кристалла, при этом подложка выполнена из карбида кремния. Функционально корпус предназначен повышения эффективности отвода тепловой мощности от кристалла, уменьшения теплового сопротивления элементов полупроводниковых прибора, а также для обеспечения защиты элементов прибора от механических динамических воздействий. Теплофизические характеристики, позволяющие интенсифицировать теплоотвод достигаются за счет следующего: в качестве материала для изготовления корпуса используется композитный материал, в состав которого входит металл и карбид кремния, в частности, в качестве металла может быть использован алюминий. При этом основным условием является соотношение в смеси концентрации алюминия в пропорциях от 15% до 60% по отношению к общей массе. При концентрации алюминия менее 15% уменьшается прочность теплоотвода, а при концентрации алюминия более 60% недопустимо увеличивается КТР теплоотвода. Корпус полупроводникового прибора изготавливается методом инфильтрации расплава металла под давлением в пресс-форму из порошка карбида кремния, состоящего из частиц двух типов:The case of a semiconductor device is a complex prismatic shape, at the base of which is a rectangular parallelepiped with truncated corners and two technological end recesses on the smaller sides of the base, intended for mounting. On the base are the walls of the U-shaped case. On the base (heat sink), a crystal substrate is located in the future, while the substrate is made of silicon carbide. Functionally, the case is designed to increase the efficiency of removal of thermal power from the crystal, reduce the thermal resistance of the elements of a semiconductor device, and also to protect the elements of the device from mechanical dynamic influences. Thermophysical characteristics that allow intensifying the heat sink are achieved due to the following: as a material for the manufacture of the case, a composite material is used, which includes metal and silicon carbide, in particular, aluminum can be used as a metal. In this case, the main condition is the ratio in the mixture of aluminum concentration in proportions from 15% to 60% with respect to the total weight. When the aluminum concentration is less than 15%, the heat sink strength decreases, and when the aluminum concentration is more than 60%, the thermal expansion coefficient of the heat sink is unacceptably increased. The case of a semiconductor device is made by infiltration of a molten metal under pressure into a mold from silicon carbide powder, consisting of two types of particles:
1) размером от 70 до 200 мкм;1) size from 70 to 200 microns;
2) размером от 20 до 40 мкм.2) in size from 20 to 40 microns.
Объем частиц карбида кремния в свою очередь, с учетом концентрации частиц различных размеров представляет собой состав, где частицы представлены в отношении 3:1 (где 3 части частиц размером от 70 до 200 мкм и 1 часть частиц размером от 20 до 40). Во время инфильтрации под давлением такое соотношение частиц двух разных типоразмеров позволяет получить плоскостность поверхности, необходимую для монтажа кристалла транзистора. Далее, после остывания, получившийся образец в виде параллелепипеда подвергают повторному воздействию давлением от 500 до 1000 Н/смI, с нанесением на поверхность образца слоя керосина, что позволяет в тангенциальном направлении получить уменьшение участков с частицами карбида кремния на поверхности образца для более качественного нанесения металлизации. После этого образец помещается в вакуум (не менее мм рт.ст) для удаления керосина. Далее образец фрезеруют до получения необходимой формы изделия. The volume of particles of silicon carbide, in turn, taking into account the concentration of particles of various sizes, is a composition where the particles are presented in a ratio of 3: 1 (where 3 parts of particles are from 70 to 200 μm in size and 1 part of particles are from 20 to 40). During pressure infiltration, this ratio of particles of two different sizes allows you to get the flatness of the surface necessary for mounting the transistor crystal. Further, after cooling, the resulting parallelepiped-shaped sample is subjected to repeated pressure from 500 to 1000 N / cmI with a layer of kerosene applied to the surface of the sample, which allows tangentially reducing areas with silicon carbide particles on the surface of the sample for better metallization . After this, the sample is placed in a vacuum (not less than mmHg) to remove kerosene. Next, the sample is milled to obtain the desired shape of the product.
Для улучшения адгезии и паяемости заявляемый корпус подвергается металлизации. Технический результат в части металлизации металломатричного композита, которая позволяет избежать растрава поверхности и получить равномерную смачиваемость поверхности корпуса, а также прочного спая в местах монтажа кристалла на поверхности корпуса достигается за счет применения следующих стадий: обезжиривания, первой промывки, травления, второй промывки, химического осаждения никеля (толщиной не менее 6 мкм) третьей промывки, сушки, вжигания в вакууме при температуре 400 °C в течении 10 минут, гальванического осаждения никеля из стандартного электролита никелирования.To improve adhesion and solderability, the inventive body is metallized. The technical result in terms of metallization of the metal matrix composite, which allows to avoid rasterization of the surface and to obtain uniform wettability of the surface of the housing, as well as durable junction in the places of mounting the crystal on the surface of the housing is achieved through the use of the following stages: degreasing, first washing, etching, second washing, chemical deposition nickel (not less than 6 microns thick) of the third washing, drying, annealing in vacuum at a temperature of 400 ° C for 10 minutes, galvanic deposition of nickel from a standard nickel electrolyte.
При работе полупроводникового прибора в импульсном режиме происходит циклическое изменение температуры подложки кристалла и теплоотвода, что увеличивает риск деформации и выхода из строя полупроводникового прибора. При использовании корпуса с теплоотводом из композитного материала значения деформации подложки кристалла и теплоотвода примерно одинаковы и незначительны. Заявленный технический результат подтверждается экспериментально и с помощью компьютерного моделирования. When the semiconductor device operates in a pulsed mode, a cyclic change in the temperature of the crystal substrate and heat sink occurs, which increases the risk of deformation and failure of the semiconductor device. When using a housing with a heat sink made of composite material, the deformation values of the crystal substrate and heat sink are approximately the same and insignificant. The claimed technical result is confirmed experimentally and using computer simulation.
Раствор для химического никелирования используется в соответствии с ОСТ 11 9.9901-85. Процесс обезжиривания проводился в хлорированных углеводородах (трихлорэтилен и четыреххлористый углерод) для уменьшения растрава поверхности, что характерно для обезжиривания в щелочных растворах. Химическое осаждение никеля проводится при температуре от 85°C.A solution for chemical nickel plating is used in accordance with OST 11 9.9901-85. The degreasing process was carried out in chlorinated hydrocarbons (trichlorethylene and carbon tetrachloride) to reduce the surface raster, which is typical for degreasing in alkaline solutions. Chemical precipitation of nickel is carried out at a temperature of 85 ° C.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019128890A RU2724289C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Housing of semiconductor device from metal matrix composite and method of its manufacturing |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019128890A RU2724289C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Housing of semiconductor device from metal matrix composite and method of its manufacturing |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2724289C1 true RU2724289C1 (en) | 2020-06-22 |
Family
ID=71135813
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019128890A RU2724289C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Housing of semiconductor device from metal matrix composite and method of its manufacturing |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2724289C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2792669C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-03-22 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И.Шокина" | Method for chemical nickel plating of the surface of a metal-matrix composite material aluminum-silicon carbide |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1403922A2 (en) * | 2002-09-27 | 2004-03-31 | Dowa Mining Co., Ltd. | Combined member of aluminum-ceramics |
US20060046035A1 (en) * | 2004-09-01 | 2006-03-02 | Katsufumi Tanaka | Method of producing base plate circuit board, base plate for circuit board, and circuit board using the base plate |
RU2356968C1 (en) * | 2007-10-18 | 2009-05-27 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН | Method of receiving of cast high-reinforced alumo-matrix composite material |
RU2493965C2 (en) * | 2011-12-29 | 2013-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | METHOD OF PRODUCING HIGHLY-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL Al-SiC AND ARTICLE BASED THEREON |
RU2544319C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of chemical nickelising and solution for its realisation |
-
2019
- 2019-09-13 RU RU2019128890A patent/RU2724289C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1403922A2 (en) * | 2002-09-27 | 2004-03-31 | Dowa Mining Co., Ltd. | Combined member of aluminum-ceramics |
US20060046035A1 (en) * | 2004-09-01 | 2006-03-02 | Katsufumi Tanaka | Method of producing base plate circuit board, base plate for circuit board, and circuit board using the base plate |
RU2356968C1 (en) * | 2007-10-18 | 2009-05-27 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН | Method of receiving of cast high-reinforced alumo-matrix composite material |
RU2493965C2 (en) * | 2011-12-29 | 2013-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | METHOD OF PRODUCING HIGHLY-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL Al-SiC AND ARTICLE BASED THEREON |
RU2544319C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of chemical nickelising and solution for its realisation |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ю2009. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2792669C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-03-22 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И.Шокина" | Method for chemical nickel plating of the surface of a metal-matrix composite material aluminum-silicon carbide |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3136431B1 (en) | Substrate for power modules, substrate with heat sink for power modules and power module with heat sink | |
TWI713746B (en) | Power module substrate | |
JP2003163315A (en) | Module | |
WO2013008920A1 (en) | Ceramic circuit board | |
TWI661516B (en) | Bonded body, power module substrate with heat sink, heat sink, method of producing bonded body, method of producing power module substrate with heat sink and method of producing heat sink | |
CN112839799B (en) | Carbonaceous member with metal layer and heat conductive plate | |
JP2011023475A (en) | Insulating substrate, insulating circuit board, semiconductor device, method of manufacturing the insulating substrate, and method of manufacturing the insulating circuit board | |
WO2016017679A1 (en) | Ceramic circuit board and method for producing same | |
WO2009119438A1 (en) | Insulating substrate and method for producing the same | |
JP2004022973A (en) | Ceramic circuit board and semiconductor module | |
JP2016167474A (en) | Heat dissipation substrate, semiconductor package using the same, and semiconductor module | |
RU2724289C1 (en) | Housing of semiconductor device from metal matrix composite and method of its manufacturing | |
JP2005026252A (en) | Ceramic circuit board, heat radiating module, and semiconductor device | |
KR101473708B1 (en) | Method of manufacturing heat sink plate having excellent thermal conductivity in thickness direction and heat sink plate manufactured by the same | |
JP5966504B2 (en) | Solder joint structure, power module, power module substrate with heat sink, solder joint structure manufacturing method, power module manufacturing method, heat sink power module substrate manufacturing method | |
JP6182903B2 (en) | Manufacturing method of ceramic circuit board | |
JP3308883B2 (en) | Board | |
JP2004160549A (en) | Ceramic-metal complex and high heat-conductive substrate for heat radiation using the same | |
JP3913130B2 (en) | Aluminum-silicon carbide plate composite | |
JP6317178B2 (en) | Circuit board and electronic device | |
JP7298988B2 (en) | Ceramic circuit board and its manufacturing method | |
JP2000101203A (en) | Ceramics circuit substrate and power module using the same | |
JP5614127B2 (en) | Power module substrate and manufacturing method thereof | |
JP3419642B2 (en) | Power module | |
JP2012204357A (en) | Circuit board manufacturing method, and circuit board |