RU2806062C2 - Теплоотводящий элемент и способ его изготовления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройству для отвода тепла в виде теплоотводящего элемента и к способу изготовления такого устройства, и предназначено преимущественно для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении полупроводниковых приборов и электронных систем. Технический результат: снижение теплового сопротивления, массы и объема теплоотводящего элемента, повышение кондуктивной теплопроводности и эффективности отвода тепла от тепловыделяющего активного элемента к теплосъемнику. Сущность: теплоотводящий элемент содержит пластину на основе керамики из нитрида алюминия со слоем на основе карбида кремния. Слой на основе карбида кремния состоит из осажденного на поверхности керамики из нитрида алюминия слоя вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием, с нанесенными на поверхность слоями металлов. Способ изготовления теплоотводящего элемента заключается в том, что на поверхности пластины на основе керамики из нитрида алюминия осаждают слой вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитывают его кремнием с образованием карбида кремния, шлифуют, полируют и наносят на эти поверхности слои металлов. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройству для отвода тепла в виде теплоотводящего элемента и к способу изготовления такого устройства и предназначено, преимущественно, для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении мощных полупроводниковых приборов и светодиодов, гибридных интегральных схем, силовых модулей, и электронных систем.

Электронные и электрические устройства являются источниками мощности и тепла. Для обеспечения надежной работы таких устройств необходимо поддерживать устойчивые рабочие условия и температуру. Это обеспечивается за счет использования устройств отвода тепла, на которых расположены источники тепла.

Одним из важнейших моментов при проектировании и изготовлении мощных приборов является создание конструкции, обеспечивающей наилучший отвод тепла от наиболее нагреваемой части прибора. Как правило, это р-n переходы, расположенные в объеме активных элементов, в виде, например, мощных кристаллов силовых модулей, сверхярких светодиодов и биполярных СВЧ-транзисторов.

Широко известны полупроводниковые приборы, в которых активный кристалл монтируется (напаивается) своей обратной стороной на теплоотвод (металлизированную керамику с высокой теплопроводностью или металл), а на лицевой стороне располагается тонкопленочная металлическая разводка контактов, к которым впоследствии с применением микросварки приваривают проволочные соединения с соответствующими электродами корпуса прибора [1. "Кремниевые планарные транзисторы" В.Г. Колесников, В.Н. Никишин, В.И. Сыноров и др.; под ред. Я.А.Федотова. - М: Сов. Радио, 1973 г.]. Отвод тепла от наиболее нагретой приповерхностной части кристалла при этом осуществляется через всю толщу кристалла к нижнему теплоотводу корпуса.

Для оптимальной эффективности необходимо, чтобы теплоотводы имели максимально возможную теплопроводность, хороший тепловой контакт, как с источником тепла, так и с его приемником в виде корпусов и радиаторов. Для достижения этих целей в устройствах используются материалы с высокой теплопроводностью. Примеры таких устройств описаны в ЕР 0147014, ЕР 0428458, ЕР 0231823, US 5296310 и US 4791248. Однако перечисленные устройства обеспечивают лишь ограниченные рабочие характеристики при значительной потере теплопроводности до 40% и увеличении массы и размеров.

Известны теплоотводящие элементы, выполненные из керамики на основе нитрида алюминия [патент US 5320990, С04В 35/581, опубл. 1994 и патент РФ 2204182, Подложка схемы (варианты) и способ ее изготовления, кл. H01L 25/00, заявл. 26.05.2000, опубл. 10.05.2003].

Коэффициент теплопроводности керамики на основе нитрида алюминия составляет 130-240 Вт/м⋅K.

Прототипом предлагаемого изобретения является теплоотводящий элемент, описанный в патенте RU 2411609, МПК H01L 23/373, заявл. 08.09.2009, опубл. 10.02.2011. Этот теплоотводящий элемент состоит из пластины, выполненной на основе карбида кремния, и пластины, выполненной на основе нитрид-алюминиевой керамики, соединенных между собой эвтектической пайкой металлами. Предварительно одну из поверхностей каждой пластины последовательно металлизируют слоем металла, обладающего адгезией с материалом пластин, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама, а затем прижимают пластины металлизированными поверхностями друг к другу и спекают при температуре 200-700°С в среде азота. Кроме того, на одну из поверхностей теплоотводящего элемента наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза, после чего на слой поликристаллического алмаза и на непокрытую поверхность другой пластины наносят слой металла, обладающего адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием или с материалом пластины, соответственно, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама. На слои металлов, обладающих адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием и с материалом пластины, соответственно, последовательно наносят слой никеля или платины и слой металла или сплава, обеспечивающего надежный тепловой контакт к теплосъемнику и высокую кондуктивную теплопроводность, например, алюминия, серебра, золота или их сплавов.

Однако у известного теплоотводящего элемента имеется ряд недостатков. Сложная, громоздкая и объемная конструкция устройства с высоким тепловым сопротивлением, большой массой, с высокой трудоемкостью изготовления и стоимостью. Достаточно сложная технология изготовления. Сначала изготавливают пластину из пористого карбида кремния способом, описанным в патенте РФ 2173307, подготавливают пористую карбидокремниевую заготовку, которую пропитывают расплавом алюминия, затем разрезают, шлифуют, полируют и изготавливают пластину толщиной 200-1000 мкм. Затем изготавливают пластину из керамики на основе нитрида алюминия. Далее на одну из поверхностей каждой пластины последовательно наносят слои адгезионного и дополнительного металлов. После этого пластины прижимают друг к другу металлизированными поверхностями и спекают при температуре 200-700°С в среде азота. В результате этого происходит процесс эвтектической пайки пластин с помощью нанесенных на них металлов. При необходимости, если изолирующие свойства у теплоотводящего элемента недостаточны, то на одну из его поверхностей, например, на пластину из карбида кремния наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза толщиной 1 мкм, на который и на непокрытую поверхность другой пластины последовательно наносят слои адгезионного и дополнительного металлов. Затем проводится операция «вжигание» металлизации в среде азота при температуре 200-700°С.

Использование пористого карбида кремния, пропитанного алюминием или магнием, не приводит к повышению теплопроводности, т.к. карбид кремния имеет значение коэффициента теплопроводности всего лишь 120-150 Вт/м⋅К. Пропитка металлами превращает пластину карбидной керамики из диэлектрического материала в электропроводящий, что приводит к замыканию элементов топологического рисунка, сформированного на поверхности этой пластины, между собой. Шлифовка и полировка пластины толщиной 200-1000 мкм с пропиткой затруднительна и приводит к увеличению расходов на использование шлифовальных кругом с алмазным порошком из-за явления «засаливания» обрабатывающей поверхности кругов мягкими пропитывающими металлами магнием и алюминием. Нанесение металлизационных слоев и их припекание или вжигание в среде азота при температуре 200-700°С приводит к расплавлению металлов пропитки и образованию хрупких интерметаллидов и к снижению в этой связи адгезии металлических пленок к пластине. В связи с тем, что карбид кремния не является диэлектриком, то на пластину из карбида кремния наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза толщиной 1 мкм, на который наносят слои адгезионного дополнительного металла. Последующее «вжигание» металлизации в среде азота при температуре 200-700°С так же приводит к расплавлению металлов пропитки и образованию хрупких интерметаллидов и к снижению в этой связи адгезии металлических пленок к пластине. Кроме того, нанесение слоя поликристаллического алмаза толщиной 1 мкм не приводит к повышению теплопроводности из-за малой его толщины, а решает задачу лишь изоляции от электропроводящего пропитанного металлом пористого карбида кремния. К тому же сама операция осаждения слоя алмаза является весьма энергоемкой и трудозатратной и имеет длительный цикл ее выполнения, что приводит к повышению стоимости теплоотводящего элемента.

Известен способ изготовления устройства отвода тепла [Патент РФ №2256307, МПК Н05К 7/20, G06F 1/20, H01L 23/373, заявл. 08.07.1999, опубл. 20.11.2004], согласно которому его изготавливают в виде пластины из анизотропного углерода, заключенного в герметизирующий изоляционный материал, нанесенный непосредственно на анизотропный углерод, причем анизотропный углерод является пирографитом, который имеет теплопроводность в одной плоскости в пределах от 1550 до 1850 Вт/м⋅K, а в другой - от 300 до 420 Вт/м⋅K. Способ включает в себя стадии очистки поверхности анизотропного углерода, нанесения покрытия из герметизирующего изоляционного материала непосредственно на очищенную поверхность. Стадия нанесения покрытия из герметизирующего материала содержит нанесение нескольких слоев до достижения желаемой толщины покрытия. Для образования электрических контактов на поверхности анизотропного углерода с герметизирующим изоляционным материалом наносят покрытия из металлов для размещения электрических устройств. Недостатком теплоотводящего устройства является низкая механическая прочность анизотропного углерода, сложность механической обработки тонких пластин из него. Нанесенные органические покрытия ограничивают способы металлизации конструкции из-за невозможности нагрева выше 300°С.

Разновидностью графита являются углеродные нанотрубки, которые представляют собой протяженные структуры, состоящие из свернутых в однослойную (ОСНТ) или многослойную (МСНТ) трубку графитовых слоев. Наименьший диаметр нанотрубки - 0.714 нм, что является диаметром молекулы фуллерена С₆₀. Расстояние между слоями практически всегда составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в графите. Длина таких образований достигает десятков микрон и на несколько порядков превышает их диаметр. Основные свойства нанотрубок: малые размеры, электропроводность, механическая прочность, химическая стабильность и очень высокая теплопроводность, достигающая до 6000 Вт/м⋅K, в то время как теплопроводность чистого алмаза составляет 3320 Вт/м⋅K. Образование нанотрубками, многократно скрученных между собой случайным образом ориентированных спиралевидных структур, приводит к возникновению внутри материала нанотрубок значительного количества полостей нанометрового размера, доступных для проникновения извне жидкостей или газов. В результате удельная поверхность материала, составленного из нанотрубок (в случае однослойной нанотрубки) составляет около 600 м²/г. Столь высокое значение удельной поверхности нанотрубок позволяет использовать их в качестве пористого материала. Нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества, что открывает перспективу пропитки таких трубок металлами и неорганическими материалами. Очень высокая теплопроводность в сочетании с возможностью пропитки нанотрубок позволяет рассматривать углеродные нанотрубки в качестве основы для создания теплоотводящих элементов для микроэлектроники.

Известен способ получения гибрида графена и углеродных нанотрубок [патент РФ 2548989, заявл. 06.06.2013, опубл. 20.04.2015], в котором на изолирующую подложку осаждают пленку алюминия толщиной 1-100 нм, напыляют на нее пленку переходного металла, например, Fe, Со или Ni, толщиной 0,1-10 нм, отжигают на воздухе при температуре 200-950°С в течение 0,1-10 мин, нагревают до температуры 700-1000°С в реакторе, откачанном до давления 10-4-10-10 Торр. Затем производят последовательно напуск углеродсодержащего газа до давления 1-10-4 Торр и откачивание реактора через 1-30 секунд с одновременным охлаждением его до комнатной температуры со скоростью 1-100°С/мин. Изобретение позволяет получать пленки гибрида графена и углеродных нанотрубок заданной конфигурации в заранее определенных местах простым и технологичным способом. Однако для изготовления из полученного гибрида приборных структур определенной конфигурации необходимо выполнить напыления пленки алюминия, затем пленки переходного металла, провести их отжиг на воздухе и только потом на непроводящей подложке в реакторе получать пленки гибрида графена и углеродных нанотрубок заданной конфигурации, что значительно усложняет технологию изготовления приборов.

Известен проницаемый ячеистый материал на основе карбида кремния [патент РФ 2031887, МПК С04В 35/56, заявл. 22.06.1992, опубл. 27.03.1995], который состоит из керамического каркаса с упрочняющими включениями и характеризуется открытой пористостью, составляющей 80-97%. Керамический каркас состоит из карбида кремния и в качестве упрочняющих включений содержит кремний, который заполняет микропоры каркаса, при следующем соотношении компонентов, масс. %: карбид кремния 55-68; кремний 32-45. Заполнение микропор каркаса кремнием приводит к дополнительному упрочнению материала. Хорошая смачиваемость карбида кремния как жидким, так и газообразным кремнием, а также развитая поверхность проницаемого ячеистого материала обеспечивает полное заполнение кремнием всех микропор, присутствующих в карбидокремниевом каркасе.

Наличие карбидокремниевого компонента, образующего жесткий непрерывный каркас, способствует значительному упрочнению материала. Предлагаемый материал обладает более высокой прочностью, однако карбидокремниевый каркас помимо открытой пористости обладает закрытой микропористостью, образованной в процессе синтеза карбида кремния. Образование дополнительной микропористости, присутствующей в керамическом каркасе, ухудшает прочностные характеристики известного материала.

Известен способ получения материала из карбида кремния [патент РФ 2031887, МПК С04В 35/56, заявл. 22.06.1992, опубл. 27.03.1995], который включает жидкофазное силицирование углеволокнистой заготовки спрессованной всухую до плотностей 850-1050 кг/м³ при температуре, превышающей, как максимальную температуру предыдущей термообработки углеволокнистого материала, так и температуру плавления кремния. Полученный материал имеет модуль упругости 200-360 МПа. Изобретением решается задача получения при силицировании материала с высоким (не менее 75 об.) содержанием карбида кремния за счет изготовления бескоксового углеволокнистого полуфабриката, обладающего достаточной технологической прочностью, позволяющей произвести с заготовкой последующие технологические операции, включая жидкофазное силицирование.

Сущность способа состоит в том, что набор слоев углеволокнита прессуется в сухую до кажущейся плотности 850-1050 кг/м³. Для сохранения этой плотности после прессования и придания получаемому полуфабрикату технологической прочности материал прессуют при температурах, превышающих максимальную температуру предыдущей термообработки волокнита и не ниже температуры плавления кремния (≈1415°С). После этого заготовку силицируют одним из известных способов. Заготовка в вакууме или в инертной среде пропитывается жидким кремнием (силицируется) по одной из принятых схем (в кремниевой засыпке, в кремнийсодержащей обмазке, дождеванием из тиглей с расплавом кремния и т.п.). В результате взаимодействия жидкого кремния с углеродом образуется карбид кремния. Карбидизация полуфабрикатов осуществлялась в электрических вакуумных печах методом силицирования в кремниевой засыпке. При этом использовались режимы: с выпариванием избыточного кремния и полным заполнением пористости избыточным кремнием соответственно.

Недостатком материала, получаемого описанным выше способом, ограничивающей область его применения, является значительное (не менее 40 об.) содержание остаточного углерода. Это приводит, во-первых, к снижению модуля упругости до величин не более 200 ГПа, что недостаточно при создании особо жестких конструкций. Во-вторых, наличие значительного количества остаточного углерода снижает окислительную стойкость материала при высоких температурах (800-1600°С) в газовых средах, содержащих кислород. В этих условиях в результате выгорания углерода материал разупрочняется и детали быстро выходят из строя.

Прототипом предлагаемого изобретения на способ является способ, описанный в патенте RU 2411609, МПК H01L 23/373, заявл. 08.09.2009, опубл. 10.02.2011, согласно которому пластину из карбида кремния и пластину, выполненную на основе нитрид-алюминиевой керамики, соединяют между собой эвтектической пайкой металлами. Предварительно одну из поверхностей каждой пластины последовательно металлизируют слоем металла, обладающего адгезией с материалом пластин, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама, а затем прижимают пластины металлизированными поверхностями друг к другу и спекают при температуре 200-700°С в среде азота. Кроме того, на одну из поверхностей теплоотводящего элемента наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза, после чего на слой поликристаллического алмаза и на непокрытую поверхность другой пластины наносят слой металла, обладающего адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием или с материалом пластины, соответственно, например, хрома, молибдена, титана или вольфрама. На слои металлов, обладающих адгезией с поликристаллическим алмазным покрытием и с материалом пластины, соответственно, последовательно наносят слой никеля или платины и слой металла или сплава, обеспечивающего надежный тепловой контакт к теплосъемнику и высокую кондуктивную теплопроводность, например, алюминия, серебра, золота или их сплавов.

Недостатком известного способа является достаточно сложная технология изготовления. Сначала изготавливают пластину из пористого карбида кремния способом, описанным в патенте РФ 2173307, подготавливают пористую карбидокремниевую заготовку, которую пропитывают расплавом алюминия, затем разрезают, шлифуют, полируют и изготавливают пластину толщиной 200-1000 мкм. Затем, изготавливают пластину из керамики на основе нитрида алюминия. Далее на одну из поверхностей каждой пластины последовательно наносят слои адгезионного и дополнительного металлов. После этого пластины прижимают друг к другу металлизированными поверхностями и спекают при температуре 200-700°С в среде азота. В результате этого происходит процесс эвтектической пайки пластин с помощью нанесенных на них металлов. При необходимости, если изолирующие свойства у теплоотводящего элемента недостаточны, то на одну из его поверхностей, например, на пластину из карбида кремния наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза толщиной 1 мкм, на который и на непокрытую поверхность другой пластины последовательно наносят слои адгезионного и дополнительного металлов. Затем проводится операция «вжигание» металлизации в среде азота при температуре 200-700°С.

Задачей изобретения является снижение теплового сопротивления, массы и объема теплоотводящего элемента, повышение адгезии металлизационных слоев, кондуктивной теплопроводности и эффективности отвода тепла от тепловыделяющего активного элемента к теплосъемнику и в целом упрощение конструкции и технологии изготовления теплоотводящего элемента.

Другой задачей изобретения является повышение уровня тепловых характеристик пластины из карбида кремния с высоким содержанием многослойных углеродных нанотрубок (УНТ) без удлинения цикла изготовления теплоотводящего элемента.

Технический результат достигается за счет того, что в теплоотводящем элементе, содержащем пластину на основе керамики из нитрида алюминия со слоем на основе карбида кремния, слой на основе карбида кремния состоит из осажденного на поверхности керамики из нитрида алюминия слоя вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием, с нанесенными на поверхность слоями металлов.

Технический результат достигается также за счет того, что в способе изготовления теплоотводящего элемента, заключающемся в подготовке пластины, выполненной на основе керамики из нитрида алюминия, на поверхности пластины на основе керамики из нитрида алюминия осаждают слой вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитывают его кремнием с образованием карбида кремния, шлифуют, полируют и наносят на эти поверхности слои металлов.

Применение способа изготовления теплоотводящего элемента, в котором при подготовке пластины, выполненной на основе керамики из нитрида алюминия, на поверхности пластины на основе керамики из нитрида алюминия осаждают слой вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитывают его кремнием с образованием карбида кремния, который затем шлифуют, полируют и наносят на эти поверхности слои металлов, позволяет решить поставленные задачи с получением требуемого технического результата - снижение теплового сопротивления, массы и объема теплоотводящего элемента, повышение адгезии металлизационных слоев, кондуктивной теплопроводности и эффективности отвода тепла от тепловыделяющего активного элемента к теплосъемнику и в целом упрощение конструкции и технологии изготовления теплоотводящего элемента.

Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. При разработке нового способа изготовления теплоотводящего элемента из 2 пластин разных материалов на основе нитрида алюминия и карбида кремния были изобретены новые конструкция и способ регулируемого введения кремния в поры массива УНТ, специально нанесенных для осуществления этого способа, в результате взаимодействия жидкого кремния с углеродом УНТ на поверхностях последних образуется карбид кремния.

Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию единства изобретения.

Заявленные изобретения иллюстрируются чертежами.

На фиг. 1 изображена пластина на основе керамики из нитрида алюминия.

На фиг. 2 изображена пластина на основе керамики из нитрида алюминия, на которую нанесен слой прекурсора со сформировавшимися каталическими центрами.

На фиг. 3 показан вид пластины на основе керамики из нитрида алюминия со слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок до обработки лазерным излучением.

На фиг. 4 изображена схема обработки пластины на основе керамики из нитрида алюминия со слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок лазерным излучением.

На фиг. 5 представлен вид пластины на основе керамики из нитрида алюминия со слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок после обработки лазерным излучением.

На фиг. 6 представлен вид пластины на основе керамики из нитрида алюминия со слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием.

На фиг. 7 показан вид пластины на основе керамики из нитрида алюминия со слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием, с нанесенными на поверхность слоями металлов.

На фиг. 8 показан вид пластины на основе керамики из нитрида алюминия со слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием, с нанесенными на поверхность слоями металлов, на которых установлены кристаллы мощных транзисторов.

Конструкция теплоотводящего элемента состоит из отшлифованной (полированной) пластины 1 из керамики на основе нитрида алюминия (фиг. 1), на которую нанесен слой прекурсора 2 со сформировавшимися каталическими центрами (фиг. 2), из которых выращен массив 3 вертикально ориентированных УНТ (фиг. 3). После обработки пластины 1 из керамики на основе нитрида алюминия с нанесенным массивом вертикально ориентированных УНТ 3 лазерным излучением по специальной программе (фиг. 4), с целью получения пробельных мест топологического рисунка схемы (фиг. 5) часть массива вертикально ориентированных УНТ удалена за счет сгорания на воздухе при воздействии на него луча лазера. В процессе пропитки расплавленным кремнием внутренние полости массива вертикально ориентированных УНТ 3 и участки с удаленными УНТ (пробельные места) заполняются кремнием 4 (фиг. 6). После пропитки расплавленным кремнием 4 на участки с неудаленными УНТ для получения топологического рисунка схемы нанесен слои металлов 6 (фиг. 7). После травления слоев металлов и получения топологического рисунка на участки пластины 1 из керамики на основе нитрида алюминия с массивом вертикально ориентированных УНТ 3, пропитанным кремнием 4, и с нанесенными слоями металлов 5, установлены кристаллы мощных транзисторов 6 (фиг. 8).

Пример выполнения изобретения

Теплоотводящий элемент изготавливают следующим способом. Пластину из керамики на основе нитрида алюминия (AlN) в виде диска (рис. 2а) диаметром 17,7 мм и толщиной 2,0 мм перед нанесением вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ) шлифовали и обеспечивали шероховатость поверхности с размером микронеровностей 0,63 мкм, а затем она очищалась от загрязнений. Очистка проводилась в 3 цикла в деионизированной воде в УЗ-ванне при температуре 50°С. Затем на пластину из керамики на основе нитрида алюминия наносился слой прекурсора 2 со сформировавшимися каталическими центрами (фиг. 2) и изготавливался структурированный массив вертикально ориентированных УНТ методом CVD - синтеза при термическом разложении углеводородов.

Теплопроводные характеристики слоя из вертикально ориентированных нанотрубок определяются структурой массивов УНТ. Так как длина нанотрубки влияет на тепловое сопротивление, то высота массива вертикально ориентированных УНТ является важным параметром. Поэтому необходимо точно контролировать как основные параметры синтеза, влияющие на высоту массива (температура синтеза, скорость подачи газа носителя и время синтеза), так и осуществлять визуальный контроль процесса роста УНТ. При изготовлении массива вертикально ориентированных УНТ использовался CVD - реактор, для которого были определены условия синтеза массивов вертикально ориентированных УНТ на пластинах из керамики на основе нитрида алюминия из паров 2, 5, и 10 масс. % раствора ферроцена в толуоле. При использовании алюмонитридных пластин в толуол добавляли ферроцен (2, 5, 10 масс. %), который являлся прекурсором катализатора роста УНТ. Скорость подачи прекурсора в реактор составляла - 0,1 мл/мин. В ходе работы были уточнены следующие параметры: температура синтеза - 800°С; скорость потока газа носителя - 200 мл/мин, время синтеза - 1 час. После проведения часового CVD-синтеза высота массива УНТ составляла порядка 500 мкм. УНТ в полученном массиве равномерно распределены по поверхности алюмонитридной пластины, что подтверждает одинаковую скорость роста УНТ на всей его поверхности. Полученный массив УНТ состоял из многослойных УНТ плотность трубок в массиве со средним диаметром 30-60 нм (выборка и подсчет диаметра проводился на более чем 10 микрофотографиям, включающих более 100 нанотрубок) и расстояниями между трубками в виде образовавшихся пор размером 3-5 нм. В связи с тем, что УНТ являются проводниками, то для обеспечения электрической изоляции элементов друг от друга при формировании топологического рисунка проводилась обработка поверхности массива УНТ с помощью излучения ИК-лазера. Обработка образцов массивов на алюмонитридных пластинах с вертикально ориентированными УНТ осуществлялась лазерным излучением на установке лазерного профилирования. Основываясь на измеренном спектре поглощения массива УНТ, была выбрана длина волны лазера ~10 мкм. При проходе лазера по поверхности массива с мощностью несколько десятков ватт луч выжигал часть углеродного материала. Скорость прохождения луча составляла 17 мм/с. На образец наносили рисунок в соответствии с электрической схемой монтажа и присоединения выводов на теплоотводящем элементе к кристаллу транзистора. В результате массив УНТ приобретал четко структурированный узор в виде топологического рисунка.

После лазерной обработки для пропитки жидким кремнием (силицирования) участков из вертикально-ориентированных УНТ сверху на них размещали пластины из монокристаллического кремния марки КЭФ. В результате взаимодействия жидкого кремния с углеродом УНТ образуется карбид кремния. Карбидизация участков осуществлялась в электрической вакуумной печи методом силицирования в режиме полного заполнения пор избыточным кремнием (Si). В соответствии с этим режимом проводили силицирование участков УНТ при температуре 1500-1650°С в течение 15 мин. В ходе данной процедуры протекает реакция силицирования, в результате чего поверхность вертикально-ориентированных УНТ насыщается кремнием с формированием кремнийсодержащей фазы из карбида кремния (SiC), количественное соотношение между которой с кремнием определяется продолжительностью термической обработки.

Силицирование вертикально-ориентированных УНТ проводили в вакуумной печи с использованием монокристаллического кремния в качестве реакционного источника. Пластину из нитрида алюминия с участками УНТ с размещенными сверху на них образцами монокристаллического кремния устанавливают в специальную оправку и помещают в реактор, расположенный в рабочей зоне вакуумной печи и представляющий собой молибденовую трубу с глухим концом и с молибденовыми нагревателями, смонтированными на внутренней поверхности трубы. Термическую обработку проводят при 1500-1600°С и остаточном давлении в вакуумной камере 10^-3-10^-1 Па в течение 15 мин с последующим охлаждением печи до комнатной температуры. По данным рентгенофлуоресцентного анализа атомное отношение кремния к углероду в продукте силицирования составляет 0,053. Рентгенофазовый анализ продуктов силицирования обнаруживает присутствие SiC в количестве 93 об. %, a Si в количестве 7 об. %.

После силицирования поверхность диска из нитрида алюминия, пропитанная кремнием, шлифовалась и полировалась до уровня шероховатости 0,02 мкм, очищалась от загрязнений в перекисно-аммиачном растворе и на эту подготовленную поверхность напылялись на установке магнетронного напыления «Оратория-5» последовательно адгезионный подслой хрома толщиной 0,3-0,5 мкм и слой меди толщиной 7-8 мкм, которые покрывались гальваническим золотом толщиной 1-3 мкм.

Затем на участки с УНТ монтировались кристаллы мощных транзисторов методом пайки припоем из сплава золото-кремний при температуре 500°С.

Измерения коэффициента теплопроводности методом лазерной вспышки участков с вертикально-ориентированными УНТ, пропитанных кремнием, показали, что значение коэффициента теплопроводности находится в диапазоне 2000-2770 Вт/м⋅K.

Преимуществом заявленной конструкции и способа изготовления теплоотводящего элемента по сравнению с прототипом является:

Проведение силицирования при 1500-1600°С позволяет заполнить большую часть пор в массиве УНТ кремнием и сформировать на их стенках слой карбида кремния (SiC) при минимальном заполнении объема пор свободным кремнием, который удерживается в мелких порах только в силу капиллярного эффекта, и таким образом получить слой вертикально-ориентированных УНТ с низкой пористостью, в котором углеродные нанотрубки сохраняются некарбидизированными и обеспечивают высокую теплопроводность вдоль своей оси.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность обеспечить введение в УНТ сравнительно большого количества Si и при этом перевести большую часть общего кремния в карбид кремния, не допустив карбидизации всего тела многослойных углеродных нанотрубок. Новое свойство позволяет повысить теплопроводность в продольном и поперечных сечениях слоя с УНТ.

Применение данного способа позволяет снизить стоимость изготавливаемых изделий за счет применения более дешевых исходных материалов и сокращения энерго и трудозатрат на проведение операций термохимической обработки.

Согласно способу получения теплоотводящего элемента массив вертикально-ориентированных УНТ подвергается химическому модифицированию путем его обработки расплавленным кремнием Si при температуре выше 1500°С, после чего поверхности полученных силицированных углеродных нанотрубок покрываются карбидом кремния.

Способ позволяет за счет использования для силицирования пластины из монокристаллического кремния марки КЭФ, обладающего высокой плотностью и при этом при сравнительно высокой открытой пористостью участков из вертикально-ориентированных УНТ получить слой с более высоким содержанием внутри УНТ и на их поверхностях большей частью в порах SiC и меньшей частью избыточного Si.

Создание такого технологического процесса обеспечивает получение теплопроводящего слоя с высоким содержанием SiC (>90 вес. %) внутри трубок и на их внешних поверхностях и малым содержанием свободного Si, что позволяет повысить общую теплопроводность участков с УНТ, т.к. теплопроводность SiC в 2 раза выше теплопроводности Si.

Проведение силицирования при 1500-1600°С позволяет вскрыть большую часть закрытых пор углеродного материала и сформировать на их стенках слой SiC при минимальном заполнении объема пор свободным кремнием, который удерживается в мелких порах только в силу капиллярного эффекта, и таким образом получить высоко теплопроводящие участки на поверхности пластины из нитрида алюминия.

Для применения теплоотводящих элементов на основе профилированных массивов УНТ важным является определение влияния размера и высоты УНТ на тепловые характеристики теплоотвода. Размеры УНТ из массивов и расстояние между ними были выбраны исходя из условий обеспечения электрической и тепловой изоляции одиночных участков УНТ. Увеличение расстояния между одиночными участками УНТ, на которых размещаются тепловыделяющие элементы (кристаллы мощных транзисторов) значительно снижает взаимный нагрев соседних участков из трубок, что позволяет использовать такие профилированные теплоотводящие элементы для многокристальных микросборок ГИС. Для получения различных топологических рисунков на теплоотводящих элементах проводилось лазерное профилирование образцов алюмонитридных пластин с исходной высотой УНТ в массивах 500 мкм.

Для профилированного массива УНТ число активных теплопроводных участков значительно увеличилось, и они расположены по всей поверхности подложки в соответствии с топологическим рисунком схемы. Таким образом, профилированный массив вертикально ориентированных УНТ по сравнению со сплошным массивом УНТ позволяет локализовать участки для размещения активных элементов, выделяющих тепло, обеспечить электрическую изоляцию элементов схемы друг от друга, исключить суперпозицию тепловых полей и влияние теплового поля одного активного элемента на тепловое поле и работу другого активного элемента. Данная технология полностью совместима с технологией интегральных схем (ИС) и позволяет создавать ИС в 3D-конфигурации в объеме кремния и на его поверхности с формированием активных и пассивных элементов и топологического рисунка из металлизационных слоев.

Claims (2)

1. Теплоотводящий элемент, содержащий пластину на основе керамики из нитрида алюминия со слоем на основе карбида кремния, отличающийся тем, что слой на основе карбида кремния состоит из осажденного на поверхности керамики из нитрида алюминия слоя вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием, с нанесенными на поверхность слоями металлов.

2. Способ изготовления теплоотводящего элемента, заключающийся в подготовке пластины, выполненной на основе керамики из нитрида алюминия, отличающийся тем, что на поверхности пластины на основе керамики из нитрида алюминия осаждают слой вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, пропитывают его кремнием с образованием карбида кремния, шлифуют, полируют и наносят на эти поверхности слои металлов.

Images