Результат интеллектуальной деятельности: МЕТАЛЛИЗИРОВАННАЯ ПЛАСТИНА АЛМАЗА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для монтажа и одновременно для отвода тепла от активных элементов как отдельных изделий электронной техники, так и радиоэлектронных устройств различного назначения.

В том числе изделий электронной техники СВЧ, и особенно мощных, требующих от элементов для отвода тепла высокой теплопроводности и надежности.

Широко известны меры по отводу тепла от элементов электронной техники, в которых с целью

во-первых, увеличения эффективности отвода тепла, и

во-вторых, значительного снижения массогабаритных характеристик,

используют теплопроводящие пластины, отличающиеся конструкцией и используемыми материалами.

Использование подобных теплопроводящих пластин особенно актуально в связи с возможностью их применения для любых типоразмеров и конфигураций охлаждаемых элементов.

Среди теплопроводящих пластин металлизированные пластины алмаза как из природного, так и искусственного, в том числе поликристаллического алмаза, получаемого осаждением из газовой фазы плазмохимическим методом (CVD-метод) (далее алмаз и далее металлизированная пластина алмаза) являются на сегодня наиболее перспективными.

Поскольку, во-первых, теплопроводность алмаза выше теплопроводности иных известных материалов, во-вторых, сам он является изолятором.

Это сочетание особенно актуально при создании миниатюрных как отдельных электронных изделий, так радиоэлектронных устройств различного назначения, и особенно в монолитном интегральном исполнении.

Для металлизации поверхности пластины алмаза обычно используют хорошо проводящий металл, например, из группы медь, золото, алюминий или систему этих хорошо проводящих металлов (далее металлизационный слой).

Однако непосредственная металлизация поверхности пластины алмаза этими металлами или системой этих металлов практически не представляется возможной из-за слабой их адгезии к поверхности пластины алмаза (далее адгезия металлизационного слоя).

Известно с целью повышения адгезии металлизационного слоя введение в металлизированную пластину алмаза промежуточного слоя между пластиной алмаза и металлизационным слоем.

При этом функция промежуточного слоя состоит в том, что он обеспечивает образование соединения его материала с углеродом приповерхностного слоя пластины алмаза в виде соответствующих карбидов, которые, как известно, отличаются высокой прочностью и тем самым обеспечивают высокую адгезию металлизационного слоя [1].

Известны металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления, в которой промежуточный слой выполнен в виде слоя одного из металлов - титан, ванадий, хром, ниобий и соответствующего слоя его соединения с углеродом пластины алмаза [2].

Данная металлизированная пластина алмаза изготовлена в результате обработки пластины алмаза с нанесенным на нее слоем одного из указанных выше металлов при температуре 500°C и выше в течение 18-48 часов.

Высокая температура и длительное время обработки приводят к образованию соединения металла с углеродом пластины алмаза - карбидов соответствующего металла, которые, как указано выше, отличаются высокой прочностью и в силу этого обеспечивают достаточно высокую адгезию металлизационного слоя.

Но, с другой стороны, высокая температура и длительное время обработки приводят к деградации свойств алмаза пластины, а именно - к графитизации и, как следствие, изменению электрофизических параметров металлизированной пластины алмаза, что недопустимо в случае использования ее в электронной технике, в том числе электронной технике СВЧ.

Кроме того, процесс изготовления - длительный.

Известна металлизированная пластина алмаза, в которой промежуточный слой выполнен из вольфрама и слоя соединения его с углеродом приповерхностного слоя пластины алмаза [3].

Данная металлизированная пластина алмаза изготовлена в результате ее прогрева с нанесенным на нее слоем вольфрама в безкислородной среде при температуре 700-1200°C в течение 5-60 минут.

Данный промежуточный слой в силу вышеуказанного также обеспечивает металлизационному слою высокую адгезию, более 700 кгс/см².

Более того, процесс ее изготовления не является столь длительным, как предыдущий.

Однако еще более высокая температура, используемая при изготовлении, может приводить и к более глубоким процессам деградации свойств алмаза пластины - графитизации, а следовательно, и существенному - значительному изменению основных электрофизических параметров, прежде всего снижению теплопроводности.

Известна металлизированная пластина алмаза, в которой с целью исключения деградации свойств алмаза пластины промежуточный слой выполнен в виде слоя кремния толщиной 0,04-0,1 мкм и слоя соединения кремния с углеродом приповерхностного слоя пластины алмаза с концентрацией кремния в нем 10¹⁹-10²¹ ат/см³ [4 - прототип].

Данный промежуточный слой позволил перейти от контакта металл-алмаз к контакту металл-кремний, который, как правило, реализуется при низкой температуре порядка (150-200)°C, что исключает вероятность деградации свойств алмаза металлизированной пластины - графитизации и, как следствие, высокие электрофизические параметры металлизированной пластины алмаза, прежде всего - высокая теплопроводность.

Более того, в процессе формирования промежуточного слоя, нанесения слоя кремния и последующего его облучения ускоренными ионами на границе кремний-алмаз происходит насыщение приповерхностного слоя алмаза атомами кремния - атомами отдачи.

При этом энергия атомов отдачи трансформируется в тепло - "тепловые пики торможения", в результате локальная температура может достигать тысяч градусов, которая и обеспечивает в этих местах образование химических соединений углерода с кремнием, в том числе и карбидов кремния, последние, как указано выше, обеспечивают высокую адгезию металлизационного слоя порядка 700-800 кгс/см².

Однако при использовании данной металлизированной пластины с достаточно высокими электрофизическими параметрами и, прежде всего высокой теплопроводностью и высокой адгезией металлизационного слоя, в металлизированной пластине алмаза наблюдается эффект отражения тепла на границе раздела алмаз-металлизационный слой.

Это приводит к значительному увеличению теплового сопротивления и, как следствие, неконтролируемое, резкое и значительное ухудшение отвода тепла, в ряде случаев недопустимое, могущее привести к выходу из строя изделий электронной техники.

Техническим результатом изобретения является снижение теплового сопротивления, расширение функциональных возможностей при сохранении высокой адгезии металлизационного слоя и соответственно высокой надежности металлизированной пластины алмаза.

Указанный технический результат достигается металлизированной пластиной алмаза, содержащей, по меньшей мере, на одной из поверхностей пластины алмаза промежуточный слой между пластиной алмаза и металлизационным слоем, выполненный в виде материала промежуточного слоя и слоя его соединения с углеродом приповерхностного слоя пластины алмаза и обеспечивающий адгезию металлизационого слоя.

При этом металлизированная пластина алмаза дополнительно содержит электрически проводящий слой алмаза, непосредственно прилегающий к промежуточному слою, при этом электрически проводящий слой алмаза выполнен с заданным удельным электрическим сопротивлением, равным 0,3-2,5 Ом/см, толщиной не менее 0,05 мкм, а более - ограничена заданной толщиной пластины алмаза.

Пластина алмаза может быть выполнена из натурального или искусственного, в том числе поликристаллического, алмаза.

Материалом промежуточного слоя является, например, кремний, или титан, или вольфрам, или молибден, или ванадий.

Металлизационный слой выполнен, например, в виде прямой последовательности системы металлов титан-молибден-никель-золото, или титан-вольфрам-никель-золото, или хром-вольфрам-серебро.

Электрически проводящий слой алмаза представляет собой, например, упомянутый слой алмаза, легированный заданной примесью.

Раскрытие сущности изобретения

Экспериментально установлено, что фактическое тепловое сопротивление металлизированной пластины алмаза в процессе ее применения - использования для отвода тепла от активных элементов изделий электронной техники - не соответствует расчетным данным, а именно значительно выше, в 1,5-2 раза.

Это очевидно связано с различным типом механизма - процесса, протекающего и обеспечивающего теплопроводность в алмазе пластины и металле металлизационого слоя.

И результатом этого является возникновение и наличие теплоотражающих барьеров на границе раздела алмаз-металл, которые, очевидно, и приводят к указанному выше значительному повышению теплового сопротивления.

Экспериментально установлено, что наличие электрической проводимости с удельным электрическим сопротивлением 0,3-2,5 Ом/см в слое алмаза металлизированной пластины, непосредственно прилегающего к границе их раздела, обеспечивает согласование фонон-фононного и фонон-электронного типов теплопроводности в алмазе пластины и металле металлизационого слоя соответственно и тем самым обеспечивает исключение теплоотражающих барьеров на границе их раздела и, как следствие, значительному снижению теплового сопротивления в 1,5-2 раза.

Заявленная металлизированная пластина алмаза в совокупности существенных признаков обеспечивает, а именно:

Наличие в металлизированной пластине алмаза дополнительно электрически проводящего слоя алмаза, непосредственно прилегающего к промежуточному слою, с заданным удельным электрическим сопротивлением 0,3-2,5 Ом/см, толщиной не менее 0,05 мкм обеспечивает:

во-первых, электрическую проводимость упомянутого слоя и, как следствие, снижение теплового сопротивления металлизированной пластины алмаза,

во-вторых, заданное удельное электрическое сопротивление в указанных достаточно широких пределах обеспечивает расширение функциональных возможностей - применение данной металлизированной пластины алмаза в качестве элемента для отвода тепла для широкого типа изделий электронной техники.

Выполнение электрически проводящего слоя с удельным электрическим сопротивлением менее 0,3 Ом/см не имеет смысла с точки зрения реализации технического результата, а более 2,5 Ом/см недопустимо из-за резкого повышения теплового сопротивления. Это иллюстрируется фиг.2.

Выполнение электрически проводящего слоя толщиной менее 0,05 мкм не имеет смысла с точки зрения реализации технического результата, а более - ограничено, как указано, заданной толщиной исходной металлизированной пластины алмаза.

Итак, заявленная металлизированная пластина алмаза обеспечивает заявленный технический результат, а именно снижение теплового сопротивления, расширение функциональных возможностей при сохранении высокой адгезии металлизационного слоя и соответственно высокой надежности металлизированной пластины алмаза.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дан разрез металлизированной пластины алмаза, где

-пластина алмаза - 1,

-промежуточный слой - 2,

-металлизационный слой - 3,

-электрически проводящий слой алмаза - 4.

На фиг.2 - зависимость теплового сопротивления от удельного электрического сопротивления.

Примеры конкретного выполнения тест-образцов заявленной металлизированной пластины алмаза приведены ниже.

Пример 1.

Тест-образец металлизированной пластины алмаза содержит:

-пластину алмаза 1, выполненную из искусственного поликристаллического алмаза толщиной, равной 200 мкм,

-промежуточный слой 2 между пластиной алмаза 1 и металлизационным слоем 3, который выполнен в виде слоя кремния и слоя соединения кремния с углеродом приповерхностного слоя пластины алмаза 1, выполненный посредством нанесения-напыления слоя кремния на пластину алмаза с последующим облучением его ускоренными ионами посредством метода ионной имплантации,

-металлизационный слой 3, выполненный из системы металлов титан-молибден-никель-золото, посредством последовательного нанесения-напыления слоев указанных металлов толщиной 0,1, 0,1, 0,2, 3,0 мкм соответственно,

-электрически проводящий слой алмаза 4, который выполнен непосредственно прилегающим к промежуточному слою 2, с удельным электрическим сопротивлением, равным 1,4 Ом/см, толщиной, равной 100 мкм, например, посредством легирования заданной примесью в процессе CVD-роста поликристаллического алмаза.

Примеры 2-16.

Аналогично примеру 1 изготовлены тест-образцы металлизированной пластины алмаза, но при других значениях технологических параметров как в пределах, указанных в формуле изобретения, так и выходящих за ее пределы.

На изготовленных тест-образцах металлизированной пластины алмаза были измерены:

-тепловое сопротивление, °C/Вт исходя из выражения

R=(t₂-t₁)/P,

где t₂ - температура лицевой стороны металлизированной пластины алмаза (сторона, на которой расположены активные элементы),°C,

t₁ - температура ее обратной стороны, °C,

P - мощность теплового потока от активного элемента, Вт;

-удельное электрическое сопротивление, Ом/см измеряют четырехзондовым методом на установке "ACCENT HL5500 PC Hall Effect Measurement").

Проведена оценка качества адгезии металлизированной пластины согласно ГОСТ В 28146-89.

Результаты сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, тест-образцы металлизированной пластины алмаза, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения (примеры 1-15), имеют:

-низкое тепловое сопротивление 0,91-0,97°C/Вт, при заданном удельном электрическом сопротивлении 0,3-2,5 Ом/см, что иллюстрирует фиг.2;

-высокую адгезию порядка 800 кгс/см², что подтверждают данные тест-образца-прототипа (пример 17).

При этом последний имеет тепловое сопротивление 1,81°C/Вт.

В отличие от тест-образца, изготовленного с технологическими параметрами (толщиной электрически проводящего слоя) за пределами, указанными в формуле изобретения (пример 16), который имеет:

-высокое тепловое сопротивление 1,50°C/Вт при удельном электрическом сопротивлении 0,2 Ом/см.

Таким образом, заявленная металлизированная пластина алмаза обеспечивает по сравнению с прототипом

-снижение теплового сопротивления в 1,5-2 раза,

-расширение функциональных возможностей

при сохранении высокой адгезии металлизированной пластины алмаза порядка 800 кгс/см² и соответственно высокой надежности.

Металлизированная пластина алмаза с указанными достаточно высокими параметрами актуальна и может быть широко востребована в качестве элемента для отвода тепла от активных элементов как отдельных изделий электронной техники, так и радиоэлектронных устройств различного назначения, в том числе изделий электронной техники СВЧ, и особенно мощных, требующих от элементов для отвода тепла высокой теплопроводности и надежности.

Источники информации

1. Патент США №6348240 НКИ 427/539, опубл. 19.02.2002.

2. Патент США №5853888 НКИ 428/408, опубл. 29.12.1998.

3. Патент США №5346719 НКИ 427/96, 8, опубл. 13.09.1994.

4. Патент РФ №2285977 МПК H01L 23/14, приоритет 21.03.2005, опубл. 20.10.2006 - прототип.