Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛООТВОДЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к области электроники и предназначено преимущественно для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении полупроводниковых приборов и электронных устройств.

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

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

Техническим результатом, который можно получить при осуществлении изобретения, является улучшение изолирующих свойств, повышение теплопроводности и механической прочности теплоотводящего элемента.

Технический результат достигается тем, что теплоотводящий элемент состоит из пластины, выполненной из композиционного материала, обладающего высокой теплопроводностью, с нанесенным с одной или с обеих сторон электроизоляционным слоем, который покрыт слоями металлов, обладающих высокой теплопроводностью.

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

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

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

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

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

Теплоотводящий элемент получают следующим способом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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