Рубрики
Технологии силовой электроники

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности Владимир Ланин Евгений Телеш Трудности отвода тепла в изделиях силовой электроники получают необыкновенную актуальность

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности Владимир Ланин
Евгений Телеш

Трудности отвода тепла в изделиях силовой электроники получают необыкновенную актуальность в связи с увеличением плотности упаковки тепловыделяющих электрических компонент. Применение теплоотводов на базе алмазоподобных пленок позволит существенно сделать лучше термические свойства таких устройств. Для обеспечения действенной работы нужен выбор конструкции теплоотвода и технологии формирования металлизационных слоев.

Трудности теплоотвода в изделиях электроники

Неувязка рассеяния тепла всегда является лимитирующей при конструировании изделий электроники (ИЭ) завышенной мощности. В процессах теплопередачи выделяют три принципно разных метода передачи теплоты: используя характеристики теплопроводимости, методом термического излучения или конвекции. Эти виды термообмена в реальных критериях связаны меж собой и появляются сразу. Но наибольший вклад в процессы термообмена заносит теплопроводимость. Потому одним из вероятных путей решения трудности рассеяния тепла при конструировании ИЭ завышенной мощности является создание теплоотводов, владеющих высочайшими электроизоляционными качествами и совместно с тем неплохой теплопроводимостью. Эту задачку можно решить последующими методами:

  1. На поверхность металла с высочайшей теплопроводимостью нанести слой керамики, стекла либо органического изолирующего вещества;
  2. Применить глиняние либо кристаллические теплоотводы с высочайшей теплопроводимостью.

Более перспективен 1-ый метод, но для разработки конструкции пленочного теплоотвода нужно обоснованно избрать материалы для основания и слоев теплоотвода, создать технологию формирования слоев, улучшить режимы их получения с данными чертами.

К обычным системам остывания относятся радиаторы с пассивным и активным отводом тепла от нагретой поверхности, которые обеспечивают насыщенный термообмен электрического устройства с окружающей средой. Площадь поверхности электрического устройства очень мала (несколько квадратных см) и недостаточна для действенного отвода термический мощности. Благодаря собственной оребренной поверхности радиатор в сотки и даже тыщи раз наращивает площадь его термического контакта с окружающей средой, содействуя насыщенному термообмену и кардинальному понижению рабочей температуры. Тепловое сопротивление радиатора выражается соотношением:

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

где Tн — температура нагретой зоны электрического устройства; Tо — температура среды; Pт — термическая мощность электрического устройства.

На практике тепловое сопротивление радиатора почти во всем зависит не только лишь от площади оребренной поверхности, да и от его конструктивных особенностей и технологии производства. Более дешевы дюралевые радиаторы (рис. 1а), изготавливаемые способом экструзии (прессования), который позволяет получить довольно непростой профиль оребренной поверхности и достигнуть не плохих теплоотводящих параметров.

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис. 1. а) Экструзионный радиатор; б) складчатый радиатор

Складчатые радиаторы отличаются технологическим исполнением: на базисной пластинке радиатора пайкой (либо адгезионными теплопроводящими пастами) закрепляют узкую железную ленту, свернутую в гармошку, складки которой играют роль специфичной оребренной поверхности. Эта разработка позволяет получать изделия малогабаритных размеров и с высочайшей термический эффективностью (рис. 1б).

Лучшей термический эффективностью отличаются радиаторы, приобретенные прецизионной механической обработкой цельных заготовок на специализированных станках с ЧПУ. Но себестоимость таких радиаторов достаточна высока.

Для понижения теплового сопротивления радиатора делают условия принужденной конвекции теплоносителя при помощи вентилятора, который продувает его внутреннее межреберное место.

Жидкостное остывание позволяет еще лучше отводить тепло от нагреваемого элемента, чем система воздушного остывания. Понижение шума и тепловыделения в окружающую среду дает определенные предпосылки для внедрения жидкостных систем для компьютерных изделий. Недочетами таковой системы являются: сложность конструкции, увеличенная масса, наименьшая надежность — при отказе 1-го из модулей система перестает работать.

Термоэлектрические холодильники, работа которых базирована на использовании эффекта Пельтье, состоят из поочередно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Любой из таких переходов имеет термический контакт с одним из 2-ух радиаторов. В итоге прохождения электронного тока определенной полярности появляется перепад температур меж радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор греется и служит для отвода тепла. Зависимо от направления электронного тока через контакт полупроводников различного типа p-n- и n-p-переходов (рис. 2) вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия или поглощается, или выделяется. В итоге данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло или поглощается, или выделяется.

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис. 2. Термоэлектрический холодильник на полупроводниках p- и n-типа

Модули Пельтье, используемые в составе средств остывания электрических частей, отличаются сравнимо высочайшей надежностью и, в отличие от холодильников, сделанных по классической технологии, не имеют передвигающихся частей. Для роста эффективности собственной работы они допускают каскадное внедрение, что позволяет довести температуру электрических частей до отрицательных значений даже при их значимой мощности рассеяния.

Тепло Пельтье, как проявили экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

где q — количество прошедшего электричества за единицу времени; П — коэффициент Пельтье, величина которого находится в зависимости от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Но не считая тривиальных преимуществ модули Пельтье владеют и рядом специфичных параметров, которые нужно учесть при их использовании в составе охлаждающих средств. Выделяя в процессе собственной работы огромное количество тепла, они требуют наличия радиаторов и вентиляторов, способных отлично отводить лишнее тепло от охлаждающих модулей. Термоэлектрические модули отличаются низким КПД и, выполняя функции термического насоса, сами являются сильными источниками тепла и делают дополнительную нагрузку для цепей питания.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье, содействуют конденсации воды из воздуха, что представляет опасность для электрических компонент, потому что конденсат может вызвать недлинные замыкания меж элементами.

Конструкции алмазных теплоотводов

Прогрессирующая микроминиатюризация поставила на повестку денька делему, связанную с отводом тепла от полупроводниковых устройств. Площадь теплоотвода для маленького полупроводника очень мала (50–100 мкм2), а плотности рассеиваемой мощности способны достигать до 1,6 x 105 Вт/мм2, потому рассеяние тепла при помощи обыденных материалов (медь, алюминий, окись бериллия и т. д.) оказывается недостающим. При микроминиатюризации электрических и твердотельных устройств появляется неувязка термического рассеяния снутри самих устройств. Если полная мощность прибора должна сохраняться неизменной, то уменьшение его в размерах будет постоянно сопровождаться повышением плотности мощности.

Теплоотводы из меди либо алюминия обычно в пару раз превосходят по размерам охлаждаемый элемент. Применение таких теплоотводов позволяет достигнуть действенного остывания, но в случае микроминиатюрных полупроводниковых устройств площадь контакта термического экрана оказывается так малой, что рассеяние тепла теплоотводами из таких материалов время от времени оказывается недостающим. В текущее время все более обширное применение находят алмазные теплоотводы, основанные на высочайшей теплопроводимости алмаза [1]. Применение алмазов в качестве теплоотводов для микроминиатюрных полупроводниковых устройств может существенно сделать лучше термические свойства таких устройств. Термическая проводимость алмаза зависимо от его разновидностей в 2–5 раз превосходит этот параметр для меди (таблица 1).

Таблица 1. Теплопроводимость алмазов и других материалов

Материал Температура, °С Теплопроводимость,
Вт/(мК) Алмаз 20 2000 Медь 20 384 Алюминий 20 209 Сталь 20 47 Карбид кремния 40 21,5 Окись алюминия 100 6,9

Алмазный теплоотвод обладает способностью рассеяния намного большей удельной термический мощности, чем у обыденных теплоотводящих материалов, потому массивные полупроводниковые приборы, снаряженные алмазными теплоотводами, могут работать с завышенной полезной мощностью на выходе. Алмазные теплоотводы находят применение для транзисторов большой мощности, диодов Ганна, интегральных схем завышенной мощности, полупроводниковых лазеров, лавинно-пролетных диодов, варикапов и переключающих полупроводниковых устройств [2].

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис. 3. Конструкция алмазного теплоотвода

Главным несущим слоем алмазного теплоотвода (рис. 3) является медный хладопровод, адгезионными слоями являются карбид титана либо титан, диэлектрическим слоем служит алмазоподобная пленка (АПП), а токопроводящим слоем является никель либо монель (NiCu — 18%). Внедрение монеля обосновано тем, что никель обладает магнитными качествами, потому его нельзя использовать в установках магнетронного напыления, а добавление 18% меди позволяет использовать монель в установках магнетронного напыления, не ухудшая черт никеля.

Есть две группы методов получения алмаза из газовой фазы: высокотемпературные, при которых могут быть сделаны поликристаллические алмазные пленки, и низкотемпературные, дозволяющие получать алмазоподобные пленки и пленки гидрогенизированного углерода. В таких пленках отсутствует далекий порядок, соответствующий для кристалла. Могут быть получены пленки с разными хим связями, которые могут владеть рядом новых параметров, хороших от алмаза, графита и карбина. Анализ методов позволил сконструировать условия получения алмазных и алмазоподобных пленок:

  • проведение процесса при огромных пересыщениях, когда возможность образования алмазного эмбриона возрастает;
  • предотвращение образования размеренной фазы углерода- графита, которого можно достигнуть методом: сотворения критерий, когда образование графитовой структуры затруднено в силу кинетических причин; использования атомарного водорода, газифицирующего графит; использования ионных пучков;
  • сохранение образовавшейся алмазной фазы и предотвращение перехода ее в графит. Для нанесения АПП употребляют CVD

(Chemical Vapor Depositions) процесс, основанный на разложении углеводородов в консистенции с водородом и следующем осаждении алмаза на подогретую подложку [3]. Рабочая смесь диссоциирует в вакуумной камере под действием электронного разряда, СВЧ-плазмы либо лазерного излучения. Давление газа в камере составляет 30–100 Торр, скорость осаждения — 10–20 мкм/ч.

В текущее время разработаны разные способы соединения алмаза с металлическими и полупроводниковыми материалами. Более эффективны способы, при которых контактирующие поверхности алмазного теплоотвода за ранее металлизируются. Для металлизации идеальнее всего подходят такие металлы, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и тантал, которые потом сплавляются с медью, серебром либо золотом [4]. Имея сильное сродство с углеродом, они растворяются либо ведут взаимодействие с ним в вакууме либо в инертной атмосфере. Расплавленный металл сначала смачивает алмаз, удаляя с его поверхности кислород, и потом вступает во взаимодействие с поверхностью алмаза, протравливая ее и химически связываясь с ней.

Число материалов, применимых для сотворения слоев металлизации, достаточно велико (таблица 2), но существует ряд требований, которые существенно сузивают круг таких материалов. Теплопроводимость материала должна быть может быть более высочайшей, чтоб не снижать общую теплопроводимость, а удельное сопротивление — наименьшим, потому что перенос тепла осуществляется как за счет фононного, так и электрического устройств. Температурный коэффициент линейного расширения должен быть очень близок к ТКЛР алмаза (9–15) x 10–7 1/ °С.

Таблица 2. Характеристики материалов, используемых для сотворения металлизации

Материал Теплопроводимость, Вт/(м·К) Удельное объемное сопротивление,10–6 Ом·см ТКЛР, 10–6 К–1 Al 209 2,7 23,5 Cu 384 1,67 17 Ag 407 1,6 18,7 Mo 138 5,4 5,1 W 154 5,5 4,5 Au 310 2,3 14 Ta 45,2 13,5 7 Ti 22 4,2 18,1 Fe 74 10 16,7 Co 69,5 9,7 17,9 Ni 67 6,9 13,2 Pt 74 10,6 8,9 Pd 72 10,8 12,5

Выполнение этого условия предутверждает появление механических напряжений в напыленных пленках и содействует устранению эффектов, вызывающих их отслоение от алмазного основания. Материал адгезионного слоя должен владеть высочайшим сродством с углеродом и создавать с ним высокоадгезионные соединения. Специальные требования к проводящему слою состоят в необходимости обеспечения неплохой паяемости, т. е. в разработке критерий для неплохого растекания припоя и смачивания им поверхности.

Для адгезионных слоев металлизации алмазов используют металлы, имеющие сильное сродство с углеродом, которые растворяются либо ведут взаимодействие с ним. Разработаны адгезионно-активные сплавы, обеспечивающие крепкое крепление алмазов к железным основаниям, уменьшение тепловых напряжений и имеющие температуру плавления в интервале 800–950 °С, что защищает алмазы от графитизации. К адгезионно-активным металлам относят титан, хром, цирконий, ниобий и тантал, которые потому и являются более желательными для сотворения адгезионных слоев металлизации. Адгезионная активность молибдена, вольфрама и никеля для использования в качестве компонент мала. Тугоплавкие металлы Mo и W владеют низким сопротивлением, высочайшей теплопроводимостью и маленьким ТКЛР. Но тонкие пленки данных металлов имеют тенденцию отслаиваться и растрескиваться, что не обеспечивает требуемой величины адгезии. Титан, тантал, гафний имеют более высочайшее электронное сопротивление и низкую теплопроводимость, но владеют высочайшей адгезионной способностью и просто соединяются с углеродом. Уникальными параметрами обладает карбид титана, который превосходит титан по электрофизическим и теплофизическим свойствам. Беря во внимание перечисленные выше требования, в качестве материала для адгезионного слоя целенаправлено использовать титан и тантал.

Более рациональные характеристики проводящего слоя металлизации достигаются при использовании таких материалов, как никель и его сплавы, медь и серебро, которые владеют высочайшей тепло- и электропроводностью, также отлично смачиваются припоями. Но медь и серебро имеют сильную склонность к окислению, не считая того, медь может отлично диффундировать в слой припоя прямо до активной полупроводниковой структуры. Для предотвращения этого следует использовать барьерный слой. Таким макаром, более желаемым материалом для сотворения проводящего слоя металлизации является никель и его сплавы.

Формирование металлизации на алмазных теплоотводах

Из всего обилия способов формирования слоев металлизации более симпатичными являются вакуумные способы нанесения. Они обеспечивают самую большую чистоту пленок, позволяют разнообразить в широких границах условия нанесения [5]. В последние годы все большее распространение получают ионно-лучевые способы получения тонких пленок, что разъясняется преимуществами ионнолучевых систем:

  • пространственное разделение областей генерации плазмы и области конденсации материала;
  • более высочайшая чистота пленок из-за понижения рабочего давления;
  • малое воздействие вторичных электронов на подложку;
  • возможность нанесения всех материалов.

Потому для формирования адгезионных и проводящих слоев металлизации применены способы ионно-лучевого и магнетронного распыления. Магнетронные распылительные системы позволяют повысить скорость осаждения при одновременном понижении радиационного воздействия электронов на подложку [6].

Вакуумная установка Z-400 компании Leybold-Heraeus для обработки способами ионной бомбардировки содержала устройства для возбуждения и поддержания газового разряда, натекатели для подачи плазмообразующих газов, массивные источники питания. Установка была вооружена ионно-лучевым и магнетронным распыляющими устройствами. В качестве ионного источника употреблялся двухлучевой плазменный ускоритель с анодным слоем, который сформировывал два независящих пучка ионов: из верхней ступени в виде полого цилиндра и конусообразный из нижней ступени. 1-ый пучок предназначен для ионных чистки и бомбардировки, 2-ой — для распыления мишени. Ионный источник был смонтирован в подколпачном объеме установки (рис. 4). Вакуумный объем откачивался турбомолекулярным насосом, что обеспе- чило получение остаточного вакуума 1 x 10–5 Торр. Для формирования адгезионного и проводящего слоев использовались соответственно мишени из Ti и Ni (Ni–18% Cu). Для нагрева подложек в процессе нанесения пленок употреблялся подложкодержатель, снабженный автономным нагревательным элементом в виде поликоровой пластинки с нихромовой проволокой.

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис. 4. Внешний облик подколпачного объема вакуумной установки Z-400

Алмазоподобная пленка шириной около 2 мкм наносилась на медный хладопровод, покрытый узким адгезионным слоем. Осаждение АПП производилось способом прямого осаждения из ионного пучка [7]. В качестве рабочего газа употреблялся пропан. Температура подложки не превосходила 25 °С.

Сначала исследовалось воздействие характеристик процесса напыления на удельное объемное сопротивление покрытий ρv. Нрав зависимости ρv от скорости нанесения Vн (рис. 5) можно разъяснить последующим образом. При маленьких скоростях нанесения завышенное значение ρv обусловливается большей степенью окисления возрастающей пленки. С ростом Vн действие этого эффекта убывает и rv понижается. Повышение ρv при огромных скоростях нанесения разъясняется, по-видимому, уменьшением плотности пленок.

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис. 5. Зависимости удельного большого сопротивления покрытий от скорости нанесения: a) при магнет

Температура подложки в процессе нанесения пленок также оказывает некое воздействие на удельное объемное сопротивление пленок, их структуру и адгезию (рис. 6). Пленки Ni, Ni–18% Cu, Ti наносились на подложки из окисленного кремния. Температура подложки варьировалась от 100 до 300 °С.

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис. 6. Зависимости удельного большого сопротивления пленки от температуры подложки при ионном (ИР) и магнетронном (МР) распылении

Исходя из приобретенных зависимостей, можно судить о том, что ρv пленок из никеля и сплава Ni–18% Cu некординально находится в зависимости от температуры подложки, т. е. структура и состав этих пленок фактически не меняются. Что касается пленок из титана, то и тут имеют место однообразные зависимости, что свидетельствует также об отсутствии высококачественных конфигураций в их структуре и составе.

На втором шаге исследовалось воздействие энергии и тока бомбардирующего пучка ионов на адгезию и микроструктуру покрытий из Ti. Ускоряющее напряжение изменялось от 1 до 2 кВ, а ток — от 5 до 15 мА. Адгезия оценивалась отменно (отрыв липкой ленты) и количественно способом обычного отрыва. Установлено, что ускоряющее напряжение не оказывает существенного воздействия на величину адгезии, а повышение тока ионного пучка приводило к значительному увеличению адгезии. Так, при токе 5 мА адгезия составила 4,2 МПа, а при 15 мА — 6,8 МПа (таблица 3).

Таблица 3. Воздействие характеристик ионного пучка на адгезию покрытий

Ускоряющее напряжение, кВ Ток ионной бомбардировки, мА Величина адгезии, МПа 1,0 10 4,8 1,5 10 4,9 2,0 10 5,0 2,0 5 4,2 2,0 15 6,8

Таким макаром, введение дополнительной энергии в зону конденсации за счет ионной бомбардировки содействует повышению адгезии. Это можно разъяснить увеличением интенсивности десорбции и распыления посторонних включений и загрязнений, активацией поверхности алмазоподобной пленки, радиационностимулированным внедрением атомов титана в подложку, увеличением хим активности атомов металла, локальным разогревом поверхности подложки. Как следствие, результатом перечисленных выше процессов будет являться формирование переходного слоя из карбида титана, что также содействует усилению адгезионных связей.

Алмазные теплоотводы для изделий электроники завышенной мощности

Рис.7. Микроструктура пленки титана

Исследование микроструктуры покрытий из титана при помощи атомно-силового микроскопа NT-206 (рис. 7) при нанесении в критериях облучения возрастающей пленки ионами аргона при ускоряющем напряжении 2 кВ и токе пучка 15 мА показало, что ионная бомбардировка содействует формированию плотной столбчатой структуры конденсата.

Для испытаний пленочных теплоотводов было использовано термоциклирование, позволяющее выявить как сокрытые конструктивные недостатки, так и недостатки в технологии, допущенные при изготовлении изделий. Устройство для термоциклирования состояло из блока нагрева и основания.

Блок нагрева включал ИК нагреватель горизонтального типа с галогенной лампой накаливания КГ-500-220, расположенной снутри громоздкого отражателя, охлаждаемого проточной водой, что позволяло эксплуатировать лампу долгое время при наибольших термических нагрузках. Основание представляло платформу с каналами водяного остывания. Отражатель с лампой устанавливался над исследуемым прототипом на вертикальной стойке с возможностью конфигурации расстояния меж ними, что позволяло управлять скоростью нагрева. Верхняя плоскость основания отполирована для улучшения теплоотвода и на ней размещался эталон. Электрический блок производил автоматическое управление лампой для заслуги данной температуры на верхней плоскости основания.

Тесты проводились на образчиках, имеющих двухслойную систему металлизации (адгезионный слой из титана шириной 5 нм; проводящий слой никеля 500 нм), нанесенную на основание с алмазоподобной пленкой. Температура в одном цикле тесты изменялась от 15 до 200 °С, всего проведено 5000 циклов нагрев–остывание. В итоге испытаний ни одна часть системы металлизации не отслоилась.

Теплопроводимость системы оценивалась исследованием теплопереноса через эталон на установке типа УКТ-3. Исследуемый эталон помещался меж алмазной пластинкой прибора, которая разогревалась массивным транзистором, и алмазной иглой, охлаждаемой при помощи микрохолодильника Пельтье. Пластинка и игла изготавливались из безазотного алмаза с теплопроводимостью не ниже 2000 Вт/м·К. При установке иглы на исследуемый эталон разность температур меж алмазной пластинкой прибора и иглой за счет оборотной связи автоматом поддерживалась неизменной. Теплопроводимость рассчитывалась из результатов измерений падения напряжения на коллекторе транзистора. До измерений установка калибровалась при помощи набора эталонных образцов с известной теплопроводимостью (600, 1150 и 1800 Вт/м·К).

Таблица 4. Результаты исследовательских работ теплопроводимости

Ионно-лучевое
распыление Хим
осаждение № эталона λИСХ*,
Вт/м·К λМЕТ**,
Вт/м·К № эталона λИСХ,
Вт/м·К λМЕТ,
Вт/м·К 1 949 657 2 600 109 3 1228 657 4 1078 154 5 903 533 Вакуумно-плазменное
распыление 6 900 894 7 1012 610
*λИСХ — начальное значение теплопроводимости неметаллизированного АТО.
**λМЕТ — значение теплопроводимости металлизированных АТО

Измеренные значения теплопроводимости алмазных пленочных теплоотводов (АТО) находились в спектре 600–1400 Вт/м·К (таблица 4). Приобретенные результаты демонстрируют, что мощностные свойства устройств, собранных на слоистых теплоотводах, близки к чертам лазерных диодов, собранных на теплоотводящих основаниях из природного алмаза с теплопроводимостью 1400 Вт/м·К.

Выводы

Применение алмазоподобных пленок в качестве теплоотводов для микроминиатюрных силовых полупроводниковых устройств может существенно сделать лучше термические свойства таких устройств, как СВЧ-транзисторы, полупроводниковые лазеры, диоды Ганна, и др. Неувязка монтажа полупроводниковых кристаллов на алмазе является довольно сложной ввиду низкого коэффициента термического расширения алмаза и появления значимых механических напряжений в кристалле. Более эффективны способы монтажа, при которых контактирующие поверхности алмазного теплоотвода за ранее металлизируются. Хорошей является двухслойная система металлизации алмазного теплоотвода: адгезионный слой — пленка титана либо карбида титана шириной 0,05-0,1 мкм; проводящий слой — пленка никеля либо его сплава с медью шириной 0,3-0,8 мкм.