eng
Выпуск #3/2011
С.Катаев, В.Сидоров, С.Гордеев
Алмаз-карбидный композиционный материал «Скелетон» для теплоотводов в изделиях электронной техники
Алмаз-карбидный композиционный материал «Скелетон» для теплоотводов в изделиях электронной техники
Просмотры: 6746
Разработчики радиоэлектронных изделий повышенной мощности уделяют особое внимание отводу тепла. Отвод тепла от изделий происходит в результате теплопроводности, теплового излучения и конвекции. В реальных условиях эти три принципиально различных способа передачи тепла связаны между собой и проявляются одновременно. Однако основную роль в процессе теплоотвода играет теплопроводность. Поэтому один из путей эффективного отвода тепла в изделиях мощной электроники – применение теплоотводов из материалов с высокой теплопроводностью. В радиоэлектронике широко применяется керамика из оксида бериллия, отличающаяся высокой теплопроводностью и высокими диэлектрическими свойствами. Начинают использовать алюмонитридную керамику и поликристаллический алмаз, которые сегодня могут рассматриваться как наиболее перспективные материалы для создания теплоотводов полупроводниковых приборов. Наряду с ними заслуживает внимания и экологически чистый высокотеплопроводный алмаз-карбидный композиционный материал "Скелетон".
Теги: diamond-silicon carbide-silicon composite material unshrinkable technology безусадочная технология композиционный материал алмаз-карбид кремния-кремний
Композит алмаз-карбид кремния – новый тип композиционного материала (КМ) с уникальными свойствами, полученный путем химических реакций. В зависимости от концентрации алмаза и карбида кремния значения модуля упругости находятся в диапазоне 550–700 ГПа при плотности 3,1–3,3 г/см3. Твердость материала по Кнуппу составляет
50–55 ГПа. Теплопроводность достигает 600 Вт/м⋅К, т.е. выше теплопроводности меди. Такое сочетание свойств объясняется микроструктурой материала, формируемой жесткой карбидокремниевой матрицей, армированной алмазными частицами. Материал получают по "безусадочной" технологии, которая позволяет производить изделия не только сложных форм, но и больших габаритов.
Один из альтернативных методов получения изделий требуемого размера и форм – проведение химических реакций в объеме заготовки (рис.1) [1]. Суть метода в том, что уже на стадии изготовления заготовки из исходных веществ (как правило, порошков) формуется деталь требуемой формы и затем с помощью химических реакций изменяется состав и структура исходной заготовки. Правильный выбор химической реакции позволяет сохранить форму и размеры заготовки и получить конечное изделие требуемого состава и структуры. Этим методом получают сверхтвердый материал с высокой износостойкостью, что крайне затрудняет механическую обработку конечных изделий. Поэтому придание формы изделию на ранних стадиях технологического процесса и последующее преобразование состава и структуры материала внутри заготовки весьма перспективно.
Рассмотрим результаты экспериментальной работы по получению КМ алмаз-карбид кремния-кремний посредством химической реакции между кремнием и углеродом непосредственно в объеме заготовки [2]. Процесс проводился при давлении не выше атмосферного. В качестве исходных материалов использовали промышленные марки порошков алмазов с размерами частиц соответственно 3–5, 5–7, 10–14, 20–28 и 28–40 мкм. Содержание примесей в кремнии не превышало 0,08 мас.%.
Для получения алмазных КМ (рис.2) первоначально формовались заготовки из алмазных порошков – "в сухую" или с добавлением временного связующего, затем проводилась термообработка заготовок и пропитка их жидким кремнием в вакуумной печи. Формование помимо получения требуемых размеров и формы конечного материала позволяет повысить в нем объемное содержание алмазных частиц.
При использовании алмаза в качестве исходного вещества следует учитывать его относительно низкую термическую устойчивость. При температуре выше 1200°С происходит частичная графитизация алмаза, т.е. его превращение в более термодинамически стабильную графитоподобную структуру [3]. Этот процесс начинается с поверхности отдельных зерен и постепенно распространяется вглубь зерна. С увеличением температуры процесс графитизации алмаза становится более интенсивным. Поскольку пропитка образцов кремнием осуществлялась при температуре выше 1420°С, то при их нагреве и изотермической выдержке значительная часть структуры алмазного порошка претерпевала переход в графитоподобную структуру. Последующая пропитка заготовок кремнием приводила к преобразованию образовавшегося графитоподобного углерода в карбид кремния. Исследования графитоподобного углерода показали отсутствие в нем других фаз. Было также установлено, что с увеличением размера алмазных частиц плотность получаемых материалов уменьшается (табл.1).
Фазовый состав алмазных КМ, полученных пропиткой кремнием, можно рассчитать следующим образом. Если предположить, что в ходе процесса часть алмаза претерпевала превращение в графитоподобный углерод, а затем в карбид кремния, то объемное содержание алмаза в конечном материале φа равно:
φа = (1 – ε0) (1 – α), (1)
где ε0 – пористость сформованной заготовки из алмазного порошка.
Объемное содержание карбида кремния φк будет определяться количеством углерода, вступившего в реакцию с кремнием
φк = (1 – ε0) α Мк ra / Мс rк, (2)
где Мк и Мс – соответственно молекулярные массы карбида кремния и углерода, ra и rк – плотности алмаза и карбида кремния, соответственно.
Содержание кремния ϕSi в беспористом материале будет равно:
(3)
Плотность получаемого материала может быть рассчитана по формуле:
r = raja + rкjк + rSijSi. (4)
Приведенные соотношения позволяют проследить за изменением состава композиционного материала в зависимости от параметра α. Из зависимости состава материала от доли алмаза, претерпевшего превращение в графитоподобный углерод, а затем в карбид кремния (рис.3), следует, что существуют предельные значения степени превращения алмаза, накладывающие ограничения на условия проведения процесса получения композиционного материала. Эти предельные значения, соответствующие jSi = 0 (очевидно, для проведения химической реакции карбидообразования во всем объеме и получения беспористых материалов, не содержащих графитоподобный углерод, необходимо обеспечить избыток кремния в нем, т.е. jSi > 0), зависят от пористости заготовки алмаза. Так, при пористости 50% теоретически допустимо участие в процессе образования карбида кремния 38% алмаза, тогда как при пористости 30% возможно преобразование только 16% алмаза (см. табл.1). В материалах, полученных из порошков алмаза с размерами частиц 3–10 мкм, основной фазой является карбид кремния. В этом случае малый размер частиц алмаза приводит к интенсивному протеканию процессов графитизации и последующему формированию карбида кремния. Степень превращения алмаза в карбид кремния в ходе эксперимента достигает 27–36%. При размере частиц порошка алмаза 10–40 мкм содержание карбида кремния в полученном материале ниже, чем в предыдущей группе, а содержание кремния больше. Более низкая, по сравнению с карбидом кремния, плотность кремния является причиной уменьшения плотности материалов с увеличением размеров исходных частиц алмаза. Наибольшее содержание кремния наблюдается в образцах композитов, изготовленных из крупных зерен (50–63 мкм). Степень превращения алмаза в карбид в этом случае наименьшая – только 7%.
Полученная фотография микроструктуры поверхности композиционного материала, содержащего алмазные частицы размером 10–14 и 50–53 мкм, подтверждает отмеченные особенности (рис.4). В структуре материалов отчетливо видны три фазы: алмаз (черный цвет), карбид кремния (серый) и кремний (белый). Никаких следов графитоподобного углерода или других фаз не обнаружено. Кроме того, в образцах отсутствуют поры, что позволяет использовать для расчета состава материалов приведенные уравнения.
По уровню удельной жесткости, т.е. модуля упругости, отнесенного к плотности, полученные композиционные материалы алмаз-карбид кремния-кремний достигают рекордных результатов. По этой характеристике они уступают лишь монокристаллам алмаза (табл.2).
Благодаря процессу химического преобразования алмаза в объеме получаемого изделия можно изготавливать изделия заданной формы из композиционного алмазосодержащего материала "Скелетон" с уникальными свойствами (модулем упругости, удельной жесткостью и теплопроводностью). Очень важна возможность изготовления деталей больших габаритов и разнообразных форм, что сегодня нельзя достичь другими методами получения подобных материалов.
В материале "Скелетон" реализуется фононный механизм теплопроводности, определяемый частотой колебаний кристаллической решетки (фононов) фаз, входящих в его структуру. Получение материала с частичным химическим преобразованием поверхности алмазных зерен в карбидокремниевую матрицу, обуславливает эпитаксиальное сочетание кристаллических решеток алмаза и карбидокремниевой матрицы и, как следствие, очень слабое рассеяние фононов на границе их раздела. За счет этого обеспечивается высокая теплопроводность материала в целом (табл.3).
Учитывая технологические особенности получения композиционного материала алмаз-карбид кремния-кремний и его свойства (табл.4 и 5), можно определить возможность использования его в электронных приборах. АКК «Скелетон» не является диэлектриком, но благодаря высокой теплопроводности и хорошему согласованию по коэффициенту теплового расширения с кремнием он перспективен для применения в LDMOS-транзисторах (рис.5) и радиоэлектронной аппаратуре, где необходим эффективный отвод тепла.
При использовании в мощных LDMOS-транзисторах теплоотводов из АКК "Скелетон" для монтажа кристалла и монтажа на фланец для снижения электрического сопротивления между истоком полупроводникового кристалла и металлическим фланцем необходимо металлизировать не только поверхности, предназначенные для монтажа кристалла и теплоотвода на фланец, но и боковые поверхности теплоотвода (рис.6).
Литература
1. Gordeev S.K. Advanced Composite Materials on the Diamond Base. – Diamond Based Composites. Dordrecht: Kluwer, 1997, p.1.
2. Гордеев С.К., Жуков С.Г., Данчукова Л.В., Экстрем Т.С. Особенности получения композиционных материалов на основе алмаза, карбида кремния и кремния при низких давлениях. – Неорганические материалы, 2001, т.37, №6, с.691–696.
3. Поляков В.П., Ножкина А.В., Чириков Н.В. Алмазы и сверхтвердые материалы.– М., 1990.
50–55 ГПа. Теплопроводность достигает 600 Вт/м⋅К, т.е. выше теплопроводности меди. Такое сочетание свойств объясняется микроструктурой материала, формируемой жесткой карбидокремниевой матрицей, армированной алмазными частицами. Материал получают по "безусадочной" технологии, которая позволяет производить изделия не только сложных форм, но и больших габаритов.
Один из альтернативных методов получения изделий требуемого размера и форм – проведение химических реакций в объеме заготовки (рис.1) [1]. Суть метода в том, что уже на стадии изготовления заготовки из исходных веществ (как правило, порошков) формуется деталь требуемой формы и затем с помощью химических реакций изменяется состав и структура исходной заготовки. Правильный выбор химической реакции позволяет сохранить форму и размеры заготовки и получить конечное изделие требуемого состава и структуры. Этим методом получают сверхтвердый материал с высокой износостойкостью, что крайне затрудняет механическую обработку конечных изделий. Поэтому придание формы изделию на ранних стадиях технологического процесса и последующее преобразование состава и структуры материала внутри заготовки весьма перспективно.
Рассмотрим результаты экспериментальной работы по получению КМ алмаз-карбид кремния-кремний посредством химической реакции между кремнием и углеродом непосредственно в объеме заготовки [2]. Процесс проводился при давлении не выше атмосферного. В качестве исходных материалов использовали промышленные марки порошков алмазов с размерами частиц соответственно 3–5, 5–7, 10–14, 20–28 и 28–40 мкм. Содержание примесей в кремнии не превышало 0,08 мас.%.
Для получения алмазных КМ (рис.2) первоначально формовались заготовки из алмазных порошков – "в сухую" или с добавлением временного связующего, затем проводилась термообработка заготовок и пропитка их жидким кремнием в вакуумной печи. Формование помимо получения требуемых размеров и формы конечного материала позволяет повысить в нем объемное содержание алмазных частиц.
При использовании алмаза в качестве исходного вещества следует учитывать его относительно низкую термическую устойчивость. При температуре выше 1200°С происходит частичная графитизация алмаза, т.е. его превращение в более термодинамически стабильную графитоподобную структуру [3]. Этот процесс начинается с поверхности отдельных зерен и постепенно распространяется вглубь зерна. С увеличением температуры процесс графитизации алмаза становится более интенсивным. Поскольку пропитка образцов кремнием осуществлялась при температуре выше 1420°С, то при их нагреве и изотермической выдержке значительная часть структуры алмазного порошка претерпевала переход в графитоподобную структуру. Последующая пропитка заготовок кремнием приводила к преобразованию образовавшегося графитоподобного углерода в карбид кремния. Исследования графитоподобного углерода показали отсутствие в нем других фаз. Было также установлено, что с увеличением размера алмазных частиц плотность получаемых материалов уменьшается (табл.1).
Фазовый состав алмазных КМ, полученных пропиткой кремнием, можно рассчитать следующим образом. Если предположить, что в ходе процесса часть алмаза претерпевала превращение в графитоподобный углерод, а затем в карбид кремния, то объемное содержание алмаза в конечном материале φа равно:
φа = (1 – ε0) (1 – α), (1)
где ε0 – пористость сформованной заготовки из алмазного порошка.
Объемное содержание карбида кремния φк будет определяться количеством углерода, вступившего в реакцию с кремнием
φк = (1 – ε0) α Мк ra / Мс rк, (2)
где Мк и Мс – соответственно молекулярные массы карбида кремния и углерода, ra и rк – плотности алмаза и карбида кремния, соответственно.
Содержание кремния ϕSi в беспористом материале будет равно:
(3)
Плотность получаемого материала может быть рассчитана по формуле:
r = raja + rкjк + rSijSi. (4)
Приведенные соотношения позволяют проследить за изменением состава композиционного материала в зависимости от параметра α. Из зависимости состава материала от доли алмаза, претерпевшего превращение в графитоподобный углерод, а затем в карбид кремния (рис.3), следует, что существуют предельные значения степени превращения алмаза, накладывающие ограничения на условия проведения процесса получения композиционного материала. Эти предельные значения, соответствующие jSi = 0 (очевидно, для проведения химической реакции карбидообразования во всем объеме и получения беспористых материалов, не содержащих графитоподобный углерод, необходимо обеспечить избыток кремния в нем, т.е. jSi > 0), зависят от пористости заготовки алмаза. Так, при пористости 50% теоретически допустимо участие в процессе образования карбида кремния 38% алмаза, тогда как при пористости 30% возможно преобразование только 16% алмаза (см. табл.1). В материалах, полученных из порошков алмаза с размерами частиц 3–10 мкм, основной фазой является карбид кремния. В этом случае малый размер частиц алмаза приводит к интенсивному протеканию процессов графитизации и последующему формированию карбида кремния. Степень превращения алмаза в карбид кремния в ходе эксперимента достигает 27–36%. При размере частиц порошка алмаза 10–40 мкм содержание карбида кремния в полученном материале ниже, чем в предыдущей группе, а содержание кремния больше. Более низкая, по сравнению с карбидом кремния, плотность кремния является причиной уменьшения плотности материалов с увеличением размеров исходных частиц алмаза. Наибольшее содержание кремния наблюдается в образцах композитов, изготовленных из крупных зерен (50–63 мкм). Степень превращения алмаза в карбид в этом случае наименьшая – только 7%.
Полученная фотография микроструктуры поверхности композиционного материала, содержащего алмазные частицы размером 10–14 и 50–53 мкм, подтверждает отмеченные особенности (рис.4). В структуре материалов отчетливо видны три фазы: алмаз (черный цвет), карбид кремния (серый) и кремний (белый). Никаких следов графитоподобного углерода или других фаз не обнаружено. Кроме того, в образцах отсутствуют поры, что позволяет использовать для расчета состава материалов приведенные уравнения.
По уровню удельной жесткости, т.е. модуля упругости, отнесенного к плотности, полученные композиционные материалы алмаз-карбид кремния-кремний достигают рекордных результатов. По этой характеристике они уступают лишь монокристаллам алмаза (табл.2).
Благодаря процессу химического преобразования алмаза в объеме получаемого изделия можно изготавливать изделия заданной формы из композиционного алмазосодержащего материала "Скелетон" с уникальными свойствами (модулем упругости, удельной жесткостью и теплопроводностью). Очень важна возможность изготовления деталей больших габаритов и разнообразных форм, что сегодня нельзя достичь другими методами получения подобных материалов.
В материале "Скелетон" реализуется фононный механизм теплопроводности, определяемый частотой колебаний кристаллической решетки (фононов) фаз, входящих в его структуру. Получение материала с частичным химическим преобразованием поверхности алмазных зерен в карбидокремниевую матрицу, обуславливает эпитаксиальное сочетание кристаллических решеток алмаза и карбидокремниевой матрицы и, как следствие, очень слабое рассеяние фононов на границе их раздела. За счет этого обеспечивается высокая теплопроводность материала в целом (табл.3).
Учитывая технологические особенности получения композиционного материала алмаз-карбид кремния-кремний и его свойства (табл.4 и 5), можно определить возможность использования его в электронных приборах. АКК «Скелетон» не является диэлектриком, но благодаря высокой теплопроводности и хорошему согласованию по коэффициенту теплового расширения с кремнием он перспективен для применения в LDMOS-транзисторах (рис.5) и радиоэлектронной аппаратуре, где необходим эффективный отвод тепла.
При использовании в мощных LDMOS-транзисторах теплоотводов из АКК "Скелетон" для монтажа кристалла и монтажа на фланец для снижения электрического сопротивления между истоком полупроводникового кристалла и металлическим фланцем необходимо металлизировать не только поверхности, предназначенные для монтажа кристалла и теплоотвода на фланец, но и боковые поверхности теплоотвода (рис.6).
Литература
1. Gordeev S.K. Advanced Composite Materials on the Diamond Base. – Diamond Based Composites. Dordrecht: Kluwer, 1997, p.1.
2. Гордеев С.К., Жуков С.Г., Данчукова Л.В., Экстрем Т.С. Особенности получения композиционных материалов на основе алмаза, карбида кремния и кремния при низких давлениях. – Неорганические материалы, 2001, т.37, №6, с.691–696.
3. Поляков В.П., Ножкина А.В., Чириков Н.В. Алмазы и сверхтвердые материалы.– М., 1990.
Отзывы читателей
