eng
Выпуск #9/2019
А. Щербина
Разработка и изготовление микросборок на многослойной керамике
Разработка и изготовление микросборок на многослойной керамике
Просмотры: 1107
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.190.9.90.93
А. Щербина 1
При создании высокоинтегрированных сборок и модулей для подложек используют материалы с высокой теплопроводностью, которые позволяют эффективно рассеивать избыточное тепло. В силовой электронике и микроэлектронике применяют керамические подложки, которые служат основой для нанесения тонких или толстых пленок при формировании металлизации и пленочных компонентов. В АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных подложек из керамики на основе оксида алюминия, нитрида алюминия и оксида бериллия, которые характеризуются высокими теплопроводностью и механической прочностью, низкими коэффициентом теплового расширения и диэлектрическими потерями. В качестве примера применения данных технологий рассмотрим разработку корпуса для микросборки на основе этих материалов.
Микросборка представляет собой часть схемы DC / DC‑преобразователя напряжения (рис. 1). Основное требование к ее корпусу – обеспечить отвод тепла, выделяемого на полевых транзисторах (VT2 и VT3), каждый из которых рассеивает до 4 Вт мощности.
Условия работы микросборки и кристаллов транзисторов:
микросборка используется в условиях вакуума;
максимальная температура кристаллов не должна превышать 125 °C при работе изделия в условиях предельно допустимой температуры, составляющей 65 °C.
При отработке схемы применялись корпусные транзисторы в корпусе КТ‑94. Для микросборки использовались кристаллы транзисторов размером 5,6 × 5,0 мм и 7,33 × 7,31 мм, параметры которых приведены в табл. 1.
На текущем этапе развития производства в АО «ТЕСТПРИБОР» в качестве материала подложек можно использовать оксид алюминия с чистотой 99,5% или нитрид алюминия. Параметры материалов приведены в табл. 2. Толщина одного слоя керамики после обжига составляет 0,25 мм.
Рассмотрим, как отводится тепло от кристалла, смонтированного на керамической подложке из оксида алюминия и нитрида алюминия, при условии, что тепло с подложки может рассеиваться только с основания корпуса микросборки на корпус изделия, куда устанавливается микросборка.
Один из критериев определения достаточной площади для отвода тепла от кристалла – температура в установившемся режиме, которая не должна превышать 80–85 °C при температуре окружающей среды 20 °C.
Кристалл, размером 5,6 × 5,0 мм, установленный в центр керамической подложки на основе оксида алюминия, размером 80,0 × 80,0 мм, нагревается до температуры выше 140 °C (рис. 2). При этом тепло не рассеивается по площади подложки, что не соответствует требованиям. Аналогично и для второго кристалла, размером 7,33 × 7,31 мм.
Кристалл, размером 5,6 × 5,0 мм, установленный в центр керамической подложки из нитрида алюминия, размером 18,0 × 18,0 мм, нагревается до 80,4 °C, что соответствует требованиям (рис. 3). Расчет температуры второго кристалла, размером 7,33 × 7,31 мм, установленного на такую же подложку, показал результат 78,9 °C, что также обеспечивает выполнение требований задания.
На рис. 4 представлен расчет температуры кристаллов, установленных на керамическую подложку, размером 36,0 × 18,0 мм, при работе двух транзисторов одновременно. Максимальная температура нагрева кристалла не изменилась.
Исходя из полученных результатов был выбран корпус с габаритами 36,0 × 18,0 мм.
Одна из технологий, предлагаемых АО «ТЕСТПРИБОР», – производство изделий из высокотемпературной керамики (HTCC). Основное отличие высокотемпературной керамики от низкотемпературной (LTCC) – более высокая температура спекания слоев керамических плат: 1 500–1 600 °C (для LTCC – менее 1 000 °C).
Преимущества технологии HTCC:
● малые допуски на размеры – благодаря низкому коэффициенту теплового расширения обеспечивается повышенная стабильность размеров корпусов;
● коэффициент теплового расширения (КТР) высокотемпературной керамики достаточно близок к КТР кремния, что позволяет монтировать кристаллы непосредственно на керамическое основание;
● высокие диэлектрические и тепловые характеристики корпусов: в зависимости от используемой марки керамики электрическая прочность варьируется в пределах от 45 до 60 кВ / мм, тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) – от 0,006 до 0,021, а диэлектрическая проницаемость (ε) – от 6 до 10 в гигагерцовом диапазоне частот;
● возможность создания многослойных герметичных керамических плат: высокотемпературная керамика отличается плотной структурой, после спекания многослойные керамические модули становятся монолитными;
● хорошее заполнение переходных отверстий и линий металлизации в плате вольфрамовой или молибденовой пастой;
● высокая твердость используемых керамических материалов.
Гарантированные технологические возможности производства АО «ТЕСТПРИБОР» приведены на рис. 5. На основе указанных норм был разработан корпус. Поскольку площадь для отвода тепла под кристаллом довольно большая, плотность монтажа микросборки получилась относительно низкой.
Внешний вид разработанного корпуса и микросборки с установленными компонентами показаны на рис. 6 и 7 соответственно. Микросборка содержит четыре кристалла и 12 пассивных SMD‑компонентов. Преимущества микросборок (в том числе разработанной) состоят в том, что изделия занимают меньше места, имеют меньшую массу по сравнению со схемой, собранной из корпусных дискретных компонентов. Это важно для систем, предназначенных, например, для применения в космосе. Для более функциональных и крупных сборок применяют многоуровневое расположение компонентов, что позволяет упростить защиту отдельных элементов от радиации и уменьшить массу изделия по сравнению со сборкой с общим защитным экраном.
У АО «ТЕСТПРИБОР» есть возможность разработки и изготовления микросборок на многослойной керамике из Al2O3 и AlN по требованиям заказчика. Компания планирует продолжать совершенствовать производственные технологические процессы. ●
При создании высокоинтегрированных сборок и модулей для подложек используют материалы с высокой теплопроводностью, которые позволяют эффективно рассеивать избыточное тепло. В силовой электронике и микроэлектронике применяют керамические подложки, которые служат основой для нанесения тонких или толстых пленок при формировании металлизации и пленочных компонентов. В АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных подложек из керамики на основе оксида алюминия, нитрида алюминия и оксида бериллия, которые характеризуются высокими теплопроводностью и механической прочностью, низкими коэффициентом теплового расширения и диэлектрическими потерями. В качестве примера применения данных технологий рассмотрим разработку корпуса для микросборки на основе этих материалов.
Микросборка представляет собой часть схемы DC / DC‑преобразователя напряжения (рис. 1). Основное требование к ее корпусу – обеспечить отвод тепла, выделяемого на полевых транзисторах (VT2 и VT3), каждый из которых рассеивает до 4 Вт мощности.
Условия работы микросборки и кристаллов транзисторов:
микросборка используется в условиях вакуума;
максимальная температура кристаллов не должна превышать 125 °C при работе изделия в условиях предельно допустимой температуры, составляющей 65 °C.
При отработке схемы применялись корпусные транзисторы в корпусе КТ‑94. Для микросборки использовались кристаллы транзисторов размером 5,6 × 5,0 мм и 7,33 × 7,31 мм, параметры которых приведены в табл. 1.
На текущем этапе развития производства в АО «ТЕСТПРИБОР» в качестве материала подложек можно использовать оксид алюминия с чистотой 99,5% или нитрид алюминия. Параметры материалов приведены в табл. 2. Толщина одного слоя керамики после обжига составляет 0,25 мм.
Рассмотрим, как отводится тепло от кристалла, смонтированного на керамической подложке из оксида алюминия и нитрида алюминия, при условии, что тепло с подложки может рассеиваться только с основания корпуса микросборки на корпус изделия, куда устанавливается микросборка.
Один из критериев определения достаточной площади для отвода тепла от кристалла – температура в установившемся режиме, которая не должна превышать 80–85 °C при температуре окружающей среды 20 °C.
Кристалл, размером 5,6 × 5,0 мм, установленный в центр керамической подложки на основе оксида алюминия, размером 80,0 × 80,0 мм, нагревается до температуры выше 140 °C (рис. 2). При этом тепло не рассеивается по площади подложки, что не соответствует требованиям. Аналогично и для второго кристалла, размером 7,33 × 7,31 мм.
Кристалл, размером 5,6 × 5,0 мм, установленный в центр керамической подложки из нитрида алюминия, размером 18,0 × 18,0 мм, нагревается до 80,4 °C, что соответствует требованиям (рис. 3). Расчет температуры второго кристалла, размером 7,33 × 7,31 мм, установленного на такую же подложку, показал результат 78,9 °C, что также обеспечивает выполнение требований задания.
На рис. 4 представлен расчет температуры кристаллов, установленных на керамическую подложку, размером 36,0 × 18,0 мм, при работе двух транзисторов одновременно. Максимальная температура нагрева кристалла не изменилась.
Исходя из полученных результатов был выбран корпус с габаритами 36,0 × 18,0 мм.
Одна из технологий, предлагаемых АО «ТЕСТПРИБОР», – производство изделий из высокотемпературной керамики (HTCC). Основное отличие высокотемпературной керамики от низкотемпературной (LTCC) – более высокая температура спекания слоев керамических плат: 1 500–1 600 °C (для LTCC – менее 1 000 °C).
Преимущества технологии HTCC:
● малые допуски на размеры – благодаря низкому коэффициенту теплового расширения обеспечивается повышенная стабильность размеров корпусов;
● коэффициент теплового расширения (КТР) высокотемпературной керамики достаточно близок к КТР кремния, что позволяет монтировать кристаллы непосредственно на керамическое основание;
● высокие диэлектрические и тепловые характеристики корпусов: в зависимости от используемой марки керамики электрическая прочность варьируется в пределах от 45 до 60 кВ / мм, тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) – от 0,006 до 0,021, а диэлектрическая проницаемость (ε) – от 6 до 10 в гигагерцовом диапазоне частот;
● возможность создания многослойных герметичных керамических плат: высокотемпературная керамика отличается плотной структурой, после спекания многослойные керамические модули становятся монолитными;
● хорошее заполнение переходных отверстий и линий металлизации в плате вольфрамовой или молибденовой пастой;
● высокая твердость используемых керамических материалов.
Гарантированные технологические возможности производства АО «ТЕСТПРИБОР» приведены на рис. 5. На основе указанных норм был разработан корпус. Поскольку площадь для отвода тепла под кристаллом довольно большая, плотность монтажа микросборки получилась относительно низкой.
Внешний вид разработанного корпуса и микросборки с установленными компонентами показаны на рис. 6 и 7 соответственно. Микросборка содержит четыре кристалла и 12 пассивных SMD‑компонентов. Преимущества микросборок (в том числе разработанной) состоят в том, что изделия занимают меньше места, имеют меньшую массу по сравнению со схемой, собранной из корпусных дискретных компонентов. Это важно для систем, предназначенных, например, для применения в космосе. Для более функциональных и крупных сборок применяют многоуровневое расположение компонентов, что позволяет упростить защиту отдельных элементов от радиации и уменьшить массу изделия по сравнению со сборкой с общим защитным экраном.
У АО «ТЕСТПРИБОР» есть возможность разработки и изготовления микросборок на многослойной керамике из Al2O3 и AlN по требованиям заказчика. Компания планирует продолжать совершенствовать производственные технологические процессы. ●
Отзывы читателей
