Конструкция платы для полупроводниковых приборов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЯ ПЛАТЫ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Соколов Юрий Валентинович Поболь Игорь Леонидович Паршуто Александр Александрович Томило Вячеслав Анатольевич Паршуто Александр Эрнстович Хлебцевич Всеволод Алексеевич Багаев Сергей Игоревич(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(57) 1. Конструкция платы для полупроводниковых приборов, включающей основание на основе алюминиевых сплавов с покрытием из диэлектрического материала и металлизированный токопроводящий слой, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрического материала на одной из поверхностей полуфабриката размещен инициирующий нанослой плотного оксида алюминия, на котором размещен макрослой пористого оксида алюминия,на котором размещен интерфейс-слой на основе оксидов переходных металлов тугоплавких или их сплавов, на котором расположен металлический инициирующий токопроводящий микрослой, на котором размещен металлический токопроводящий макрослой, при этом отношение переменной толщины Н инициирующего нанослоя плотного оксида алюминия к переменной толщинымакрослоя оксида пористого алюминия связано следующим отношением /0,00125-0,01. 2. Конструкция платы по п. 1, отличающаяся тем, что металлические токопроводящие инициирующий микрослой и макрослой выполнены преимущественно на основе золота, или серебра, или меди, или никеля, а интерфейс-слой на основе оксидов тугоплавких металлов выполнен преимущественно на основе оксидов вольфрама, или рения, или тантала.(56) 1. Политехнический словарь. - М., 1976. - С. 363. 2. Печатные платы. Вып. 3/2007. - С. 22-25. 3. Бронштейн И.Н. Справочник по математике. - М. Наука, 1981. - С. 253. 4. Технология электронной промышленности. Основы технологии и оборудование для поверхностного монтажа. - Вып. 3/2007. - С. 22-28. Полезная модель относится к области микроэлектроники, преимущественно к производству плат для полупроводниковых приборов, и может быть использована при изготовлении плат металлических для электронных приборов как по технологии поверхностного монтажа, так и для производства подложек для электронных компонентов приборов. Известна конструкция платы для полупроводниковых приборов, включающая подложку из диэлектрического материала, преимущественно на основе текстолита или гетинакса, на которой размещен металлический токопроводящий слой на основе меди 1. Достоинство конструкции известной платы состоит в отработанной технологии монтажа электронных компонентов в отверстия и пайке припоем бегущей волной. Недостаток известной платы проявляется при производстве печатных плат с наличием транзисторных приборов, работающих в условиях высоких температур, для отвода которых необходимы громоздкие радиаторы. Данная технология усложняет производство малогабаритных, миниатюрных радиоэлектронных изделий. В качестве прототипа принята конструкция платы для полупроводниковых приборов с металлическим основанием (ППМО, в международной классификации-) - это тип печатных плат, где в качестве основания используется металлическая пластина, на которую с помощью стеклоткани, пропитанной смолами(препрег), наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги. Платы ППМО применяют в изделиях, где имеют место повышенные локальные или распространенные по всей площади тепловые нагрузки. Такие явления встречаются в изделиях электронной техники светодиодной техники, силовой электроники, источников питания, автомобильной электроники 2. Положительный эффект от применения плат ППМО по сравнению с традиционными печатными платами заключается в следующем понижается рабочая температура тепловыделяющих электронных компонентов уменьшаются размеры печатной платы, повышаются механические свойства изделия уменьшаются размеры радиаторов, отпадает необходимость установки электронных компонентов на теплопроводящую пасту или прокладку, уменьшаются размеры печатной платы, повышаются механические свойства изделия. Материалы, используемые в платах ППМО. Медная фольга используется стандартная для производства печатных плат - медная фольга толщиной 35-356 мкм. Препрег - стеклоткань, пропитанная эпоксидными смолами. Наиболее распространенными материалами для металлического основания служат алюминий и медь. Хотя медь обладает лучшими теплопроводными свойствами, однако же алюминий является самым распространенным материалом для плат. Недостатки известной конструкции заключаются в низкой теплопроводности из-за использования диэлектрического материала типа стеклоткани, низкой экологии технологического процесса изготовления печатной платы в связи с использованием токсичных ингредиентов на основе эпоксидных смол и повышенной многодельности. Кроме того, наблюдается коробление платы в процессе изготовления, которое может произойти из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов основания и препрега. Чем толще металлическая пластина основания, тем больше возникает технологических проблем. 2 83802012.06.30 В основу полезной модели поставлена техническая задача повышения надежности за счет снижения температурного градиента в кристалле полупроводникового элемента и уменьшения трудозатрат производства плат. Поставленная задача достигается тем, что в конструкции платы для полупроводниковых приборов, включающей основание на основе алюминиевых сплавов с покрытием из диэлектрического материала и металлизированный токопроводящий слой, согласно полезной модели, в качестве диэлектрического материала на одной из поверхностей платы размещен инициирующий нанослой плотного оксида алюминия, на котором размещен макрослой пористого оксида алюминия, на котором размещен интерфейс-слой на основе оксидов переходных металлов тугоплавких или их сплавов, на котором расположен металлический инициирующий токопроводящий микрослой, на котором размещен металлический токопроводящий макрослой, при этом отношение переменной толщиныинициирующего нанослоя плотного оксида алюминия к переменной толщинымакрослоя оксида пористого алюминия связано следующим отношением /0,001250,01. В плате металлические токопроводящие инициирующий микрослой и макрослой выполнены преимущественно на основе золота, серебра, меди или никеля, а интерфейс-слой на основе оксидов тугоплавких металлов выполнен преимущественно на основе оксидов вольфрама, или рения, или тантала. Технический результат полезной модели проявляется в исключении коробления платы и улучшении экологии технологического процесса за счет совместимости коэффициентов температурного расширения материалов между инициирующим токопроводящим микрослоем и макрослоем пористого оксида алюминия. Полезная модель поясняется фигурой с изображенным на ней общим видом конструкции платы для полупроводниковых приборов. Конструкция платы для полупроводниковых приборов включает металлическое основание 1 преимущественно на основе алюминиевых сплавов с покрытием из диэлектрического материала 2, 3 и металлизированный токопроводящий слой 4, 5. Металлическое основание 1 выполнено из алюминиевых сплавов с высокой теплопроводностью, а в качестве диэлектрического материала на одной поверхности или на всей поверхности основания 1, для улучшения адгезии и диэлектрической проницаемости, размещен инициирующий нанослой 2 плотного оксида алюминия 23 толщиной 10-200 нм, на котором размещен макрослой 3 пористого оксида алюминия 23 толщиной 20-80 мкм. На макрослое 3 пористого оксида алюминия для улучшения химической совместимости слоев 3 и 4, 5 размещен интерфейс-слой 6 на основе оксидов переходных металлов тугоплавких группы 6, выполненный преимущественно на основе оксидов вольфрама, или рения, или титана, на котором для улучшения адгезии расположен металлический инициирующий токопроводящий микрослой 4 (1,0-15 мкм), на котором размещен металлический токопроводящий макрослой 5 (15-40 мкм), например, на основе меди. Отношение переменной толщиныплотного барьерного инициирующего нанослоя 2 оксида алюминия к переменной толщиныпористого макрослоя 3 оксида алюминия связано следующим отношением /(10-200) нм/(20-80) мкм. Согласно аксиоме порядка о транзистивности нескольких переменных 3, отношение/ выводится следующим путем переменная толщиныинициирующего барьерного нанослоя 2 плотного оксида алюминия переменная толщиныпористого макрослоя 3 оксида алюминия /(0,01-0,2) мкм/(20-80) мкм. Нижнее значение отношения определяет неравенство(0,01/800,2/80)(0,001250,0025). Верхнее значение отношения определяет неравенство(0,2/200,2/80)(0,010,0025). Следовательно, отношение /0,001250,01. Указанное соотношение выявлено в результате натурных исследований и графоаналитических расчетов. 3 83802012.06.30 В плате токопроводящие микрослой 4 и макрослой 5 могут быть выполнены преимущественно на основе золота, серебра, традиционной меди или никеля, в зависимости от технических условий, предъявляемых к применению электронного прибора. Для улучшения химической совместимости и совместимости коэффициентов температурного расширения материалов между инициирующим токопроводящим микрослоем 4 и макрослоем 3 пористого оксида алюминия на последнем размещен интерфейс-слой 6 на основе оксидов переходных металлов тугоплавких группы 6, выполненный преимущественно на основе оксидов вольфрама, или рения, или титана, в зависимости от технологических и экономических требований к полупроводниковому прибору. Пример. Инициирующий нанослой 2 плотного оксида алюминия и макрослой 3 пористого оксида алюминия наносили на основание 1 из алюминия путем оксидирования алюминиевых заготовок методом ВВЭО (высоковольтное электрохимическое оксидирование) в щавелевом кислом электролите плотностью тока 1,5 А/дм 2 и временем обработки 40-80 мин,толщина оксидной пленки составляет 40-80 мкм. Толщина плотного оксида (барьерный слой) 10200 нм, толщина пористого слоя до 80 мкм. Диэлектрическая проницаемость 9,5-10 оксида алюминия 23. Основные свойства вентильных металлов и их анодных оксидных пленок Металл Алюминий Тантал Ниобий Титан Способ ВВЭО позволяет получить пленки стабильного аморфного оксида алюминия 23 при напряжениях свыше 500 В. Скорость роста пленки оксида при этом составила 1-1,5 мкм/мин, рабочая температура до 20 С. Наиболее плотные пленки оксида алюминия были получены при температуре ниже 10 С. Повышенное напряжение формирования оксидной пленки приводит к уменьшению размера и числа пор в покрытии, что позволяет достигнуть коэффициента теплопроводности оксида до 3,4 Вт/мК, а общей теплопроводности заготовки - 120 Вт/мК. Шероховатость образцов алюминия сплава 5052 после химической полировки и анодирования 0,433 мкм, микротвердость 6,5-7,5 ГПа. На макрослое 3 пористого оксида алюминия 23 расположен интерфейс-слой 6(0,5-15 мкм) выполненный, например, на основе оксидов вольфрама, на котором размещен металлический, инициирующий токопроводящий микрослой 4 (1,0-15 мкм), выполненный, например, способом вакуумного магнетронного напыления, на котором размещен металлический токопроводящий макрослой 5 (15-40 мкм), например, на основе меди. Новый конструктив платы металлической позволяет широко применять ее в качестве подложки для компонентов электронных приборов. При производстве электронных приборов качественно упрощается технология изготовления поверхностного монтажа электронных компонентов на печатных платах и способов конструирования печатных узлов. Технологию поверхностного монтажа печатных плат называют ТМП (технология монтажа на поверхность), и -технология (от- прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день способом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах 4. Основным ее отличием от традиционной технологии - монтажа в отверстия - является то, что компоненты монтируют на поверхность печатной платы без отверстий. 4 83802012.06.30 Преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов. Электронные компоненты проектируют таким образом, чтобы уменьшить контактные площадки или выводы, которые бы паялись непосредственно к поверхности печатной платы. В сравнении с традиционными, платы новой конструкции при печати для поверхностного монтажа имеют повышенную плотность размещения электронных элементов,обладают меньшими расстояниями между проводниковыми элементами и контактными площадками. Компоненты поверхностного монтажа имеют небольшой вес и размер. Технология поверхностного монтажа зарекомендовала себя в повышении автоматизации производства, уменьшении трудоемкости и увеличении продуктивности. Компоненты поверхностного монтажа могут быть в 4-10 раз меньше и на 25-50 дешевле, чем аналогичные компоненты для монтажа в отверстия. Платы новой конструкции обеспечивают снижение массы и размеров печатных узлов за счет отсутствия выводов у компонентов или их меньшей длины, а также увеличения плотности компоновки и трассировки, уменьшения размеров самой элементной базы и уменьшения шага выводов. Плотность компоновки и выводов в данной технологии удается увеличить, в частности, за счет отсутствия необходимости в поясках контактных площадок вокруг отверстий. Алюминиевое основание новой конструкции металлической платы существенно снижает тепловую нагрузку на электронные элементы, что приводит к значительному повышению надежности работы электронных компонентов, например таких, как мощные элементы устройств СВЧ, транзисторы и тиристоры в мощных импульсных высокочастотных источниках питания, светодиодные лампы и т.п. Улучшение электрических характеристик за счет уменьшения длины выводов и более плотной компоновки значительно улучшается качество передачи слабых и высокочастотных сигналов, снижается паразитная емкость и индуктивность. Лучшая ремонтопригодность, поскольку упрощается очистка контактных поверхностей от припоя и отсутствует необходимость в прогреве припоя внутри металлизированного отверстия. Возможность размещения деталей на обеих сторонах платы. Меньшее число технологических отверстий, которое необходимо выполнить в плате. Улучшение технологичности, в сравнении с монтажом в отверстия процесс легче поддается автоматизации. Существенное снижение себестоимости серийных изделий. Промышленное освоение объекта подготовлено в условиях НАН Беларуси и БНТУ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5