СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2014 Технологии изготовления плат для высокомощных силовых полупроводниковых устройств Часть 1 Одна из самых острых проблем современной электроники заключается в разработке эффективных методов и технологий отвода тепла от радиоэлементов, расположенных на печатной плате, так как несвоевременный отвод тепла приводит к их быстрому перегреву и выходу из строя. Особенно остро эта проблема стоит перед разработчиками силовых полупроводниковых устройств (СПУ), элементы которых работают при огромных мощностях и в экстремальных климатических условиях, что ухудшает характеристики полупроводниковых приборов. Иван Красный, Юрий Непочатов, Светлана Кумачёва, Юлия Швецова (г. Новосибирск) Основными направлениями повы- шения эффективности теплоотвода от радиоэлементов являются исполь- зование конструкционных материалов с максимальной теплопроводностью и повышение эффективности радиато- ров за счёт оптимизации их конструк- ции. Высокая потребность в недорогих силовых полупроводниковых устрой- ствах (СПУ) высокой мощности и высо- кого качества в различных сферах жиз- ни, таких, как системы управления энергопотреблением, источники беспе- ребойного питания, импульсные источ- ники питания, электротранспорт (поез- да, электровозы, троллейбусы), систе- мы автономного энергообеспечения (космические и авиационные систе- мы), стимулирует поиск новых техно- логических решений. Чтобы эффективно отводить тепло от активных элементов для предотвраще- ния их перегрева, материалы, исполь- зуемые в силовых полупроводниковых устройствах, должны обладать высокой теплопроводностью. Поэтому в каче- стве проводников в СПУ часто исполь- зуют такие металлы, как медь, алюми- ний, серебро и золото особо высо- кой чистоты. Их проводимость выше и выделение тепла на самом проводни- ке при прохождении через него тока минимально (см. таблицу 1). Наряду с металлами используют- ся и диэлектрики. Из диэлектриче- ских материалов наиболее подхо- дящими являются различные виды керамики на основе оксида алюми- ния (Al 2 O 3 ), нитрида алюминия (AlN), окиси бериллия (BeO), карбида крем- ния (SiC) и нитрида кремния (Si 3 N 4 ) (см. таблицу 2). Использование керами- ческой подложки на основе оксида алю- миния или нитрида алюминия в каче- стве основы печатной платы вместо привычного стеклотекстолита позво- ляет качественно изолировать токо- ведущие шины и при этом эффектив- но отводить тепло от активных радио- элементов. Примечательно, что за счёт использования керамики значительно повышаются электромеханические ха- рактеристики готовой платы. Самым эффективным сочетанием материалов «проводник–диэлектрик» с учётом параметров «цена–техноло- гичность» для производства печат- ных плат высокомощной электрони- ки является металлизированная медью алюмонитридная керамика, а для менее мощных СПУ – алюмооксидная. На сегодняшний день платы из таких мате- риалов широко используются многи- ми производителями силовой электро- ники. Это позволяет им разрабатывать устройства, обладающие наивысшими характеристиками, что, несомненно, отражается на спросе и популярности выпускаемых изделий. На данный момент в России есть предприятия, обладающие техноло- гиями производства печатных плат для устройств средней мощности, но нет предприятий, которые бы серий- Таблица 1. Физические параметры некоторых металлов Наименование металла Коэффициент теплопроводности (Вт/м ⋅ К) Удельное сопротивление (10 –6 Ом ⋅ см) ТКЛР (10 –6 × °С –1 до 1000°С) Плотность (г/см 3 ) Медь 384–410 1,72 16,8 8,94 Алюминий 204–237 2,60 22,2 2,71 Серебро 430–458 1,37 19,5 10,50 Золото 312–320 2,25 14,2 19,30 Вольфрам 125–185 5,5 5,2 19,32 Молибден 118–143 5,4 5,5 10,20 Магний 154–157 4,4 26 1,73 Цинк 103–118 5,9 30 7,13 Иридий 132–147 4,7 6,5 22,65 Никель 68–110 8,7 13,7 8,90 Таблица 2. Физические параметры некоторых керамических материалов Диэлектрический материал Коэффициент теплопроводности (Вт/м ⋅ К) Напряжение пробоя (кВ/мм) ТКЛР (10 –6 × °С –1 до 1000°С) Плотность (г/см 3 ) Алюмооксидная керамика (Al 2 O 3 ) 25–30 17 8 3,96 Алюмонитридная керамика (AlN) 180–240 25 4,5 3,30 Бериллиевая керамика (BeO) 219 25 5 2,85 Карбид кремния (SiC) 90–120 – 4,1 3,21 Нитрид кремния (Si 3 N 4 ) 60–90 20 2,5 3,20