СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2016

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2016 Разработка теплопроводящих керамических дисков для СВЧ-транзисторов и силовых полупроводниковых модулей Эффективность и технические характеристики современных систем связи СВЧ-диапазона зависят от используемых в них СВЧ-транзисторов. В свою очередь параметры и надёжность этих приборов зависят от диэлектрических свойств и теплопроводности конструктивных элементов, отводящих тепло. Наиболее популярным способом изготовления конструктивных элементов для СВЧ-транзисторов является осевое прессование из алюмонитридной керамики с последующим покрытием различными металлами. Юрий Непочатов, Иван Красный, Артём Абраамян, Антон Бандин, Анастасия Денисова (г. Новосибирск), Александр Дитц (г. Томск) В ВЕДЕНИЕ Растущий спрос на надёжные сило- вые полупроводниковые модули высо- кой мощности с приемлемой стои- мостью обусловлен развитием рын- ка силовых преобразовательных устройств: приводов, систем управле- ния энергопотреблением, источников бесперебойного питания, импульс- ных источников питания и электри- ческих транспортных средств. Одним из основных элементов конструкции силового модуля является керамиче- ский теплоотвод, на котором распо- ложены силовые полупроводниковые кристаллы. Керамический теплоотвод выполняет две основные функции: ● осуществляет электрическую изоля- цию между токоведущими шинами топологического рисунка и радиа- тором; ● передаёт тепло, выделяемое активны- ми силовыми полупроводниковыми кристаллами (диодами, транзистора- ми и тиристорами), на теплоотводы и радиаторы. Важнейший элемент практически любого транзистора – его корпус. Он должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к конструкции прибо- ра, его назначению, стойкости к воз- действию внешних факторов, в том числе и специфических, и иным тре- бованиям надёжности. Кроме того, корпус должен быть устойчив к тех- нологическим режимам сборки тран- зистора. Как правило, корпус мощно- го СВЧ-транзистора содержит метал- лический теплоотводящий фланец, на котором размещён изолятор из мно- гослойной алюмооксидной керамики с присоединёнными к нему плоски- ми внешними выводами и теплоот- вод из диэлектрического материа- ла с высокой теплопроводностью [1]. Все детали соединяются высокотем- пературной пайкой серебром или эвтектическим припоем серебро- медь. Кремниевые кристаллы с тран- зисторными структурами монтируют на металлизированную поверхность теплоотвода. Корпус герметич- но закрыт керамической крышкой с помощью клея или припоя. Фланец может выполняться из меди, псевдо- сплава молибдена с медью, вольфра- ма с медью и т.п. Традиционный материал тепло- отвода – керамика из оксида берил- лия (ВеО), характеризуется малыми диэлектрическими потерями в СВЧ- диапазоне и высокой теплопроводно- стью. Единственный производитель изделий из бериллиевой керамики на постсоветском пространстве – это ТОО «КазМетизПром», который нахо- дится в г. Усть-Каменогорске (Респу- блика Казахстан). Производствен- ные мощности ТОО «КазМетизПром» не в состоянии удовлетворить требо- вания потребителей ни по объёмам, ни по уровню качества продукции, к тому же цены на изделия из BeO достаточ- но высоки. В России отсутствуют пред- приятия, способные выпускать изде- лия из бериллиевой керамики. Ввод в действие новых производственных мощностей в России, ориентирован- ных на выпуск бериллиевой керами- ки и деталей из неё, не планируется. Кроме того, производство керамики из ВеО чрезвычайно токсично, что требу- ет разработки особых мер для безопас- ной работы персонала. Существенным недостатком оксида бериллия являет- ся значительное снижение величины теплопроводности с ростом темпе- ратуры [2]. Разработчики и предприятия-изго- товители мощных СВЧ-транзисторов и силовых модулей уже длительное время ищут экологически чистые мате- риалы с требуемыми диэлектрически- ми свойствами и теплопроводностью, альтернативные керамике из ВеО. С этой целью велись работы по полу- чению керамики на основе алмазов, исследовалась возможность приме- нения сфалеритоподобного нитрида бора [3]. По ряду объективных причин (алмазная керамика пористая и недо- статочно теплопроводная, а из нитри- да бора, отличающегося очень высо- кой твёрдостью, не удалось получить изделия заданной формы и размеров) такие материалы не нашли примене- ния при производстве корпусов для транзисторов и в конструкциях сило- вых модулей. Сейчас наиболее пер- спективными материалами для тепло- отводов в корпусах СВЧ-транзисторов представляются высокотеплопро- водные поликристаллический алмаз (полиалмаз) и керамика на основе нитрида алюминия (АlN). Достоинствами керамики из нитри- да алюминия являются: ● высокая электрическая прочность: 15–20 кВ/мм; ● высокая теплопроводность: 180– 240 Вт/м × К; ● высокое удельное сопротивление: 2 × 10 12 Ом ⋅ см; ● высокая плотность: 3,2–3,3 г/см 3 ; ● низкие диэлектрические потери: при частоте электрического тока 1 МГц и температуре 25°С коэф- фициент диэлектрических потерь равен 5 × 10 –4 ; ● низкий температурный коэффици- ент линейного расширения (ТКЛР): 4,8 × 10 –6 K –1 .