Современная электроника №1/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2020 Использование углеродных нанотрубок для отвода тепла от элементов интегральных схем Статья посвящена использованию механических и тепловых свойств углеродных нанотрубок для отвода тепла от мощных элементов гибридных интегральных схем (ГИС). В ней рассматриваются нанотрубочные структуры, состоящие из пластины, выполненной из керамики на основе нитрида алюминия, с выращенным на её поверхностях слоем вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ), обладающих высокой теплопроводностью вдоль своей вертикальной оси, пропитанных кремнием с образованием карбида кремния на поверхностях УНТ и с нанесённым поверх пропитанных УНТ слоем металлизации. Полученные структуры предназначены для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении мощных интегральных микросхем и силовых полупроводниковых приборов, позволяют снизить тепловое сопротивление, повысить кондуктивную теплопроводность структуры и эффективность отвода тепла от тепловыделяющего активного элемента к теплосъёмнику. Юрий Непочатов (nuk3d@mail.ru ) , Дмитрий Городецкий, Александр Окотруб (г. Новосибирск) В ВЕДЕНИЕ Актуальность создания высокотепло- проводящих материалов для теплона- груженных элементов конструкций электронных приборов и интеграль- ных схем, способных работать при высокой температуре, обусловлена созданием нового поколения высо- копроизводительных микропроцессо- ров и силовых приборов повышен- ной мощности. Большое количество как зарубежных, так и отечественных работ в настоящее время посвящено разработкам композиционных мате- риалов, предназначенных для изго- товления на их основе конструкций для отвода тепла от теплонапряжён- ных элементов интегральных схем и участков электронных устройств. Постоянное увеличение плотности размещения транзисторов на чипах ведет к обострению связанной с этим проблемы теплоотвода, являющейся одной из важнейших при разработке ГИС и устройств повышенной мощ- ности. Активные элементы электронных устройств и интегральных схем явля- ются источниками тепла. Для обеспече- ния надёжной работы таких устройств необходимо поддерживать устойчи- вые рабочие условия и температуру. Это достигается за счёт использования устройств отвода тепла, на которых рас- положены источники тепла. Одним из важнейших моментов при создании и изготовлении мощных интегральных схем и приборов явля- ется разработка конструкции, обеспе- чивающей наилучший отвод тепла от наиболее нагреваемых частей микро- схем и приборов. Как правило, это р-n-переходы, расположенные в объ- ёме активных элементов, например в виде мощных кристаллов интеграль- ных схем, силовых модулей и СВЧ- транзисторов. Основными параметрами, от кото- рых зависит охлаждение, являются: геометрия компонентов, коэффици- енты теплопроводности используе- мых материалов и значения тепло- вых сопротивлений на границах раз- дела контактируемых поверхностей. В устройствах будущих поколений плотность мощности, которую необ- ходимо будет рассеивать, составит порядка 100 Вт/см 2 и более. Отсюда очевидна потребность в разработке новых методов охлаждения и приме- нения новых материалов, позволя- ющих более эффективно отводить тепло. Для оптимальной эффектив- ности необходимо, чтобы теплоот- воды имели максимально возможную теплопроводность, хороший тепло- вой контакт как с источником тепла, так и с его приёмником в виде кор- пусов и радиаторов. Для достижения этих целей в устройствах используют- ся материалы с высокой теплопрово- дностью. В последние годы для этих целей разрабатываются новые материалы с повышенной теплопроводностью на основе карбида кремния с добавкой алмазных порошков [1]. Из металлов к числу материалов с высокой теплопроводностью относят- ся алюминий (180...220 Вт/м·К) и медь (370...410 Вт/м·К), а из диэлектриков лучшей теплопроводностью облада- ют нитрид алюминия (180...240 Вт/м·К) и окись бериллия (200...260 Вт/м·К). В работе [2] описывается устройство для отвода тепла в виде пластины из анизо- тропного углерода, заключённого в гер- метизирующий изоляционный матери- ал, нанесённый непосредственно на анизотропный углерод, причём анизо- тропный углерод является пирографи- том, который имеет теплопроводность в одной плоскости в пределах от 1550 до 1850 Вт/м·К, а в другой – от 300 до 420 Вт/м·К. Для образования электриче- ских контактов на поверхности анизо- тропного углерода с герметизирующим изоляционным материалом наносят покрытия из металлов для размещения электрических устройств. Недостатком теплоотводящего устройства является низкая механическая прочность ани- зотропного углерода, сложность меха- нической обработки тонких пластин из него. Нанесённые органические покры- тия ограничивают способыметаллиза- ции конструкции из-за невозможности нагрева выше +300 о С. Разновидностью графита являют- ся углеродные нанотрубки, которые представляют собой протяжённые структуры, состоящие из свернутых в однослойную (ОСНТ) или многослой- ную (МСНТ) трубку графитовых сло- ев. Наименьший диаметр нанотрубки – 0,714 нм, что соответствует диаме- тру молекулы фуллерена С 60 . Расстоя- ние между слоями практически всегда составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в графите. Длина таких образований достигает десятков микрон и на несколько поряд- ков превышает их диаметр. Основные свойства нанотрубок: малые размеры,