Современная электроника №5/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2020 соединения деталей из этих материа- лов с низкими внутренними напряже- ниями. ПринанесениинаподложкиизAlNсло- ёвTi-Pd-Au, NiСr-Рd-АuиTi 2 N-NiСr-Рd-Аu методами магнетронного напыления или ионного распыления обеспечива- ется их высокая адгезия к подложке [8]. Постановка задачи С учётом резкого увеличения мощ- ности современных полупроводни- ковых приборов в мощных ГИС СВЧ отвод тепла от активной области при- бора становится одной из важнейших проблем. В связи с этим в последнее время всё более пристальное внима- ние разработчиков ГИС и МИС СВЧ обращается на поликристалличе- ский алмаз, выращиваемый в плаз- мохимическом реакторе на основе СВЧ-разряда на подложке из крем- ния методом CVD (CVD – Сhemical Vapor Deposition – химическое осаж- дение из газовой фазы). Интерес к это- му материалу вызван его уникальны- ми физико-химическими свойствами и возможностью получения теплоот- водящих подложек большой площа- ди. Будучи изолятором, CVD-алмаз обладает существенно более высокой теплопроводностью, чем другие мате- риалы с изолирующими свойствами (см. табл.1). Использование алмазных подложек в качестве изолирующего теплоотвода позволяет поднять мощ- ностные характеристики приборов за счёт уменьшения теплового сопротив- ления и увеличения предельного тока и рассеиваемой мощности в 1,5–2 раза. Целесообразность использования алмаза в качестве теплоотвода для полу- проводниковых приборов обсуждалась в зарубежной технической литературе в начале 70-х годов. Однако с появле- нием в промышленности высокотепло- проводной бериллиевой керамики этот вопрос был забыт. В последние годы к нему снова вернулись в связи с миниа- тюризацией и повышением мощности полупроводниковых приборов. Алмаз – дорогой материал, но на высокую сто- имость аппаратуры для военных и космических целей его применение не оказывает существенного влияния. Обладая превосходной изоляционной способностью, он имеет теплопрово- дность в 8 раз выше, чем у бериллиевой керамики, и в 4 раза выше, чем у чистой меди. В роли теплоотвода алмаз позво- ляет существенно снизить температуру основания (фланца) полупроводнико- вого прибора, что приводит к умень- шению температуры р-n-перехода, благоприятно влияя на надёжность и долговечность прибора. Чтобы обе- спечить требуемую для космических применений высокую надёжность аппаратуры, в которой для мощных транзисторов используются теплоот- воды из ВеО, приходилось «смягчать» режим работы транзисторов прибли- зительно на 20%, ухудшая при этом экс- плуатационные свойства аппарату- ры. Обозначенные проблемы решали путём усложнения схемы и применения тепловых труб. Качественный выигрыш от применения алмазных теплоотводов для одного из типов мощных транзи- сторов представлен в таблице 3 [9]. В последнее время внимание раз- работчиков всё больше привлекают транзисторы на основе нитрида гал- лия (GaN), способные работать при высоких температурах и на более высоких частотах, чем кремниевые и арсенидгаллиевые приборы. Мощ- ность GaN-транзисторов компании Nitronex (США) достигает 50 Вт на частоте 2,5 ГГц, транзисторов фирмы Eudina (Япония) – 180 Вт на частотах 2,11–2,17 ГГц [10]. Появились сообще- ния о формировании GaN-структур на тонких подложках из полиалмаза [6]. Реализация уникальных свойств таких структур (большие уровни Таблица 1. Значения теплопроводности материалов, используемых в ГИС и МИС СВЧ Материал Теплопроводность, Вт /м•К Примечание Алмаз 2000–2200 Диэлектрик, высокая стоимость, трудно полируется BN 1300 Диэлектрик, высокая стоимость, трудно полируется SiC 380–490 Полупроводник, высокая стоимость SiC+алмаз (скелетон) 380–600 Диэлектрик, трудно полируется Si 140–150 Полупроводник GaAs 46–50 Полупроводник GaN 130 Полупроводник BeO 240–280 Диэлектрик, высокая токсичность AlN 160–240 Диэлектрик Al 2 O 3 20–40 Диэлектрик Сu 380–400 Проводник Al 180–220 Проводник 250 200 150 100 50 0 0 100 Теплопроводность, Вт/м ⋅ К ВК-96, ВК-100, 24 Вт/м ⋅ К AIN, 140 Вт/м ⋅ К AIN, 200 Вт/м ⋅ К BeO, 250 Вт/м ⋅ К 200 Температура, q С 300 400 500 Рис. 1. Сравнительные характеристики теплопроводности керамических материалов Таблица 3. Расчётная зависимость температуры р-n-перехода Т p–n транзисторов от температуры их фланцев Т ф и влияние её на среднее время безотказной работы транзисторов t Т ф , °C Теплоотвод из ВеО Теплоотвод из алмаза Т p-n , °C t, годы Т p-n , °C t, годы 50 106 28,1 87 100,0 60 120 9,7 102 35,0 70 138 3,5 116 13,6 Таблица 2. Свойства подложек из AlN, Аl 2 О 3 и ВеО Свойства Материал AlN 92% Al 2 O 3 99% Al 2 O 3 BeO Теплопроводность, Вт/м•К 180 17 25 260 Коэффициент термического расширения в диапазоне +20...+400°C, 10 –6 1/°C 4,3 6,5 6,8 7,5 Удельное электросопротивление, Ом•см 15 × 10 13 Более 10 13 Диэлектрическая проницаемость при 1 МГц при 10 МГц 8,9 8,5 9,7 6,7 8,0 8,9 (для 96% Al 2 O 3 ) 6,6 Диэлектрические потери, ( × 10 4 ) при 1 МГц при 10 МГц 5 3 2 1 20 6 (для 96% Al 2 O 3 ) 3 Прочность на изгиб, кгс/см 2 5000 3200 3100 2500 Твёрдость по Виккерсу, кгс/см 2 1200 2300–2700 1200