Возможности LTCC-технологии для уменьшения теплового сопротивления мощных высоконадежных КИМП

В практике производства высоконадежной элементной базы существует направление создания комплектующих изделий межведомственного применения (КИМП), максимально приближенных по габаритно-присоединительным размерам к аналогам, выпускаемым в пластмассовом исполнении (рис. 1, 2). Это диктует необходимость использования уже созданной архитектуры построения аппаратуры, что можно проследить практически у всех производителей элементной базы, в частности, у фирмы International Rectifier (IR). Аналогичные работы проводятся и отечественными предприятиями [1] (рис.3, 4).

Рис. 1. Корпуса массовых КИМП в пластмассовом исполнении

Рис. 2. Металлокерамические и металлостеклянные корпуса высоконадежных КИМП

Рис. 3. Металлокерамические корпуса производства ОАО «ДЗРД» (г. Донской)

Рис. 4. Металлокерамические корпуса производства ОАО «Завод Марс» (г. Торжок)

Использование вакуумплотной керамики в качестве конструкционного материала платы требует применения в комплектующих корпусов (выводная рамка, радиатор, ободок, крышка) специальных сплавов, КТЛР (коэффициент термического линейного расширения) которых максимально близок к такому параметру керамики. Это могут быть медь, плакированная сплавом 29НК (42Н), псевдосплавы МД40 или ВД30. Отличительная особенность этих материалов — значительно меньшая теплопроводность по сравнению с медью (390 Вт/м·К), используемой в КИМП в пластмассовых корпусах. Основные характеристики таких материалов представлены в таблице 1.

Таким образом, замена меди на традиционные для металлокерамических корпусов сплавы в качестве металлокомплектующих приводит к увеличению теплового сопротивления (R_t) более чем на порядок при применении плакированных материалов ФМФ или КМК и на 30–40% при использовании псевдосплавов МД-40, ВД30.

Следует отметить, что типовая конструкция металлокерамических корпусов ТО (рис. 5, таблица 2) и SMD для силовых полупроводниковых приборов [2, 3] имеет более 10 конструкционных элементов, а сборка/пайка требуют значительных трудозатрат и не позволяют автоматизировать процесс.

Рис. 5. Конструкция металлокерамического корпуса ТО (КТ43)

Для снижения R_t в таких конструкциях применяются теплорастекатели (рис. 6), что усложняет конструкцию корпуса и приводит к снижению процента выхода годных.

Рис. 6. Корпус SMD с теплорастекателем (1 — теплорассекатель)

Таким образом, стандартные конструкции высоконадежных корпусов мощных КИМП в принципе не могут соперничать по величине R_t с аналогами в пластмассовых корпусах. Для углубленного понимания развития этого направления следует сделать небольшое отступление, описывающее процесс теплопередачи в КИМП.

C точки зрения тепловых процессов, силовые КИМП могут функционировать, если предусмотрен эффективный отвод тепла через многослойную структуру к охлаждаемой воздухом наружной поверхности корпуса [4]. Основой фактор, обеспечивающий максимальную производительность полупроводниковых приборов, — эффективность передачи тепла от поверхности к воздуху, характеризуемая R_t. Чем оно ниже, тем лучше отвод тепла. На практике распределение тепла внутри устройства никогда не бывает равномерным. Всегда существуют так называемые «горячие» точки. Например, если источник тепла — кристалл тиристора (транзистора) или выпрямительная диодная сборка, передача тепла от них осуществляется по конусообразному каналу (конической тепловой трубе) аналогично тому, как распространяются звуковые волны или свет. Однако, поскольку источники тепла имеют определенные размеры и конфигурацию, точный конус не образуется. Передача тепла, например, от кристалла в окружающий воздух определяется толщиной слоев и R_t материалов, а также площадью их касания (чем она больше, тем большее количество тепла может быть передано). Часто недостаточное внимание уделяется тому факту, что неблагоприятный эффект от воздействия высокого R_t увеличивается по мере приближения к источнику тепла. Тогда, чем дальше от источника тепла находится слой материала, тем шире в этом месте конус тепловой трубы, и, следовательно, снижается влияние R_t данного материала. Это означает, что даже самый хороший теплоотвод с вентиляцией не обеспечит охлаждения кристалла, если переходы «кристалл–корпус» и «корпус–теплоотвод» имеют неоправданно высокое R_t.

R_t — характерная величина для каждого типа прибора, она зависит от площади полупроводниковых кристаллов, от площади, толщины и типа материалов между чипами и основанием, от технологического процесса и качества изготовления. R_t связывает предельные электрические возможности по передаче мощности с тепловыми ограничениями.

Рис. 7. Цепочка тепловых сопротивлений КИМП

R_t — это сумма тепловых сопротивлений материалов на пути отвода тепла от кристалла. Цепочка R_t на рис. 7 отображает типичный путь отвода тепла от мощного полупроводникового прибора.

Полное R_t сложной системы, например многослойной тепловой изоляции, равно сумме R_t ее частей. Общая формула:

где: R_t — тепловое сопротивление на участке тепловой цепи, K/Вт; T₂ — температура начала участка, K; T₁ — температура конца участка, K; P — тепловой поток, протекающий через участок цепи, Вт.

где l — длина участка, м; λ — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К); S  — площадь поперечного сечения участка, м².

Варианты снижения R_t корпусов мощных КИМП:

• максимальное использование материалов с высокой теплопроводностью;
• для материалов с низкой теплопроводностью — обеспечение технологической возможности изготовления слоев минимальной толщины.

Ряд предприятий проявляют повышенный интерес к керамическим структурам LTCC, отличающимся от НТСС-структур более низкими издержками при их производстве и использованием для формирования в конструкции плоскостных и межслойных проводников и теплостоков высоко электро- и теплопроводных материалов (паст на основе Ag, Au). Отличительная особенность создания LTCC-структур — наличие апробированных прикладных программ, позволяющих проводить расчеты тепловых параметров КИМП и их моделирование на стадиях разработки.

Представленная на рис. 8 типовая конструкция LTCC-структуры реализуется при использовании для ее производства оборудования фирмы Keko-equipment и керамических листов, проводниковых и резистивных паст фирмы Ferro.

Рис. 8. Типовая конструкция LTCC-структуры

Сравнение расчетной оценки R_t корпуса ТО (КТ43) с изолированной монтажной площадкой (МП) типовой конструкции (рис. 9) и изготовленного по LTCC-технологии (рис. 10) приведено в таблицах 3, 4.

Рис. 9. Типовая конструкция корпуса КТ43 с высокотеплопроводящей изолирующей пластиной на монтажной площадке (МП)

Таблица 3. Результаты расчетов для корпуса типа КТ43

Материал слоя	Толщина (l) слоя, м	Коэффициент теплопроводности слоя λ, Вт/м·К	Площадь. поперечного сечения слоя S, м2	Rt, К/Вт	Количество элементов слоя, шт.	Общее Rt слоя, К/Вт
Обязательные элементы конструкции корпуса
Радиатор, сплав МД40	0,0015	250	0,0001	0,0600	1	0,0600
Припой на основе серебра для пайки радиатора к плате	0,000075	340	0,0001	0,0022	1	0,0022
					Итого:	0,0622
Элементы конструкции LTCC-корпуса
Керамический слой (а) толщиной 5 мкм	0,000005	4	0,0001	0,0125	1	0,0125
Керамический слой (б) толщиной 400 мкм	0,0004	4	0,000043	2,3103	1	2,3103
Металлизационный слой пасты (столбики диаметром 0,5 мм) на основе серебра высотой 400 мкм	0,0004	350	0,000057	0,0202	289	0,0202
				Итого	при 5-мкм керамическом слое (а)	0,0325

Примечание: Теплопроводность пасты на основе серебра принята равной 70% от значения чистого металла.

Рис. 10. LTCC-корпус КТ43 с изолированной металлизированной керамической МП (ссылки размеров «а», «б» в таблицах 2–7)

Таблица 4. Элементы конструкции НТСС-корпуса типа КТ43 с высокотеплопроводящей изолирующей пластиной на МП

Материал слоя	Толщина (l) слоя, м	Коэффициент теплопроводности слоя λ, Вт/м·К	Площадь поперечного сечения слоя S, м2	Rt, К/Вт	Количество элементов слоя, шт.	Общее Rt слоя, К/Вт
Радиатор, сплав МД40	0,0015	250	0,0001	0,06	1	0,06
Припой на основе серебра для пайки радиатора к пластине	0,000075	340	0,0001	0,0022	1	0,0022
Металлизированная пластина из AlN	0,0004	160	0,0001	0,0250	1	0,0250
Металлизированная пластина из полиалмаза	0,0004	1000	0,0001	0,0040	1	0,0040
				Итого	с 400-мкм AlN-пластиной (с)	0,0872
					с 400-мкм пластиной из полиалмаза (с)	0,0662
Суммарное Rt корпуса типа КТ43 (изолированная МП)
Конструкция LTCC-корпуса типа КТ43 с металлизированной керамической МП
				Итого	при 5-мкм керамическом слое (а)	0,0947
Конструкция НТСС-корпуса типа КТ43 с высокотеплопроводящей изолирующей пластиной на МП
				Итого	с 400-мкм AlN-пластиной (с)	0,0872
					с 400-мкм пластиной из полиалмаза (с)	0,0662

Сравнение расчетной оценки R_t для корпуса типа SMD (цепи «МП (10×10 мм)–внешняя среда») приведено в таблицах 5, 6.

Таблица 5. Расчеты для корпуса SMD

Материал слоя	Толщина (l) слоя, м	Коэффициент теплопроводности слоя λ, Вт/м·К	Площадь. поперечного сечения слоя S, м2	Rt, К/Вт	Количество элементов слоя, шт.	Общее Rt слоя, К/Вт
Существующая конструкция НТСС-корпусов типа SMD	0,0015	250	0,0001	0,06	1	0,06
Дно большое, КМК	0,0005	34,6	0,0001	0,1445	1	0,1445
					Итого	0,1445
Конструкция LTCC-корпусов SMD с металлизированной керамической МП
Керамический слой (в) толщиной 500 мкм	0,0005	4	0,000043	2,8879	1	2,88792
Металлизационный слой пасты (столбики на основе серебра высотой 500 мкм и диаметром 0,5 мм)	0,0005	350	0,000057	0,0252	289	0,02519
					Итого	0,02497

Примечание: Размеры а, в, с установлены из требований операций сборки/пайки, посадки и разварки кристалла.

Таблица 6. Элементы конструкции НТСС-корпуса CQFP240(256) существующей конструкции (без AlN-пластины)

Материал слоя	Толщина (l) слоя, м	Коэффициент теплопроводности слоя λ, Вт/м·К	Площадь поперечного сечения слоя S, м2	Rt, К/Вт	Количество элементов слоя, шт.	Общее Rt слоя, К/Вт
Керамический слой (а) толщиной 500 мкм	0,0005	18	0,0001	0,2778	1	0,2778

Расчеты позволяют сделать следующие выводы:

• R_t «МП–плоскость основания» LTCC-корпуса КТ43 при необходимости введения изолирующего слоя между кристаллом и радиатором (толщина 5 мкм) соизмеримо с R_t серийного корпуса при монтаже кристалла на изолирующую пластину из AlN и в 1,4 раза выше R_t в случае использования такой пластины из полиалмаза. R_t LTCC-конструкции корпусов КТ43 можно снизить на 20–30% посредством:
  • уменьшения толщины изолирующего слоя от 3 мкм до минимально возможных величин, гарантированно отливаемого на литьевых машинах фирмы Keko-equipment;
  • увеличения количества и размера металлизированных отверстий, что обеспечивается установками пробивки отверстий и заполнения пастой фирмы Keko-equipment.
• R_t LTCC-корпуса КТ43 при электрических связях «кристалл–плоскость основания корпуса» в три раза ниже R_t серийного корпуса. Это позволяет повысить надежность КИМП и отказаться в конструкции прибора от радиатора, значительно улучшить массо-габаритные характеристики изделий. Такое утверждение справедливо и для аналогично доработанных конструкций корпусов типа SMD (0,5; 1; 2; 3). При этом R_t снижается почти в шесть раз.
• Исключение из конструкции LTCC-корпусов КТ43 радиатора позволяет увеличить на 1–1,5 мм размеры МП, что обеспечит монтаж кристаллов с большими размерами (исключается площадь для напайки термокомпенсирующего кольца между керамической НТСС-платой и радиатором) и повысит рабочее напряжение приборов с 600 до 1600 В (увеличение гарантированных зазоров между токопроводящими элементами конструкции с 0,5 до 1,7 мм).

В связи с увеличением степени интеграции все острее встает вопрос отвода тепла от программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), монтируемых в многовыводные НТСС-корпуса CQFP240, CQFP256 зарубежного и российского производства. Для этого проведены разработки по введению в конструкцию корпуса в качестве материала монтажной площадки пластины из AlN, спаянной припоем ПСр72 с керамической платой корпуса из алюмооксидной НТСС керамики. Однако при проведении отбраковки ПЛИС выявлена низкая устойчивость конструкции к повышенным линейным нагрузкам (до 10 000 g). Происходит разгерметизация пластины из AlN и керамической НТСС-платы по паяному шву.

Расчетная оценка значений R_t конструкций корпуса типа CQFP240, CQFP256 с изолированной МП типовой конструкции, изготовленного по LTCC-технологии (рис. 11), приведена в таблицах 6 и 7.

Рис. 11. Корпус типа CQFP240, CQFP256, изготовленный по LTCC-технологии

Таблица 7. Элементы конструкции LTCC-корпуса с пониженным Rt

Материал слоя	Толщина (l) слоя, м	Коэффициент теплопроводности слоя λ, Вт/м·К	Площадь поперечного сечения слоя S, м2	Rt, К/Вт	Количество элементов слоя, шт.	Общее Rt слоя, К/Вт
Керамический слой (а) толщиной 15 мкм	0,000015	4	0,0001	0,0375	1	0,0375
Керамический слой (в) толщиной 400 мкм	0,0004	4	0,000043	2,3103	1	2,3103
Металлизационный слой пасты (столбики диам. 0,5 мм) на основе серебра (в) высотой 400 мкм	0,0004	350	0,000057	0,0202	289	0,02015
					Итого	0,05748
					Снижение Rt, раз	4,8

В общем виде зависимости R_t LTCC-системы от количества отверстий теплостоков и толщины керамической карты представлены на рис. 12.

Рис.12. Зависимость Rt (К/Вт) от количества отверстий диаметром 0,5 мм в LTCC-структурах различных толщин (100–500 мкм)

Возможности LTCC-технологии в сочетании с оборудованием фирмы Keko-equipment для обработки сырых структур позволяют решать на новом конструктивно-технологическом уровне проблему отвода тепла от особо нагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), требующих обеспечения жидкостного охлаждения [5] (рис. 13, 14).

Рис. 13. Отвод тепла от кристаллов полупроводниковых СБИС через алюминиевые подпружиненные плунжеры:
1, 2 — кристалл СБИС;
3 — металлическая водоохлаждаемая крышка (часть крышки с плунжерами снята);
4 — канал для движения охлаждающей жидкости

Рис. 14. Разновидности каналов в LTCC-структурах для охлаждающей жидкости

В целом следует отметить, что внедрение LTCC-технологии для производства высоконадежных корпусов мощных КИМП позволит не только обеспечить требуемые величины R_t, автоматизировать процесс их разработки и изготовления, снизить в целом себестоимость РЭА при повышении качества и надежности, но и создать новые конструктивы, отличающиеся от существующих аналогов меньшими габаритами и массой. Один из крупнейших в мире производителей корпусов — компания Kyocera (Япония) — уже начала перевод части конструктивов корпусов с HTCC на LTCC.