Redirect= Разработка и изготовление микросборок на многослойной керамике

Разработка и изготовление микросборок на многослойной керамике

№ 3’2019
PDF версия
Развитие радиоэлектронной промышленности идет путем минимизации изделий, с разработкой высокоинтегрированных сборок. Однако получение максимальной производительности при минимальном занимаемом объеме неизбежно вызывает все более сильное нагревание электронных компонентов. Данная проблема решается применением подложек с высокой теплопроводностью.

В силовой электронике и микроэлектронике широко распространены керамические подложки с использованием в качестве основы процессов тонких или толстых пленок. Компанией «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных подложек из керамики на основе оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN) и оксида бериллия (BeO).

Изделия из таких материалов характеризуются:

  • высокой теплопроводностью;
  • низким коэффициентом теплового расширения;
  • низкими диэлектрическими потерями;
  • высокой механической прочностью.

Рассмотрим один из примеров применения данных технологий.

Задание предусматривало разработку корпуса для микросборки, схема которой приведена на рис. 1 и представляет собой часть схемы DC/DC-преобразователя напряжения. Основное требование, предъявляемое к корпусу микросборки, — отвод тепла, выделяемого на полевых транзисторах (VT2 и VT3), до 4 Вт на каждом.

Электрическая принципиальная схема микросборки

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема микросборки

Условия работы кристаллов и микросборки:

  • микросборка должна действовать в условиях вакуума;
  • максимальная температура кристаллов не должна превышать +125 °C при работе изделия в предельно допустимой температуре +65 °C.

В отработанной схеме предусмотрены корпусные транзисторы в корпусе КТ‑94. В микросборке применяются кристаллы транзисторов, чьи параметры приведены в таблице 1. Размеры кристаллов составляют 5,6×5,0 и 7,33×7,31 мм соответственно.

Таблица 1. Параметры полевых транзисторов

Наименование

Uси, В

Iс, А

Rси, Ом

С11, нФ

Корпус

Размер, мм

Примечание

2П768П92

400

11

0,42

1,9

КТ-94

11,6×16,0

 

2П768П-5

400

11

0,42

1,9

Кристалл

5,6×5,0

Замена

2П794В92

400

18

0,2

3,3

КТ-94

11,6×16,0

 

2П794В-5

400

18

0,2

3,3

Кристалл

7,33×7,31

Замена

На данном этапе развития производства есть возможность использования одного из следующих материалов – это либо оксид алюминия с чистотой 99,5%, либо нитрид алюминия. Параметры материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры керамики

Материал

Оксид алюминия (99,5%)

Нитрид алюминия

Хим. формула

Al2O3

AlN

Температура плавления (°C)

2072

2397–2507

Макс. рабочая температура (°C)

1750

1027–1727

Коэф. теплового расширения (1 • 10–6 °C–1)

7–8,4

4,3–9

Удельная теплоемкость (Дж/(кг•К))

880

740–820

Теплопроводность (Вт/м2•K)

25,5–35

60–77

Диэлектрическая проницаемость

9,8

8,3–9,3

Объемное удельное сопротивление(Ом×см)

> 1е14

> 1е14

Толщина одного слоя керамики после обжига 0,25 мм.

Прежде чем начать проектирование корпуса, рассмотрим, как отводится тепло от кристалла, установленного на керамику из оксида алюминия и нитрида алюминия, при условии, что тепло с подложки может рассеиваться только с основания корпуса микросборки на корпус изделия, куда будет установлена микросборка.

Одним из критериев определения достаточной площади для отвода тепла от кристалла является температура в установившемся режиме. Она не должна превышать +80…+85 °C при температуре окружающей среды +20 °C.

Кристалл размером 5,6×5,0 мм, помещенный в центр керамической подложки на основе оксида алюминия размером 80,0×80,0 мм (рис. 2), нагревается свыше +140 °C. При этом тепло не рассеивается по всей площади подложки, что не удовлетворяет заявленным требованиям. Аналогична ситуация и для второго кристалла размером 7,33×7,31 мм.

Распределение тепла на Al2O3 размером 80×80 мм

Рис. 2. Распределение тепла на Al2O3 размером 80×80 мм

Кристалл размером 5,6×5,0 мм, установленный в центр керамической подложки из нитрида алюминия размером 18,0×18,0 мм (рис. 3), нагревается до +80,4 °C, что удовлетворяет требованиям. Расчет температуры второго кристалла размером 7,33×7,31 мм, установленного на такую же подложку, показал результат +78,9 °C, что также удовлетворяет требованиям задания.

Распределение тепла на AlN размером 18×18 мм

Рис. 3. Распределение тепла на AlN размером 18×18 мм

На рис. 4 показан расчет температуры кристаллов, размещенных на керамической подложке 36,0×18,0 мм, при работе двух транзисторов одновременно. Максимальная температура нагрева кристалла не изменилась.

Распределение тепла на AlN размером 36×18 мм от двух кристаллов

Рис. 4. Распределение тепла на AlN размером 36×18 мм от двух кристаллов

Исходя из полученных результатов габариты корпуса были выбраны 36,0×18,0 мм.

Одной из технологий производства, которой обладает компания АО «ТЕСТПРИБОР», является высокотемпературная керамика HTCC.

Отличие высокотемпературной керамики от низкотемпературной заключается в более высокой температуре спекания слоев керамических плат: +1500…+1600 °C (в технологии LTCC температура спекания – менее +1000 °C).

Достоинства технологии HTCC:

  • малые допуски на размеры – благодаря низкому коэффициенту теплового расширения обеспечивается повышенная стабильность размеров корпусов;
  • коэффициент теплового расширения (КТР) высокотемпературной керамики достаточно близок к КТР кремния, что позволяет монтировать кристаллы непосредственно на керамическое основание;
  • высокие диэлектрические и тепловые характеристики корпусов: в зависимости от используемой марки керамики электрическая прочность варьируется в пределах 45–60 кВ/мм, тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) 0,006–0,021, а диэлектрическая проницаемость (ε) — 6–10 в гигагерцевом диапазоне частот;
  • возможность создания многослойных герметичных керамических плат: высокотемпературная керамика имеет плотную структуру, а после спекания многослойные керамические модули становятся монолитными;
  • хорошее заполнение переходных отверстий и линий металлизации в плате вольфрамовой или молибденовой пастой;
  • высокая твердость используемых керамических материалов.

Гарантированные технологические возможности производства приведены на рис. 5 и в таблице 3. Наша компания не останавливается на достигнутых результатах и будет совершенствовать технологии производства.

Технологические возможности производства АО «ТЕСТПРИБОР»

Рис. 5. Технологические возможности производства АО «ТЕСТПРИБОР»

Таблица 3. Гарантированные технологические возможности производства

Контактные площадки

Ширина площадки

≥ 250 мкм

a

Расстояние между площадками

≥ 200 мкм

b

Расстояние от площадки до края подложки

≥ 150 мкм

c

Сигнальные дорожки

Диаметр отверстия

≥ 150 мкм

d

Диаметр площадки

≥ 400 мкм

e

Шаг отверстия

≥ 650 мкм

f

Расстояние от площадки до края подложки

≥ 650 мкм

g

Ширина дорожки

≥ 150 мкм

h

Расстояние между дорожками

≥ 100 мкм

i

Расстояние от дорожки до края подложки

≥ 500 мкм

j

Сквозные отверстия

Диаметр отверстия

≥ 400 мкм

k

Диаметр площадки

a + 300 мкм

l

Расстояние между вырезами

≥ 600 мкм

m

Расстояние от площадки до проводящего слоя

≥2 00 мкм

n

Исходя из технологических возможностей был разработан корпус. Так как площадь для отвода тепла под кристаллом довольно большая, то плотность микросборки получилась относительно низкая. Несколько видов корпуса приведены на рис. 6.

Внешний вид корпусов

Рис. 6. Внешний вид корпусов

Внешний вид микросборки (корпуса с установленными компонентами) представлен на рис. 7.

Внешний вид микросборки

Рис. 7. Внешний вид микросборки

Данная микросборка содержит четыре кристалла и 12 SMD-компонентов. Преимущества этой микросборки (и вообще микросборок) состоит в том, что она занимает меньше места, имеет меньшую массу по сравнению с той же схемой, сделанной на отдельных элементах в корпусах. Это важно для применения в изделиях, предназначенных для космоса.

В более функциональных схемах и крупных сборках при многоуровневом расположении компонентов проще выполнить защиту отдельных элементов от радиации, что уменьшает массу изделия по сравнению с тем, как если делать экран на всю сборку.

АО «ТЕСТПРИБОР» имеет возможность разработать и изготовить микросборки на многослойной керамике из Al2O3 и AlN по требованиям заказчика.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *