Конструкторско-технологические основы создания корпусов из металломатричных композитов для СВЧ транзисторов на основе широкозонных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Золотарев Алексей Алексеевич

• Золотарев Алексей Алексеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Золотарев Алексей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

1.1 Общие сведения о металломатричных композитах

1.2 Металломатричные композиты системы Л1Б1С

1.3 Применение металломатричных композитов в электронике

Глава 2. КОРПУС СВЧ ТРАНЗИСТОРА НА ШИРОКОЗОННЫХ

МАТЕРИАЛАХ ИЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА

2.1 Корпус полупроводникового прибора для изделий микроэлектроники

2.2 Анализ результатов электронной микроскопии и энергодисперсной спектроскопии корпуса электронного прибора, выполненного из композитного материала на основе алюминия и карбида кремния

2.3 Исследование и моделирование теплового сопротивления корпуса полупроводникового прибора, изготовленного из металломатричного композита Л1Б1С при его саморазогреве с помощью математического моделирования

2.4. Измерение теплового сопротивления кристалл-корпус

2.5 Расчет тепловой деформации (смещения) полупроводникового прибора при его саморазогреве с использованием математического моделирования

2.6 Расчет коэффициента надежности корпуса полупроводникового прибора, изготовленного из металломатричного композита

2.7 Исследование тепловой деформации (смещения) корпуса полупроводникового прибора, изготовленного из металломатричного композита Л1Б1С при помощи дилатометра

2.8 Оценка удельного веса металломатричного композита по отношению к псевдосплавам из молибдена и меди

2.9 Измерение теплопроводности опытного образца корпуса полупроводникового прибора, изготовленного из металломатричного композита

Л1Б1С

2.10 Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КОРПУСА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА С ТЕПЛООТВОДОМ ИЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА АЬ81С

3.1 Обзор существующих технологий металлизации композиционных материалов

3.2 Выбор системы металлизации металломатричного композита на основе алюминия и карбида кремния

3.3 Разработка технологических процессов металлизации металломатричного композита с использованием химического и гальванического никелирования

3.4 Исследование качества паянного шва элементов металломатричного композита с использованием томографии

3.5 Исследование воздействия корпуса полупроводникового прибора, изготовленного из металломатричного композита Л1Б1С на его СВЧ -характеристики

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. МЕТОД ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОЙ ДЕФОРМАЦИИ КОРПУСА

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА С ТЕПЛООТВОДОМ ИЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА АЬ81С

4.1 Постановка задачи для разработки метода теоретического расчета тепловой деформации корпуса полупроводникового прибора

4.2 Аппроксимация уравнения теплопроводности с помощью метода контрольного объёма

4.3 Создание локальной матрицы жесткости

4.4 Создание глобальной матрицы жесткости

4.5 Вычисление силы, вызывающей деформацию при тепловом расширении

4.6 Решение системы линейных алгебраических уравнений с

использованием алгоритма Хенка Ван дер Ворста

4.7. Результаты компьютерного моделирования

4.8 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ТЕРМИНОВ, ОПРЕДЕЛЕНИИ И СОКРАЩЕНИИ

СВЧ - сверхвысокочастотный

КТЛР - коэффициент линейного (теплового) расширения МКМ - металломатричный композиционный материал МД-40 - псевдосплав медь-молибден

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа РЭА - радиоэлектронная аппаратура

A1SiC- металломатричный композит на основе алюминия и карбида кремния GaN - нитрид галлия

СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений

АН - теплосодержание (энтальпия) химической

IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструкторско-технологические основы создания корпусов из металломатричных композитов для СВЧ транзисторов на основе широкозонных материалов»

Актуальность работы

В условиях высоких требований к повышению энергоэффективности систем проблема совершенствования приборов микроэлектроники требует повышенного внимания. Среди основных технологических проблем, которые приходится решать при проектировании устройств микроэлектроники выделяют следующие: проблема уменьшения размеров элементов микросхем, проблема внутренних соединений элементов, проблема теплоотвода, проблема дефектов подложки и проблема контроля параметров. Поэтому сейчас в мире уделяется большое внимание программам НИОКР, направленным на развитие технологий создания приборов электронной техники. Одним из путей решения этих проблем является внедрение в конструкцию приборов микроэлектроники элементов, созданных на основе широкозонных материалов. Интерес к широкозонным полупроводниковым материалам со стороны разработчиков силовых компонентов вызван возможностью снижения потерь и увеличения частоты переключения устройств на их основе, их высокими значениями напряжения пробоя и рабочей температуры, а также робастностью, надежностью и радиационной стойкостью. Однако практически реализовать достоинства приборов на широкозонных материалах не так просто.

Рассматривая электронные приборы, созданные с применением широкозонных материалов на основе нитрида галлия (ОаЫ) остро встает проблема отвода тепла, что в свою очередь привлекает внимание специалистов, занимающихся как проектированием отдельных электронных устройств, так и аппаратуры в целом. Тепловой режим, как отмечалось выше, обеспечивающий бесперебойную работу устройств электронной техники, в значительной степени определяет конструкцию отдельных элементов, так и конструкцию корпусов этих устройств.

В последние годы требования к рабочим характеристикам электронных устройств становится все более и более сложными. Применение кристаллов GaN в электронных устройствах, позволило увеличить уровень выходной мощности, но

вместе с тем и повысило плотность рассеиваемой мощности активной части полупроводникового прибора. Так, например, в активной фазированной антенной решетке (АФАР) создается высокое значение температурного поля, в связи с плотным распределением приемо-передающих модулей вдоль всей конструкции антенны. Одним из условий увеличения выходной мощности является применение в конструкции корпусов электронных приборов материалов с низким коэффициентом линейного расширения, меньшей плотностью и с высокой теплопроводностью.

Одними из таких материалов могут стать металломатричные композиты на основе алюминия и карбида кремния (далее AlSiC), которые по сравнению с применяемыми в микроэлектронике сплавами молибдена и меди имеют согласованный температурный коэффициент линейного расширения с материалами транзистора, меньший вес и сравнимый коэффициент теплопроводности.

Разработка и производство металломатричных композитов, и корпусов на их основе, применяющихся в различных областях электроники, сосредоточены в основном в крупных аэрокосмических и автомобильных корпорациях. Например, в США его производят фирма Ceramic Process Systems (CPS) и Thermal Transfer Composites (TTC). Продукция этих компаний закупается крупнейшими электронными компаниями мира, такими как Infineon, Mitsubishi Electric, Hitachi, Semikron, Fuji, Semelab и др.

В связи с этим исследование и разработка корпусов СВЧ устройств на основе нитрида галия с теплоотводом из металломатричного композита ASiC является актуальной задачей.

Цели и задачи работы

Целью работы являются проведение комплексных исследований возможности применения металломатричных композитов в конструкции корпусов, предназначенных для теплонагруженных активных полупроводниковых СВЧ приборов на основе широкозонных материалов, силовых модулей и различных тепловыделяющих элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• проведение анализа существующих технологий в области создания теплоотводящих корпусов для СВЧ устройств;

• проведение обзора научно-технической и патентной литературы в области получения композиционных материалов на основе алюминия и карбида кремния;

• создание корпуса с теплоотводом из металломатричного композита A1SiC для СВЧ прибора на основе нитрида галлия;

• разработка технологии металлизации корпуса с теплоотводом из металломатричного композита A1SiC;

• разработка метода анализа деформации корпуса, изготовленного из A1SiC, СВЧ устройства на основе нитрида галлия при помощи;

• исследование качества металлизации корпуса металломатричного композита при помощи томографии;

• проведение исследования физическо-механических свойств разработанного корпуса с теплоотводом металломатричного композита A1SiC;

• разработка конструктивных и технологических решений, направленных на улучшение характеристик тепловыделения и согласованности материала корпуса и электронного прибора.

• проведение испытаний изготовленных корпусов СВЧ устройств по ГОСТ РВ 20.57.416 на внешние воздействующие факторы.

Научная новизна

В предложенном подходе к решению задач по разработке высокотеплонагруженного корпуса, изготовленного из металломатричных композитов новыми являются:

1. Впервые разработан корпус с теплоотводом из металломатричного композита А^Ю для СВЧ устройств на основе широкозонных материалов, имеющий меньшие тепловые деформации и меньший удельный вес по сравнению с корпусами, изготовленными из меди и сплавов на ее основе. (Данное

техническое решение защищено патентом РФ на полезную модель RU 196004 U1)

2. Впервые разработана и обоснована технология металлизации металломатричного композита AlSiC с точки зрения термодинамики образования промежуточных фазовых слоев при магнетронном осаждении металлов. Рекомендуемыми системами и режимами металлизации алюмонитридной керамики при магнетронном осаждении являются: титан-медь с толщиной слоёв титана в диапазоне от 0,15-0,2 мкм и меди в диапазоне от 1 до 2 мкм при температуре подогрева пластины порядка 300°С с последующим нанесением слоя меди от 4 до 5 мкм. позволяющий обеспечить адгезию слоя металлизации к подложке в диапазоне от 32 Н/мм до 35Н/мм.

3. Впервые разработан процесс металлизации металломатричного композита, включающий стадии химического и гальванического никелирования, позволяющий обеспечить адгезию слоя металлизации к подложке в диапазоне от 20 Н/мм до 25 Н/мм.

4. Впервые разработан метод оценки деформации и теплопроводности корпуса, изготовленного из металломатричного композита А^С при помощи разработанного программного обеспечения. Получен сертификат на программное обеспечение №2019614711 комитета по делам изобретений.

Практическая значимость

В результате проведения исследований по теме диссертации был создан опытный образец корпуса полупроводникового прибора, изготовленный из металломатричного композита, теоретически обоснован выбор систем металлизации металломатричного композита, а также проведен тепловой анализ на основе тепловых моделей транзисторов с теплоотводами из металломатричного композита и сплавов на основе меди и молибдена. С учётом термодинамической возможности образования промежуточных фазовых слоев при металлизации новых материалов и на основании экспериментальных данных, разработаны технологические процессы производства корпусов полупроводниковых приборов на основе широкозонных материалов. Корпуса из хорошо согласованного по тепловому расширению с карбидом кремния

металломатричного композита с теплопроводностью в 2-3 раза превышающей теплопроводность псевдосплава молибден-медь, являются перспективными конструктивными элементами, например, для СВЧ транзисторов на основе широкозонных материалов. Измерения энергетических параметров СВЧ транзисторов, собранных в корпусах с металломатричным композитом, и проведенные тепловые расчёты корпусов и транзисторов подтверждают возможность использования разработанных конструктивно-технологических решений для широкого внедрения корпусов с теплоотводами из A1SiC в СВЧ транзисторах. Результаты исследований внедрены в АО «НПП «Пульсар», г. Москва, АО «ГЗ «Пульсар» г. Москва и ООО НПП «Металл-Композит», г. Ульяновск.

Достоверность полученных результатов и обоснованность научных положений.

Достоверность работы обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теплопереноса, массопереноса и т.д.), проверена по известным критериям изучаемых процессов и подтверждена большим объемом экспериментальными данными. Теоретические и расчетные положения согласуются с экспериментальными данными и подтверждены успешной реализацией разработанных технологий при производстве корпусов полупроводниковых изделий, изготовленных из металломатричного композита. Результаты исследований обсуждались на 4 научно-технических конференциях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Корпус СВЧ транзистора с теплоотводом из металломатричного композита, предназначенного для монтажа кристаллов на основе широкозонных материалов, обеспечивает значение КТР от 7 до 7,7 х Ю-6^1 в температурном диапазоне от 50°С до 150 °С.

2. Использование металломатричного композита А^С для создания корпусов полупроводниковых приборов на основе широкозонных материалов снижает массу конечного изделия не менее чем в 3 раза по сравнению с

корпусами полупроводниковых приборов, изготовленных из псевдосплава типа МД-40.

3. Способ магнетронного осаждения системы титан-медь при температуре подогрева металломатричного композита 300°С с толщиной слоёв титана в диапазоне от 0,1 до 0,2 мкм и меди в диапазоне от 1 до 2 мкм, с дополнительным гальваническим слоем меди толщиной в диапазоне от 3 до 5 мкм обеспечивает прочность адгезии слоя металлизации к подложке в диапазоне от 32 Н/мм до 35Н/мм, а также возможность пайки элементов корпуса с пористостью паянного шва не более 4%.

4. Процесс металлизации корпуса СВЧ транзистора на основе нитрида галлия с теплоотводом из металломатричного композита методом химического и электрохимического осаждения слоя системы М-Аи с толщиной слоя в диапзоне от 4 до 6 мкм с применением термообработки покрытия, позволяющий обеспечить прочность адгезии слоя металлизации к подложке от 20 до 25 Н/мм2, позволяет проводить монтаж полупроводниковых кристаллов на эвтектику золото-кремний.

5. Программное обеспечение, позволяющее проводить предварительную оценку тепловой деформации корпуса СВЧ транзистора на основе широкозонных материалов с теплоотводом из металломатричного композита А^С. Получен сертификат на программное обеспечение №2019614711 .

Апробация резальтатов работы

Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 10 статьях и тезисах, из них в статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ - 8. Получен патент на полезную модель 196004 VI и свидетельство на программное обеспечение №2019614711.

Наряду с печатными работами результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по ОКР «Дискрет-И4-Т», «0дноцветник-И10», «Одноцветник-И6».

Результаты работы доложены на Российской научно-технической конференции с международным участием «Информатика и технологии.

Инновационные технологии в промышленности и информатике» (РНТК ФТИ -2019); 10-ой Международной Научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ электроники «Мокеровские чтения»; VI Международная научно-практическая конференция «Техника и технологии, политика и экономика: проблемы и перспективы»; Российской научно-технической конференции с международным участием «Оптические технологии, материалы и системы» («Оптотех -2019»).

Методы исследования.

Поставленные задачи решались с использованием теоретических и экспериментальных методов исследований. Для математического моделирования тепловых процессов, проходящих при работе СВЧ транзисторов , использовался программный пакет ANSYS Mechanical а также с помощью программного обеспечения собственной разработки AICEFLOWvO_32. Прочностные испытания на воздействие внешних факторов проводились на вибростендах фирмы SonicDynamics Testing Equipment Co. Исследования коэффициента термического расширения проводились на дилатометра Linseis L75. Оценку состава корпуса электронного прибора проводили ЭДС-анализом при помощи электронного микроскопа с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром JEOL JCM-6000. Сверхвысокочастотные характеристики нитрид-галлиевых измерялись с применением следующего оборудования: анализатор цепей Р2М-18А; измеритель мощности Я2М-66, измеритель мощности Agilent N1912A, источник питания Agilent Е3633А, источник питания Tektronix PWS2323 DC, источник питания Mastech HY3005D-3, генератор СВЧ сигналов Agilent E8267D; импульсный генератор Tektronix AFG 3021C, прибор наблюдения характеристик транзисторов Agilent B1500A. Томография корпуса проводилась на установке GE v|tome|x m300.

Личный вклад автора.

Золотарев А.А. лично провел анализ литературных источников для определения современного состояния исследуемой области и сформулировал цель и задачи диссертации. Предложил конструкцию корпуса полупроводникового

прибора с применением металломатричного композита на основе алюминия и карбида кремния. Разработал технологию химического и гальванического осаждения никеля на поверхность металломатричного композита. Провел теоретическое исследование тепловой деформации корпуса металломатричного композита с использование программного обеспечения. Предложил способ магнетронного осаждения титана и меди на поверхность металломатричного композита. Провел исследования прочности адгезии слоя металлизации к поверхности металломатричного композита, выполнил обработку полученных результатов и их обобщение, подготовил и сделал доклады на конференциях.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы из 87 наименований. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков и 29 таблиц.

ГЛАВА 1. МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ.

1.1 Общие сведения о металломатричных композитах.

В современной СВЧ и микроэлектронике одной из важных задач является создание надежных, прочных и функциональных приборов и устройств, которые будут обеспечивать надежную бесперебойную работу в течении заданного времени эксплуатации. Решением такой задачи является поиск и создание принципиально новых материалов, обладающих повышенными эксплуатационными, физическими и механическими свойствами. К таким материалам можно отнести композиционные металломатричные материалы [1-4].

Первые публикации, связанные с металломатричными композитами, появились в конце 1950-х годов и связаны они были с авиационной промышленностью. Активное изучение, разработка и исследование металломатричных композитов началось в конце двадцатого века. В это время во многих отраслях промышленности появляются новые изобретения, технологии и разработки, которые требуют применения материалов с более высокими функциональными характеристиками. Одной из отраслей, где применение новых композиционных материалов позволило создавать изделия с уникальными свойствами, стала электронная промышленность. Постоянное увеличение удельной и выходной мощности элементов микроэлектроники привело к необходимости использования в конструкции полупроводниковых приборов материалов с эффективным отводом тепла.

В процессе анализа научно-технической литературы, информации о патентах и другой информации о современных разработках была выявлено повышение интереса разработчиков к использованию металломатричных композитов (далее ММК) в течении последних 30 лет. На рисунке 1.1 и 1.2 представлены графики распределения публикаций, связанных с ММК в период с 1990 по 1999 год в период с 2000 по 2010 год в таких странах как США, Япония, СССР/Россия, Китай, Англия, Франция и Германия [5].

140 120 100 80 60 40 20 0

США

Япония

СССР/Россия

Китай

Англия

Франция

Германия

Количество публикаций по ММК с 1990 по 1999 г.

Рисунок 1.1 Распределение публикаций по ММК в период с 1990 по 1999 г.

140 120 100 80 60 40 20 0

США

Япония

СССР/Россия

Китай

Англия

Франция

Германия

Количество публикаций по ММК с 2000 по 2010 г.

Рисунок 1.2. Распределение публикаций по ММК в период с 2000 по 2010 г.

Как видно из рисунка 1 .1 в последние десятилетие двадцатого века основное количество публикаций по ММК относилось к США. Однако уже в начале двадцать первого века в связи с появлением серийных приборов на основе ОаК, обладающих высокой удельной мощностью (на порядок выше, чем в Si и GaS) растет интерес к металломатричным композитам и в других странах. Так в

Китае количество публикаций с 2000 по 2010 год увеличилось в два раза по сравнению с последним десятилетием двадцатого века (рисунок 1.2), что обосновано лавинообразным ростом полупроводникового производства в стране.

ММК находят широкое применение в таких отраслях промышленности, как авиация, ракетостроение, автомобилестроение и микроэлектроника. В настоящее время производство металломатричных композитов и изделий из них существует в том или ином объеме в таких странах, как США, Великобритания, Канада, Германия, Франция, Япония, Китай и др.

Значительный вклад в разработку технологии изготовления ММК и исследование их эксплуатационных свойств внесли компании по производству сплавов алюминия, автомобильные и аэрокосмические компании. Среди них выделяются Rio Tinto Alcan Inc. (Канада), The discontinuously Reinforced Aluminum Company (США), DWA Aluminum Composites (США), Advanced Composite Materials, LLC (США), Aerospace Metal Composites (Великобритания), Международная группа компаний CeramTec, Honda, Toyota и General Motors. Активно проводятся разработки ММК с наполнителями из нанопорошков. DWA Aluminum Composites разработала ММК для удовлетворения конкретных потребностей в разных приложениях с использованием двух и трехфазного нано-материалов и технологии их обработки [6].

Разработками в области ММК в России занимается ряд предприятий, производящих небольшими партиями определенные типы металлических композиционных материалов. В 2012 году создана компания ООО «ИМИ «Металл-Композит» (г. Ульяновск) для реализации комплексных программ в области разработки и производства металлических композитных материалов. В ОАО «Электровыпрямитель» впервые в России освоено промышленное производство теплоотводящих изделий из ММК для приборов силовой полупроводниковой электроники. В ОАО «Климов» в конструкциях авиационных двигателей в качестве материала уплотнений применяется композит на основе системы «алюминий-нитрид бора». В ЗАО «Симбирская литейная компания» планируется организовать производство металломатричных композитов для

применения в автомобилестроении, авиастроении, приборостроении и других отраслях отечественной промышленности.

МКМ обладают гетерофазной структурой, которая состоит из наполнителя или связующего материала и матрицы. Благодаря такой структуре возможно получать материалы с необходимыми свойствами, которыми обладает ни один существующий материал. Кроме того, появляется возможность конструировать материал с определенными характеристиками в соответствии с заданными требованиями. Матрица обеспечивает сохранение необходимой формы и размеров, связывает наполнитель, обладает непрерывностью по объему и определяет технологические параметры полученного материала. Наполнитель воспринимает внешнюю нагрузку, является разделенным в объеме материала компонентом и придает специальные свойства. Между фазами (компонентами) композита имеется выраженная граница раздела [7,8].

МКМ можно оценить по следующим общим признакам [9-13]:

• свойства композита определяются свойствами его составных частей;

• композит может иметь два и более компонентов;

• композит отсутствует в природе и является синтетическим материалом.

Соединение металлической матрицы с упрочняющей фазой производят следующими методами [14]:

• твердожидкофазное или твердофазное компактирование смесей, в том числе подготовленных механическим легированием;

• литейные или жидкофазные технологии пропитки пористых каркасов из волокон, порошков или коротких волокон либо механического замешивания дискретных наполнителей в расплавы;

• газотермическое напыление композиционных смесей. Твердофазные процессы получения металломатричных композитов

основаны на методах порошковой металлургии, в процессе которых происходит смешивание частиц металла и армируюших волокон, которые связываются в

результате уплотнения, термической и механической обработки.

В ММК матрицей могут служить такие материалы, как алюминий, магний, титан, никель и их сплавы. Армирующими наполнителями в МКМ могут служить различные типы керамики. Выбор материала матрицы и наполнителя зависит от тех свойств, которые необходимо получить для решения конкретной задачи.

1.2 Металломатричные композиты системы А181С.

Среди различных сочетаний материалов матрицы и наполнителя во всем диапазоне металломатричных композитов выделяются композиты системы Л1Б1С (алюминий-карбид кремния). ММК на основе алюминиевой матрицы и армирующих частиц карбида кремния является одним из самых современных материалов в области терморегулирования. Применение алюминия в металломатричном композите Л1Б1С обусловлено прежде всего широким распространением алюминия и сплавов на его основе (рисунок 1.3), а также малой плотностью, высокой удельной прочностью, низкой температурой плавления и хорошими технологическими характеристиками.

Рис. 1.3 Использования алюминия в ММК [15] Использование алюминия в качестве матрицы позволяет повысить плотность изделия, термическую стабильность, а также в большинстве случаев упростить процесс механической обработки.

В свою очередь применение армирующих частиц карбида кремния позволяет учитывать требования разработчиков электронных приборов в части

повышения согласованности материалов при термической деформации и увеличения количества отводимого тепла. Частицы БЮ обладают высокой теплопроводностью (до 500 Вт/мК ) и низким коэффициентом теплового расширения (около 4,7 х 10-6К-1), очень близким к материалам полупроводниковой электроники (Б1, БЮе, ОаБ, БЮ, ОаК и др.). Его низкая цена, особенно для не самых чистых форм SiC, делает эту керамику очень востребованной по соотношению цена / качество. Для сравнения стоит отметить, что частицы чистого SiC (чистота 99,999%) могут стоить в три раза дороже, чем частицы нормальных марок (чистота менее 99,8%). Их теплопроводность несколько выше, но, тем не менее, недостаточна для обоснования их использования по сравнению с другими керамическими изделиями (такими как алмаз). Алмаз, в свою очередь, обладает очень высокой теплопроводностью, но соотношение производство/цена по-прежнему является ограничивающим фактором его применения [15].

Среди всех форм карбида кремния, используемых в качестве армирующих добавок для изготовления композитов, в основном используются частицы наименьшей степени чистоты и формы. Наиболее распространенные частицы имеют зернистую форму (рисунок 1.4).

Рис. 1.4 Электронное микроскопическое изображение частиц Б1С[16]. Частицы SiC в основном изготавливают в двух классах, различающихся по цвету: зеленый порошок с чистотой выше 99% и черный порошок с чистотой в

диапазоне 98-99%.

Металломатричные композиты на основе алюминия и карбида кремния производят двумя основными способами: методом инфильтрации под давлением газа и методом сжатия или механической инфильтрацией [17-18]. Применение этих методов производства металломатричных композитов позволяет, прежде всего, получить более высокую объемную долю армирования в образце при проникновении расплавленного металла под давлением в готовые пресс-формы с карбидом кремния.

При получении ММК методом инфильтрации под давлением газа, давление не превышает 15 МПа, и это позволяет изготавливать детали сложной формы без риска значительной деформации заготовки. Этот метод универсален, поскольку при простой модификации основной пресс-формы могут быть изготовлены детали различной геометрии. Иногда требуется окончательная механическая обработка, хотя, если пресс-формы сконструированы таким образом, что процесс демонтажа оказывается несложным, возможно изготовление образцов без дальнейшей механической обработки. Основным недостатком этой технологии является ограниченная скорость проникновения металла в заготовки, что затрудняет изготовление крупных деталей. Это ограничение является следствием характеристик самой технологии; в частности, применяемых низких давлений, характеристик смачиваемости и реакционной способности системы.

При получении ММК методом механической инфильтрации металл проникает в керамическую заготовку при высоких давлениях (в диапазоне 50-100 МПа) с помощью поршня с механическим приводом. Этот метод называется «литьем под давлением» и его применение в производстве MMК очень распространено, хотя и он не лишен недостатков, связанных с используемым высоким давлением, что может вызвать деформации в заготовках, которые изменяют общую форму и относительное присутствие металлических и керамических фаз. Решение этой проблемы не всегда может быть найдено путем уменьшения рабочего давления, потому что скорость проникновения или металлокерамическая реакция являются важными вопросами для систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Золотарев Алексей Алексеевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Браутман. Л., Крок Р. Современные композиционные материалы. // М.: Мир, 1970, 672 с.

2. Нотон Б. Применение композиционных материалов в технике. // М.: Машиностроение, 1978, 511 с.

3. Kainer K.U. Metal Matrix Composites: Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering // Wiley-VCH. 2006. 330 p.

4. Adebisi A.A. [et al.] Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis/ // International Journal of Automotive and Mechanical Engineering. 2011. Vol. 4. P. 471-480.

5. Cyriac A.G. Metal Matrix Composites: history, status // Submitted to the Faculty of the Graduate College of the Oklahoma State University in partial fulfillment of the requirements for the Degree of master of science, 2011, 249 p.

6. URL: http://www.dwatechnologies.com/mmc data.htm. (дата обращения 03.04.2019 г.)

7. Батаев В. А., Батаев А. А. Композиционные материалы. Строение. Получение. Применение: учеб. пособие. М.: Логос. Университетская книга, 2006, 400 с.

8. Курганова. Ю.А., Колмаков А.Г. Конструкционные металломатричные композиционные материалы: учебное пособие - Москва: Издательство МГТУ им. Баумана, 2015, 141 с.

9. Кана Р.У., Хаазена. П. Физическое металловедение: в 3 т. Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами // М.: Металлургия, Т. 2, 1987, 624 с.

10. Иванова В.С. [и др.]. Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами // М.: Наука, 1974, 200 с.

11. Тарнопольский Ю. М. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник // М.: Машиностроение, 1987, 244 с.

12. Вишняков Л.Р. [и др.] Композиционные материалы. Справочник // Киев.: Наукова думка, 1985, 592 с.

13. Васильев В.В. [и др.] Композиционные материалы: Справочник // М.: Машиностроение, 1990, 512 с.

14. Матусевич А.С. Композиционные материалы на металлической основе // Минск.: Наука и техника, 1978, с. 216

15. Самарин. П.Е. Получение композиционных покрытий с внедрением частиц SiC в поверхность алюминиевых сплавов лазерным излучением: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2015. 116 с.

16. Molina, J.M.; Narciso, J.; Weber, L.; Mortensen, A. Louis Е. Thermal conductivity of aluminium matrix composites reinforced with mixtures of diamond and SiC particles. // ScriptaMaterialia, Vol.58, 2007, P. 393-396.

17. Mallik S, Ekere N., Best C., Bhatti. R. Investigation of Thermal Management Materials for Automotive Electronic Control Units. // Applied Thermal Engineering, Elsevier, 2010, 31 (2-3), P.355.

18. Occhionero M. A., Hay R. A., Adams R. W. and Fennessy K. P. Aluminium Silicon Carbide (AlSiC) for Cost-Effective Thermal Management and Functional Microelectric Packaging Design Solutions. // 12th European Microelectronics and Packaging Conference, 1999, P 10-04.

19. Viala J.C., Fortier P., Bouix J. Stable and metastable phase equilibria in the chemical interaction between aluminium and silicon carbide. // Journal of Materials Science. 1990. V. 25. P. 1842-1850.

20. Чернышова Т.А. [и др.]. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями // М.: Наука, 1993, 272 c.

21. Iseki Т., Kameda Т., Maruyama T. Interfacial reactions between SiC and aluminium during joining// Journal of Materials Science. 1984. №19. P. 1692-1698.

22. Carim A.H. SiC/Al4C3 interfaces in aluminum - silicon carbide composites // Materials Letters. 1991. №12. P. 153-157.

23. Viala J.C. [et. al.] Mechanism and kinetics of the chemical interaction between liquid aluminium and silicon-carbide single crystals // Journal of Materials Science. - 1993. - №28. - P. 5301-5312.

24. Yaghmaee, M.S On the stability range of SiC in ternary liquid Al-Si- Mg

alloy // Materials' World (e-journal with ISSN 1586-0140, accessible at: http://materialsworld.uni-miskolc.hu). - 2001.

25. Viala J.C., Fortier P., Bouix J. Stable and metastable phase equilibria in the chemical interaction between aluminium and silicon carbide // Journal of Materials Science. 1990. V. 25. P. 1842-1850.

26. Lin R.Y. [et. al.] Infrared aluminum matrix composite and carbide formation // Proceedings of International Conference on Composite Materials (ICCM-10), Whistler, B.C., Canada. - 1995. - P. 271-278.

27. Lee Jae-Chul [et. al.] Methodology to design the interface in SiC/Al composites // Metallurgical and Materials Transaction A. - 2001. - №32. - P. 15411550.

28. Peteves S.D. [et. al.] Microstructure and microchemistry of the Al/SiC interface // Journal of Materials Science. - 1990. - №25. - P. 3765-3772.

28. Fan T. [et. al.] The melt structures above the liquidus in SiCp/Al composite // Journal of Materials Science. - 1999. - №34. - P. 59-64.

29. Fan T. [et. al.] The effect of Si upon the interfacial reaction characteristics in SiCp/Al- Si system composites during multiple remelting // Journal of Materials Science. - 1999. - №34. - P. 5175-5180.

30. В.В. Груздов, Ю.В. Колковский, В.М. Миннебаев СВЧ электроника на нитриде галлия - основное направление создания радиоэлектронных систем // Электронная техника, сер.2., Полупроводниковые приборы, 2013, вып.2 (231), с.88-101.

31. В.В. Груздов, Ю.В. Колковский, В.М. Миннебаев Электронные блоки на основе AlGaN/GaN/SiC СВЧ гетеротранзисторов для космических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016, с. 201-207.

32. Васильев А.Г., Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. СВЧ приборы и устройства на широкозонных полупроводниках. - М.: Техносфера, 2011, 416 с.

33. URL: http://www.strategyanalytics.com (дата обращения 03.04.2019 г.).

34. Потапов. С. Композитные теплопроводящие материалы для изделий

микроэлектроники. // Электроника НТБ №9 (00149) - 2015, C.102-107.

35. Occhionero M.A., Adams R.W., Fennessy K.P. A New Substrate for Electronic Packaging: Aluminum Silicon Carbide (AlSiC) Composites // Proceedings of the Forth Annual Portable by Design Conference, Electronics Design, March 24-27, P 398-403.

36. Adams R.W., Occhionero M.A. and Fennessy K.P. CTE Compatible Thermal Packaging Solutions - Net-Shape Fabricated AlSiC and AlN // Proceedings of the Third Annual Portable by Design Conference, Electronic Design, March 25-29, 1996, P 527536.

37. Occhionero M. A., Hay R. A., Adams R. W. and Fennessy K. P. Aluminum Silicon Carbide (AlSiC) For Cost-Effective Thermal Management And Functional Microelectronic Packaging Design Solutions // 12th European Microelectronics and Packaging Conference, June 7 -9 1999, S10-04.

38. Novich B.E. and Adams R.W. Design and Fabrication of Metal Matrix Composites for Microwave and Millimeter Wave Integrated Circuit Packages. // Proceedings of 1994 International Symposium on Microelectronics, ISHM Boston, MA November 15-17, 1994, P 590-595.

39. Adams R.W., Novich B.E. and Fennessy K.P. Concurrent IntegrationTM of Al/SiC MMIC Packages. // Proceedings of the 1995 International Symposium on Microelectronics, ISHM, Los Angeles CA, 1995, P. 36-41.

40. Iwayama I., Kuwabara T., Nakai Y., Ikeda T., Koyama S. and Okamoto M. New Heat Sink for Railroad Vehicle Power Modules. // Sei technical review, number 78, 2014, P. 145-67.

41. URL: https://www.researchgate.net/publication/271626071 (дата обращения 20.04.2019 г.).

42. Карасев М.С., Далингер А.Г., Шацкий С.В., Жерновенков В.А., Синькова Е.А., Щеголев С.А. Многофункциональный приемо-передающий модуль АФАР нового поколения. // Материалы 7 Всеро^ийской конференции Электроника и микроэлектроника СВЧ, 2018, с. 239-242.

43. Нищев К.Н., Елисеев В.В., Эмих Л.А., Новопольцев М.И., Фомин Н.Е, Юдин В.А., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Применение металломатричного

композиционного материала AlSiC для теплоотводящих оснований приборов силовой электроники. // Все материалы. Энциклопедический справочник, №1, 2012.

44. Kablov, E.N., et al. (2012) Metallic Composite Materials on the Base of AlSiC for Power Electronics. Mechanics of Composite Materials and Constructions, 18, 359-368.

45. Kablov, E.N., et al. Manufacturing, Properties and Use of Heatsink Bases from MCM Al-SiC in Power Electronics and Convertor Technology. // Aviation Materials and Technologies, 2, 2012, P 20-23.

46. Nishchev K.N. [et al.] The Use of Metal-Matrix AlSiC Composites in Heat-Spreading Bases of Power Electronic Devices. // Polymer Science Series D, Glues and Sealing Materials, 5, 2012, P 195-198.

47. Мартыненко В.А., Хапугин А.А., Нищев К.Н., Новопольцев М.И. Расчет напряженно-деформированных состояний в элементах конструкции силовых полупроводниковых модулей с паяными контактами. // Физико-математические науки. Физика. №2(22), 2012, стр.185-193.

48. Завражнов Ю.В., Каганова И.И., Мазель Е.З., Миркин А.И. Мощные высокочастотные транзисторы // М.: Радио и связь, 1985, с. 50-51.

49. Сидоров В.А. Корпуса полупроводниковых СВЧ-приборов // Электронная промышленность. 2. 2003, с. 214-220.

50. URL: http://metalcompozit.ru/produktsiya/alyuminievoe-lite-pod-davleniem/ (дата обращения 03.04.2019).

51. Гоулдстейн Дж., Яковиц Х. Практическая растровая электронная микроскопия. // М: Мир, 1978., 656 с.

52. Куэй Р. Электроника на основе нитрида галлия. // М. Техносфера, 2011,

587 c.

53. Господариков А.П., Колтон Г.А., Хачатрян С.А. Ряды Фурье. Интеграл Фурье. Операционное исчисление. // Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2005. 102 с.

54. Namazu T., Takemoto H. and Inone S. Tensile and Creep Characteristics of

Sputtered Gold-Tin Eutectic Solder Film Evaluated by XRD Tensile Testing // Sensor and Materials, Vol 22, №1, 2010, P. 13-24.

55. URL: www. kayelaby.npl. co. uk/general physics/ (дата обращения 20.05.2019).

56. URL: www.capesym.com/symmic.html (дата обращения 20.05.2019).

57. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. // М.: Издательство Мир, 1975, 542 с.

58. Fabular J., Ducusin H., Mena M., Danao L. Member Analysis of Die Tilt Effect on the Stress Distribution in a Small Outline Transistor Using Finite Element Method // IAENG Proceedings of the World Congress on Engineering, 2018, Vol II, WCE 2018, July 4-6, 2018, London, P. 662-666.

59. Balakrishnan M. Evaluation of thermal management solutions for power semiconductors. // A Thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of Electronic and Electrical Engineering, The University of Sheffield, 2016, P. 205.

60. Золотарев А.А., Иванов К.А. Анализ деформации корпуса из металломатричного композита AlSiC при саморазогреве мощного полевого транзистора с барьером Шоттки. // Электронная техника, сер.2., Полупроводниковые приборы, 2017, вып.2 (245), с.39-47.

61. Сергеев В.С., Кузнецов О.А., Захаров Н.П., Летягин В.А. Напряжения и деформации в элементах микросхем. // Радио и связь, 1987. стр. 10, 11, 36, 37.

62. Золотарев. А.А. Применение металломатричного композита на основе алюминия и карбида кремния для создания корпусов СВЧ GaN транзисторов // Электронная техника, сер.2., Полупроводниковые приборы, 2018, вып.2 (249), 4852 с.

63. V. Szekely, Tran van Bien. Fine structure of heat flow path in semiconductor devices: a measurement and identification method. - Solid-State Electronics, v. 31, N9, 1988, p. 1363-1368.

64. Никандрова Л.И. Химические способы получения металлических покрытий. - Л.: Машиностроение, 1971, 104 стр. Табл.17, стр.32-34.

65. С.С. Симунова, Н.И., Лапенкова Н.И. Способ подготовки поверхности деталей из ферритов, керамики и ферритокерамики под нанесение металлических покрытий. Патент RU 2219284C1, опубл. 20.12.2003.

66. Каблов Е.Н. и авторы. Способ химического никелирования и раствор для его осуществления. Патент RU 2544319 C1, опубл. 20.03. 2015. Бюл. №8.

67. В.Н. Батыгин, И.И. Метелкин, А.М. Решетников. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. - М., «Энергия», 1973.- 408 с

68. Ю.Д. Третьяков Твёрдофазные реакции // М., "Химия",1978 г., с.359.

69. Справочник химика, Т.1 ГНТИХЛ, Ленинград-Москва, 1962, с. 1071.

70. А.А. Золотарев, Л.В. Чумакова. Особенности металлизации корпусов полупроводниковых приборов, изготовленных из металломатричного композита AlSiC. // Электронная техника, сер.2., Полупроводниковые приборы, 2018, вып.2 (249), 55-64 с.

71. Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом. - Л. Машиностроение, 1985, стр.10-11.

72. Гинберг А.А., Иванов А.Ф., Кравченко Л.А. Гальванотехника. Справочник. // М.: Металлургия, 1987, 735 с.

73. Золоторев А.А. Исследование качества пайки элементов корпуса полупроводникового прибора изготовленного из металлокерамического композита AlSiC // Российская научно-техническая конференция с международным участием «Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех - 2019)»: Сборник докладов конференции [Электронный ресурс] // Под ред. Кондратенко В.С. — М.: РТУ МИРЭА, 2019. — С. 158-161

74. Патанкар С. Численные методы теплообмена и динамики жидкости. // М.: Энергоатомиздат, 1984, 152 с.

75. Саад. Ю. Итерационные методы для разреженных линейных систем. // М.: МГУ, Т. 1, 2013, 560 с.

76. Саад. Ю. Итерационные методы для разреженных линейных систем. // М.: МГУ, Т. 2, 2013, 306 с.

77. URL: https://www-users.cs.umn.edu/~saad/software/SPARSKIT/ (дата обращения 24.11.2019).

78. Feldman S. I., Gay D., Maimone M. and Schryer N. L. A Fortran to C Converter. // ACM SIGPLAN Fortran Forum, vol. 9, issue 2, 1990, P. 21-22.

79. ANES/20XE: Код для численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена. Версия 2.20. Описание численных алгоритмов кода. М. 2016, с. 74

80. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Теория упругости. // М.: Наука., Т. VII, 1987, 248 с.

81. Сидоров В.Н., Вершинин В.В. Метод конечных элементов в расчёте сооружений // М.: АСВ, 2015, 288 с.

82. URL: https://www. maplesoft.com/products/Maple/index. aspx (дата обращения 24.11.2019).

83. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. // М.: Мир, 1986, 229 с.

84 Золотарев А.А., Иванов К.А. Программа расчета напряженно-деформированного состояния металломатричного композита. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019614711, дата регистрации 10.04.2019.

85. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. // М.: Мир, 1984, 328 с.

86. Баландин М.Ю, Шурина Э.П. Методы решения СЛАУ большой размерности. // Новосибирск: Издательство НГТУ, 2000, 70 с.

87. Золотарев А.А, Сидоров В.А., Миннебаев В.М., Сидоров К.В. Теплоотвод из металломатричного композита алюминий-карбид-кремния. Патент на полезную модель РФ №196004, опубл. 13.02.2020.