Повышение адгезии покрытий при металлизации керамических подложек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Мьо Чжо Хлаинг

• Мьо Чжо Хлаинг
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Мьо Чжо Хлаинг

Введение

Глава 1. Материалы, технология и оборудование, применяемые для металлизации керамических подложек

1.1. Керамические материалы, используемые в производстве силовых электронных модулей

1.2. Способы металлизации керамики, используемые при производстве силовых электронных модулей и электровакуумных приборов

1.3. Выводы по главе

Глава 2. Лабораторная установка для отработки технологии формирования металлических покрытий

2.1. Общая информация об установке для отработки технологии формирования металлических покрытий

2.2. Определение диапазона технологических режимов для формирования покрытий методом магнетронного распыления

3.3. Определение технологических режимов работы источника при нанесении покрытия меди методом пароструйного осаждения

3.4. Выводы по главе

Глава 3. Отработка технологии формирования двухслойных металлических покрытий на подложках оксида алюминия

3.1. Предварительная подготовка образцов перед проведением нанесения покрытия

3.3. Выявление влияния адгезионного подслоя на адгезионную прочность основного токопроводящего слоя

1.4. Выявление зависимости адгезионной прочности от режимов работы источника питания магнетронной распылительной системы

1.5. Выводы по главе

Глава 4. Выявление зависимостей свойств покрытий от положения подложки относительно источника материала

4.1. Выявление зависимости температурного режима нанесения от положения подложки относительно магнетронной распылительной системы

4.2. Выявление зависимости адгезионной прочности покрытий от положения подложки относительно магнетронной распылительной системы

4.3. Выводы по главе

Общие выводы и результаты работы

Список литературы

Приложение

П.1. Программа для расчета потока газа, проходящего через источник пароструйного нанесения материала

Введение

Силовые электронные модули применяются в областях техники, связанных с необходимостью передачи сильноточных сигналов. Типовыми областями применения таких модулей являются системы навигации летательных аппаратов, элементы коммутации силовых схем и другие высоконагруженные соединения. Центральным узлом модуля является керамическая подложка, на которой формируют токопроводящие дорожки и монтируют электронные компоненты. Готовую подложку часто называют коммутационной платой.

Подложка выполняет две основные функции:

Является диэлектрической основой печатной схемы, формируемой на одной или двух сторонах.

Обеспечивает отвод тепла, выделяемого полупроводниковыми кристаллами и элементами схемы.

Используемая для подложек керамика негигроскопична, термостойка, является изоляционным материалом с высокими механическими и диэлектрическими свойствами. Она отличается сравнительной простотой изготовления и невысокой стоимостью. При изготовлении силовых модулей используются керамические подложки из оксида или нитрида алюминия с многослойным металлическим покрытием толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон (в зависимости от применения), обеспечивающим требуемую степень адгезии покрытия к керамике и наносимым с одной или с обеих сторон керамической пластины.

Основными требованиями к готовому изделию являются минимальные габариты и низкая стоимость материалов и процесса производства. Кроме того, решающими факторами являются высокие технические характеристики, устойчивость к воздействию окружающей среды и безотказность. Конструкция готового модуля должна обеспечивать минимальные значения переходных тепло-

вых сопротивлений, распределенных индуктивностей силовых шин, высокое напряжение изоляции.

Адгезионная прочность зависит от многих факторов: технологии получения покрытия, материала пленки, материала подложки; и может снижаться в процессе эксплуатации готового изделия. В процессе работы силовых модулей они подвергаются тепловым и механическим нагрузкам, в том числе вибрации. Это приводит к разрушению компонентов от перегрева и механическим повреждениям модулей. Часто разрушение происходит в структуре подложка-проводящее покрытие. Основной причиной такого разрушения является низкая адгезионная прочность металлической пленки к керамическому основанию.

Исследованиями технологий формирования покрытий и силовых модулей в целом занимались С. Флюренцев (анализ современного состояния и прогноз развития приборов силовой электроники), Ю. Непочатов (разработка технологии изготовления металлизированных подложек для изделий силовой электроники), В.К. Егоршев (формирование соединений металл-керамика). Исследованиями тонкопленочной технологии занимались Ю. В. Панфилов (изучение технологии формирования тонкопленочных покрытий), В.В. Одиноков (технологии металлизации в вакууме), М. К. Марахтанов (формирование тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления). Однако, до настоящего времени остались не решенными вопросы использования тонкопленочных технологий на керамических подложках при производстве силовых высоконагруженных модулей.

В настоящее время при производстве силовых модулей промышленностью для металлизации используются атмосферные толстопленочные технологии, такие как вжигание пасты, Direct Bonding Coating (DBC), Direct Plated Coating (DPC), холодное газодинамическое нанесение. Переход на тонкопленочные технологии такие как термическое испарение и магнетронное распыление позволят получить стабильное качество покрытий и воспроизводимость результатов при их получении. Из-за этого возникла необходимость получения токопроводящих покрытий на керамических подложках, используемых для

производства силовых модулей, методами тонкопленочной технологии. Однако для тонкопленочных технологий до настоящего момента не решены вопросы получения стабильных значений адгезионной прочности на керамических подложках, что сдерживает их внедрение в производство изделий силовой электроники и электровакуумных приборов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение адгезии покрытий при металлизации керамических подложек»

Цель работы

Повышение адгезионной прочности покрытий при металлизации методами тонкопленочной технологии керамических подложек, используемых для изготовления устройств силовой электроники и электровакуумных приборов.

Задачи исследований

1. На основе анализа существующих требований к устройствам силовой электроники и электровакуумным приборам, а также методов получения металлических покрытий, определить требования к материалам и технологии металлизации керамических поверхностей.

2. Разработать лабораторную установку для проведения исследований процессов нанесения покрытий на керамические подложки.

3. Определить технологические режимы нанесения покрытий, обеспечивающие адгезионную прочность получаемых покрытий более 50 МПа.

Научная новизна работы

1. Показано, что при нанесении адгезионного подслоя титана методом магнетронного распыления при давлении 1,5 Па при расположении подложки на расстоянии от 25 до 60 мм и углах наклона подложки относительно мишени от 0° до 180° шероховатость адгезионного подслоя титана зависит от расположения подложки и её угла наклона относительно мишени магнетронной распылительной системы во время формирования такого адгезионного подслоя.

2. Выявлено, что при нанесении покрытий меди на подложках оксида алюминия с исходной шероховатостью поверхности Яа = 1,6 мкм уменьшение шероховатости адгезионного подслоя титана от значения Яа = 10,0 мкм до

значения Ra = 2,0 мкм приводит к увеличению показателя адгезионной прочности от балла 3 до балла 0 при проведении измерений по методу сетчатых надрезов в соответствии с ГОСТ 31149-2014 (ISO 2409:2013).

3. Выявлено, что при нанесении адгезионного подслоя титана методом магнетронного распыления при давлении 1,5 Па при расположении подложки на расстоянии от 25 до 60 мм и углах наклона подложки относительно мишени от 0° до 180° наибольшее влияние на адгезионную прочность покрытий оказывает угол наклона подложки.

Практическая ценность работы

1. Разработана, отлажена и введена в эксплуатацию лабораторная установка для отработки получения многослойных покрытий в едином вакуумном цикле. Установка используется для выполнения научно-исследовательских работ студентов и при проведении лабораторных работ при подготовке бакалавров по направлениям «Электроника и наноэлектроника» и «Наноинжене-рия».

2. Получены значения параметров технологических режимов, позволяющие повысить адгезионную прочность соединений металл-керамика.

3. Разработанная технология может быть использована в производстве изделий электронной техники для замены толстопленочных технологий при формировании токопроводящих слоев силовых электронных модулей и соединений металл-керамика в конструкциях электровакуумных приборов.

4. Получены зависимости, позволяющие определить оптимальное положение подложки в зоне нанесения для получения заданных характеристик адгезионной прочности покрытий.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается согласованностью полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием со-

временных средств измерений и стандартных методик проведения исследования, а также методов статистической обработки данных.

На защиту выносятся

1. Зависимость шероховатости адгезионного подслоя титана от положения подложки и её угла наклона относительно мишени магнетронной распылительной системы.

2. Диапазон значений положения подложки относительно мишени магнетронной распылительной системы и технологических режимов, позволяющие получать покрытия меди на подложках оксида алюминия с адгезионной прочность не хуже 50 МПа.

3. Результаты исследования адгезионной прочности токопроводящих покрытий меди на подложках оксида алюминия, полученных при различных технологических режимах, как с адгезионным подслоем, так и без него.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана, (Москва, 2015, 2016, 2017, 2018 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна: Машиностроительные технологии» (Москва, 2015 г.), на XXI научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Крым, 2015 г.), на XI международной научно-технической конференции (Москва, 2016 г.), на XXII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Крым, 2016 г.), на XII международной научно-технической конференции (Москва, 2017 г.), на 24-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Вакуумная техника и технологии» (Санкт-Петербург, 2017 г.), на XXIV научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Крым, 2017 г.), на 25-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Вакуумная техника и

технологии» (Санкт-Петербург, 2018 г.), на XXV научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Крым, 2018 г.).

Внедрение результатов работы

Материалы диссертационной работы и полученные результаты использованы в учебном процессе кафедры электронных технологий в машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Результаты работы целесообразно использовать при разработке технологических процессов металлизации керамических подложек модулей силовой электроники, а также керамических элементов узлов электровакуумных приборов. Предложенную компоновку лабораторной установки целесообразно использовать в исследовательских лабораториях высших учебных заведений и научно-исследовательских центров.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 1 статья в журнале, рекомендуемом ВАК РФ, 2 статьи в журналах, входящих в систему цитирования SCOPUS и 6 докладов на всероссийских и международных научно-технических конференциях.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в проведении аналитического обзора методов металлизации; выявлении требований к соединениям металл-керамика применительно к области производства силовых электронных компонентов; разработке, монтажу и наладке лабораторной установки для отработки технологии нанесения покрытий; проведения работ по отработке технологии; исследованию полученных образцов, обработке экспериментальных данных и выдаче рекомендаций по использованию результатов работы.

Глава 1. Материалы, технология и оборудование, применяемые для металлизации керамических подложек

1.1. Керамические материалы, используемые в производстве силовых электронных модулей

Растущий спрос на надёжные силовые модули высокой мощности вызван бурным развитием рынка силовых преобразовательных устройств, таких как: приводов, систем управления потреблением энергии, источников питания различного назначения (бесперебойных, импульсных) и транспортных средств на электрической тяге [5].

В автомобильной промышленности имеется много применений, например в подкапотной области, где температура приближается к 200° ^ датчиках и контроллерах выхлопных систем, где максимальные температуры могут достигать 650° С

Для бортового контроля работы двигателя требуются электронные приборы, способные надежно функционировать при температурах свыше 400° С Для обеспечения надежности безопасной эксплуатации самолетов, требования к температурной устойчивости устройства могут быть расширены до диапазона от 500 до 600° С

Независимо от применения ключом к успешной высокотемпературной электронике являются стабильные высокотемпературные электронные компоненты (интегральные схемы, резисторы, конденсаторы), и покрытие этих компонентов с использованием правильно подобранных материалов [7].

В процессе работы модули подвергаются различным воздействиям, что приводит к выходу их из строя.

Основные причины снижения адгезионной прочности показаны в Таблице 1.

Основные причины снижения адгезионной прочности

Причина Результат

Термомеханическая несовместимость материала подложки и слоя металлизации Отслоение пленки от подложки, разрушение пленки

Химическая несовместимость материала подложки и металлизации Окисление покрытия, изменение электрических свойств, разрушение пленки

Низкая теплопроводность материала подложки Перегрев элементов, разрушение паяных соединений

Внешний вид элементов, подвергшихся разрушению показан на Рис.

1.1.

Рис. 1.1. Разрушение токопроводящей дорожки при термоциклировании из-за разницы коэффициентов теплового расширения подложки и материала покрытия (слева) и выгорание элементов модуля (справа) из-за перегрева.

Основным элементом конструкции силового модуля является металлизированная керамическая подложка, на которой расположены силовые полупроводниковые кристаллы [5].

Подложка - основа многих электронных компонентов и интегрированных изделий, влияющая на их параметры. При производстве силовых модулей распространено использование керамических подложек. Это определяется их экологичностью, доступностью исходного сырья, стойкостью к окисле-

нию, способностью выдерживать экстремально высокие температуры и на порядок более высокой, чем у металлов, упругостью [6].

Керамическая подложка выполняет следующие основные функции [5]:

- является несущим элементом для электронных компонентов и токо-проводящих дорожек;

- осуществляет электрическую изоляцию токоведущих шин топологического рисунка, расположенных на одной стороне, друг от друга, а также от токоведущих шин на другой стороне;

- передает тепло, выделяемое активными силовыми полупроводниковыми кристаллами (диодами, транзисторами, тиристорами), на теплоотводы и радиаторы.

Внешний вид керамической подложки с сформированной топологией коммутационных дорожек представлен на Рис. 1.2.

Отвод тепла через подложку, на которой размещаются тепловыделяющие чипы, является простым и удобным средством снижения теплового сопротивления цепи и, соответственно, температуры полупроводниковых элементов.

Используемая для подложек керамика негигроскопична, термостойка, является изоляционным материалом с высокими механическими и электрическими свойствами. Она отличается сравнительной простотой изготовления и невысокой стоимостью [5].

В качестве основы коммутационных плат силовых модулей используются керамические подложки на основе оксида алюминия Al2O3 и нитрида алюминия AlN с медным слоем с одной или обеих сторон керамической пластины. Это обеспечивает безотказность и высокое напряжение пробоя изоляции, а также минимальные значения тепловых сопротивлений. Поверхность керамических подложек, полученных по стандартной технологии спеканием (sintered) и обжигом (as-fired) исходных

Рис. 1.2. Внешний вид коммутационной платы, выполненной из керамического материала, на которой сформирована топология проводящих

дорожек

материалов, имеет множество дефектов. Поэтому перед нанесением рисунка и дальнейшими операциями производства поверхность основания шлифуют и полируют, при необходимости с двух сторон. Практически все известные компании-производители подложек для элементов и устройств микроэлектроники, а также фирмы, занимающиеся контрактным производством интегральных схем, выполняют такую предварительную обработку поверхности [6].

Каждый материал подложки имеет свои особенности, определяющие область применения.

Наиболее популярен оксид алюминия Al2O3 (alumina). Это синтетический материал кристаллической структуры, применяемый в интегральных схемах средней или небольшой мощности с кремнием (Si), арсенидом галлия (GaAs) и др. в диапазоне ВЧ. Полированные подложки из Al2O3 применяются и в СВЧ-диапазоне. Для толстопленочных схем подходит оксид алюминия с процентным содержанием 96%, а для тонкопленочных - 99,6%-й Al2O3.

Общие характеристики керамики, используемой для изготовления подложек

[6].

Свой ства Электр о-изоляция Теплопровод-ность Макс. темп. прим. , 0с Термо-стойкость Износо-стойкость Удар°- прочность Устой- чи-вость к коррозии

Оксид алюминия (^3 ) Хорошая Приемлемая 1900 Приемлемая Хорошая Слабая Хорошая

Нитрид алюминия ^Ш) Отличная 1200 Приемлемая Приемлемая

Кварц Приемлемая 1100 Хорошая Неприемлемая Непри-при-емле-мая Слабая

Карбид кремния спе-ченый Непри-емле-мая Хорошая 1800 Отличная Отличная При-емле-мая Хорошая

Широкое распространение в электронике эти подложки получили благодаря исключительному сочетанию электрофизических свойств в широком диапазоне частот, высокой износостойкости и устойчивости к коррозии при очень высоких температурах, а также механической прочности. Наличие же оксида делает такую подложку устойчивой и к радиации.

В электронике чаще всего применяется оксид алюминия с содержанием от 80 до 99,99% А^^ Подложки на основе 75%-го Al2O3 обладают большей

прочностью при изгибе и лучшим качеством поверхности, чем материалы с более высоким процентным содержанием оксида. Однако, при снижении процентного содержания Al2O3 возрастает значение диэлектрических потерь. В зависимости от процентного содержания, Al2O3 можно встретить под разными названиями: муллит (70-95% Al2O3), корунд, алюминооксид, поликор (более 95% А^ОД

Оксид бериллия ВеО (ЬепШа) имеет непревзойденное сочетание электрофизических, температурных и механических свойств и обладает теплопроводностью на порядок большей, чем у оксида алюминия. Это делает его наиболее привлекательным для применения в высокомощных толсто- и тонкопленочных интегральных элементах и устройствах диапазона от 50 Гц до СВЧ. Однако токсичность оксида бериллия ограничивает его применение. Большинство производителей электронных устройств заменили ВеО на более безопасный нитрид алюминия АШ, чьи свойства наиболее близки к свойствам ВеО.

Теплопроводность АШ находится в диапазоне от 170 до 220 Вт/(м°К), ее значение зависит от исходных порошковых материалов и способа производства подложки. Коэффициент термического расширения нитрида алюминия равен 5,6 ррт/°С и близок к аналогичному параметру кремния (4,1 ррт/°С) и арсенида галлия (6,5 ррт/°С). Кроме того, этот материал может использоваться в толсто- и тонкопленочной технологии, для высокотемпературной пайки или пайки мягким припоем. Минусы нитрида алюминия - непригодность к применению во влажной среде, при механических ударах и температурах более 1000°С. Поэтому для изготовления высокотемпературных изделий вместо АШ и ВеО применяются алмазные подложки [6].

По теплопроводности и коэффициенту теплового расширения подложки на основе АШ аналогичны кремниевым кристаллам,в отличие от подложек на основе оксида алюминия. Это дает лучшую стойкость к термоцикли-рованию и возможность использования в модулях большей мощности. Обла-

стями применения таких модулей являются железнодорожная техника и другие устройства, испытывающие значительные температурные воздействия.

Карбид кремния SiC (карборунд) применяется для производства полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия. Такая область применения обусловлена высоким значением теплопроводности и большим показателем износостойкости.

Плавленый кварц SiO2 (Fuzed Silica) используется для создания микросхем, фильтров со стабильными характеристиками, генераторов и других устройств, работающих по принципу пьезоэлектрического эффекта.

Сапфир (99,99999% Al2O3) - синтетический материал с кристаллической структурой, использующийся в различных областях промышленности: от оптоэлектроники до производства часов. На его основе изготавливаются радиочастотные переключатели для мобильных устройств с пониженным энергопотреблением. Благодаря высокой химической чистоте, после полировки поверхность сапфира становится очень гладкой. Использование сапфира для подложек ограничивается в основном его стоимостью и трудностью изготовления.

Электрофизические свойства подложки определяются составом и структурой кристаллических фаз, образующих керамику определенного вида. Самые важные свойства - это относительная диэлектрическая проницаемость S (определяет электроизоляционные свойства материала) и тангенс угла диэлектрических потерь tgS (определяет погонные диэлектрические потери).

Термомеханические свойства - комплекс показателей, характеризующих механические свойства керамических материалов при изменении температуры. В спецификации материалов чаще всего приводятся предел прочности при изгибе аизг (flexural strength, МПа) и предельная температура применения подложки Тмакс (maximal temperature of use, °С).

В ассортименте компаний - производителей подложек представлен широкий спектр изделий из описанных материалов. Подробная информация о свойствах используемой керамики представлена в Таблице 3.

Электрофизические характеристики керамических материалов различных

производителей [6]

Состав Фирма Название £r на чистоте 1 МГц Tg<5. 10-4 на чистоте 1 МГц Я, Вт/(м. К) КТР, ррм/°С для 200800° Рк> г /см3 аизг МПа

75% А120з CeramTec Rubalit HSS 9 22 9,5 800

85% AI2O3 GBC materials GBC 85% 7,6 6 23 3,4

96% AI2O3 НЭВЗ-Керамикс 9 2 2467 8,2 3,72 > 300

GBC materials GBC 96% 9 3 24 3,67

Поликор BK-96 9,2±0,2 4 7,9 3,7 310,8

Kyocera A-476 9,4 4 24 7,9 3,7 350

Diel Labs PJ 9,5±1 4 26 6,48,2

CoorsTek DuraStrate 9,55 4 8,4 3,81 482

Maruwa HA-96-2 9,8 3 24 7,8 3,75 500

CeramTec Rubalit 708 HP 9,9 24 8,03 500

99,5% AI2O3 Microcer-tic AL-995 9,58 3,2 29,3 9,43 3,86 296

Accumet 9,6 35 8,43 3,73,97 310-379

MTC Deranox 995 9,7* 1 25,6 8,5 3,89 330

CoorsTek ADS-995 9,8 1 25,5 8,33 3,88 572

ATC - 9,8 2 0,088 6,7 - -

DuPont - 9,8 2 36 8,2 3,85 380

Таблица 3 (продолжение)

Accumet - 9,9±0,1 - 27 7-8,3 3,87 -

Diel Labs Pl 9,9±0,15 1 27 6,57,5

Kyocera A493 9,9±2 2 33 8,2 3,86 -

99,6% CoorsTek ADS-996 9,9 1 26,6 8,3 3,88 592

А120з CoorsTek Superstrate TPS 9,9 1 27 8,2 3,95 682

CoorsTek Superstrate 996 9,9 1 26,9 8,2 3,88 620

Maruwa HA-996 9,9 2 29 8,1 3,85 -

CeramTec Rubalit 710 10,1 2 28 8,5 3,9 400

99,7% AI2O3 Поликор BK-100-1 9,6±0,2 1 8 3,96 320

99,9% AI2O3 MTC Deranox 999 10,1 1 30 8,9 3,95 500

ATC - 6,6* 3 0,6 7,5 - -

American Berillia BERLOX 6,6 3 265 8 2,85 242

MATERION BW 1000 6,7 120 - 9 - -

DuPont - 6,7 3 260 8,5 2,89 230

Accumet - 10,2 - 270 9 2,85 225

Diel Labs AG 8,6±0,35 50 140180 4,6

Microcertic ALN 8,6 50 180 5,6** 3,32 300

Accumet K170 8,6 - 170 4,6 3,28 -

AdTech 8,6 10 160 4 0** 3,26 280

ATC - 8,7 10 0,4 4,5 -

Kyocera AN215 8,7 3 150 4,8 3,4 310

Таблица 3 (окончание)

НЭВЗ-Керамика - 8,7 3 180200 6,2 3,3 260

DuPont 8,9 1 170200 4,6 2,3 290

CeramTec Alunit 9 1 180 5,6 3,33 360

Maruwa AN-XXX 9 3 180230 5,4 3,253,30

ATC - 3,78 1 0,0033 0,5 - -

Diel Labs QZ 3,82 0,15 1,28 0,55 - -

MTC HVX(99,9 Si02) 3,6 0,9 0,5 1,35 15,2

Accumet - 3,826 0,15 - 0,55 2,2 -

Microcertic SiC - - 125 5,2 >3,1 400

* Для чистоты 10 ГГц

** Для температуры 20-1000°С.

Предел прочности при изгибе определяет кратковременную прочность керамики при рабочей температуре. Предельная температура применения керамического материала лежит между температурой начала размягчения и температурой, при которой образец деформируется на 4%.

Основные теплофизические свойства, определяющие температурную стойкость керамики, - теплопроводность X (thermal со^иСгуйу, Вт/(мК)) и температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (КТР, CTE -coefficient of thermal expansion, ppm/°C).

Теплопроводность определяет скорость распространения тепла через материал. Температурный коэффициент линейного расширения определяется как относительное изменение линейных размеров образцов керамического материала при нагревании на 1°С. При производстве пленочных интегральных схем необходимо максимально согласовывать ТКЛР подложки и пленок.

Зависимость теплопроводности различных керамических материалов от рабочей температуры показана на Рис. 1.3.

Температурные свойства характеризуют способность материала выдерживать высокие температуры. В целом характеристики керамических материалов меньше зависят от температуры, чем характеристики металлов. Одно из важнейших свойств этой группы - термостойкость, или стойкость к тепловому удару (thermal shock resistance), определяющая способность керамического материала выдерживать резкие колебания температуры, не разрушаясь. Термическая стойкость керамических материалов зависит от их физико-химических и механических свойств, формы и размера изделий, условий их нагревания и охлаждения.

Многообразие современных неорганических базовых материалов позволяет подобрать вариант материала подложки, подходящий для производства интегральных схем, толсто- и тонкопленочных элементов и устройств, удовлетворяющих необходимым требованиям. При выборе подложки нужно руководствоваться наиболее важными для проектируемого устройства параметрами [6].

О 100 200 300 400

Т 0 с

Рис. 1.3. Зависимость теплопроводности различных керамических материалов от рабочей температуры

1.2. Способы металлизации керамики, используемые при производстве силовых электронных модулей и электровакуумных приборов

Проведение металлизации возможно различными методами как при атмосферном давлении (методом холодного газодинамического напыления или накатыванием металлической фольги, в жидкой среде гальваническим методом), так и в вакууме с использованием элионных технологий, которые являются одними из самых эффективных и экологически чистых методов.

В Таблице 4 приведена классификация основных способов металлизации керамики.

Таблица 4.

Классификация способов металлизации керамики

Способы металлизации

Атмосферные Вакуумные

DBC (Direct Bonded Copper) Резистивное испарение

DPC (Direct Plated Copper) Дуговое испарение

ХГН (Холодное газодинамическое напыление) Магнетронное распыление

Вжигание пасты Пароструйное осаждение (JVD)

Рассмотрим эти методы подробнее.

Одним из наиболее часто используемых способов является толстопленочная технология методом вжигания.

В основе толстоплёночной технологии вжигания пасты лежит использование дешёвых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовременных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надёжность толстоплёночных элементов обуЛ

словлена прочным (свыше 50 кгс/см ) сцеплением с керамической подлож-

кой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.

В целом толстоплёночная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов: приготовление пасты, изготовление сетчатых трафаретов, нанесение пасты трафаретной печатью, сушка, вжигание паст в конвейерных электропечах и смена пасты и трафарета.

При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектрического и т.п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По завершении формирования всех слоёв резисторы и конденсаторы могут проходить подгонку (обычно лазерную) до заданной точности.

Технология Direct Bonding Copper (DBC) представляет собой технологию плакирования медной фольги (толщиной 0,125-0,7 мм) на керамическую подложку из оксида или нитрида алюминия. Технология состоит в следующем. Предварительно медная фольга обрабатывается с одной стороны с целью получения со стороны, припрессовываемой к керамике, тонкого слоя черного оксида меди. В процессе создания DBC структуры, обработанную медную фольгу нагревают до температуры от 1065 до 1085° С и припрессовывают к керамике. При этом происходит эвтектическая связь и взаимная диффузия молекул кислорода в зоне ее контакта с керамикой, которая может быть описана уравнением:

CuO + A2O3 = Cu M2O4

Схема технологического процесса нанесения покрытия методом DBC представлена на Рис. 1.4.

Достоинствами метода являются:

1. Относительная простота процесса.

2. Возможность получения толстых слоев меди.

3. Высокие эксплуатационные свойства покрытия.

К недостаткам метода следует отнести:

1. Разницу в КТР меди и керамики, что вызывает механические напряжения в подложке при термоциклировании. Для повышения надежности следует подбирать толщины пары «керамика-медь».

2. Сложность формирования переходных отверстий в подложке.

3. Вследствие того, что керамика на основе нитрида алюминия отличается низкой адгезией к ней меди, требуется дополнительная обработка ее поверхности с целью получения тонкого слоя оксида меди на поверхности, что увеличивает тепловое сопротивление.

4. Высокая себестоимость.

Технология Direct Plated Coating (DPC) предусматривает напыление тонкослойной металлизации методом вакуумного осаждения тонких пленок с последующим ее наращиванием до необходимой толщины гальваническим способом. DPC — частный случай технологии Active Metal Brazing (AMB) — технологии активной «приварки» металлов к керамике, поскольку она предусматривает использование именно меди в качестве основного металла.

Обычно напыляют пару титан-медь: титан обеспечивает хорошую адгезию к керамике, а медь — один из лучших по теплопроводности металлов. После напыления медь наращивают гальваническим способом.

Достоинствами метода являются:

1. Очень хорошая адгезия металла к керамике.

2. Превосходные электрические свойства.

3. Возможность формирования переходных отверстий.

К недостаткам метода следует отнести:

1. Сложность технологического процесса

2. Высокая себестоимость.

Технология холодного газодинамического напыления металлов (ХГН) является относительно новой применительно к использованию в производстве электронных приборов.

Рис. 1.4. Схема технологического процесса Direct Bonding Coating (DBC)

Технология основана на эффекте закрепления частиц металла, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней. Температура при этом обычно не превышает 150° С, поэтому процесс получил название «холодного напыления». Несмотря его дешевизну и универсальность применительно к разным областям машиностроения и активную рекламу для применения в электронике [5], применительно к этой области он требует пристального внимания и изучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мьо Чжо Хлаинг, 2018 год

источника питания

Определено, что подложка нагревается до температуры 220 °С и выше, причем на начальной стадии скорость нагрева достигает до 40 °С/мин.

Очевидно, что достигнутые скорости нагрева подложек в начальный период нанесения приводят к их разрушению. Чтобы избежать разрушения, необходимо ограничивать температурное воздействие на подложку во время формирования покрытий. Это можно сделать, увеличив расстояние от мишени до подложки, однако, такой способ приведет к значительному падению скорости формирования покрытия.

В ходе проведения измерений температуры было выявлено, что благодаря диффузному рассеянию материала в зоне нанесения происходит запы-ления обратной стороны подложки, которая обращена в сторону, противоположную мишени магнетронной распылительной системы. Внешний вид такого образца показан на Рисунке 4.3. На рисунке видна пленка, полученная на обратной стороне подложки. Пленка сформирована в виде окружностей, так как площадка подложкодержателя имеет отверстия соответствующей формы и, фактически, работает как маска.

Рис. 4.3. Запыление задней стороны подложки во время нанесения покрытия

Для проверки гипотезы о влиянии диффузного рассеяния на запыление обратной стороны подложки была рассчитана длина свободного пробега молекул в зоне формирования покрытий. Она составила

т 0,63 0,63 _

Ь =-=-« 0,63 см,

р 1

что примерно в 10 раз меньше, чем расстояние от подложки до мишени.

Известно, в вакуумной камере при пониженном давление теплообмен происходит преимущественно за счет излучения. В теории лучистого теплообмена величина потока, падающего на одну поверхность с другой поверх-

ности, зависит от углового коэффициента, который может быть рассчитан по формуле

ve * Ss * cos ф * cos в * а

vc =-2-

п * г2

где ф и в углы между линией, соединяющей поверхности к и их нормалями.

Следовательно, изменяя угол наклона подложки относительно мишени, можно снизить величину теплового воздействия на нее. При этом должно быть такое положение подложки, при котором температурное воздействие минимально, а скорость формирования покрытия достаточна.

Для проведения исследований зависимости температурного воздействия от положения подложки относительно мишени была спроектирована и изготовлена специальная оснастка, позволяющая размещать подложки на разном расстоянии и под разными углами относительно магнетронной распылительной системы. Это позволило регулировать температурное воздействие на подложку со стороны магнетронной распылительной системы. При удалении подложки от мишени и увеличении угла расположения подложки относительно мишени магнетронной распылительной системы снижается температурное воздействие на подложку и растущую пленку, а также происходит снижение скорости роста покрытия. Схема оснастки и расположения образцов приведена на Рис. 4.4.

Температура подложки была измерена для разных положений подложки. Максимальное расстояние от мишени до подложки составляло 110 мм, а минимальное расстояние между ними составляло 75 мм.

Результаты измерения температуры для различных положений под-локжи относительно мишени представлены на Рис. 4.5.

Рис. 4.4. Схема расположения подложки на подложкодержателе с разными углами и расстояниями от мишени до подложки

Рис. 4.5. Зависимость температуры подложки от угла и ее расположения

относительно мишени

4.2. Выявление зависимости адгезионной прочности покрытий от положения подложки относительно магнетронной распылительной системы

Для выявления влияния положения подложки во время нанесения адгезионного подслоя на адгезионную прочность покрытий были проведены эксперименты по формированию адгезионного подслоя титана помощью ранее описанной оснастки. Основными целями экспериментов являлись определение влияния угла наклона подложки на толщину пленки, ее шероховатость и адгезионную прочность. Режимы, при которых были получены образцы покрытий, указаны в Таблице 31.

Таблица 31.

Режимы нанесения адгезионного подслоя, использованные для выявления влияния положения подложки на свойства получаемого покрытия

№ режима Скорость подачи газа, л/с Рабочее давление Р, Па Мощность ^^ Вт Напряжение и, В Время нанесения 1, мин

I 2,4 1,5 380 595-690 15

II 2,4 1,5 380 650-674 15

Для каждого режима проводилось одиновременное напыление на подложки, расположенные на различных позициях подложкодержателя. Подложки располагались под разными углами по отношению к мишени магнетрона. Для каждого режима нанесение было выполнено три раза. Таким образом, для каждого из режимов был получен 21 образец.

На всех образцах была сформирована ступенька, позоволяющая измерить толщину пленки. Фотографии полученных образцов представлены на Рис. 4.6.

Образцы были исследованы на атомно-силовом микроскопе. В процессе исследований измерялась толщина и шероховатость покрытия. Результаты измерения представлены в Таблице 32.

а) б)

а - режим напыления А; б - режим напыления Б Рис. 4.6. Внешний вид образцов с нанесенным адгезионным подслоем

Как видно из таблицы, в экспериментах угол наклона образца по отношению к мишени мало влияет на толщину полученного тонкопленочного покрытия. Это подтверждает предположение о том, что формирование покрытия происходит в облаке молекул распыленного материала, в режиме диффузного рассеяния.

Однако, результаты измерения шероховатости покрытий показали высокое влияние положения подложки относительно мишени на шероховатость покрытия. Наибольшую шероховатость имеют образцы, полученные при угле наклона относительно мишени равном 30°, наименьшее значение шерохова-

тости показали образцы, полученные при угле наклона равном 180°, то есть параллельные мишени.

Зависимость шероховатости пленки от угла наклона показана на Рис.

4.7.

Таблица 32.

Результаты определения толщин и шероховатости адгезионного подслоя

№ режима № образца Угол наклона образца, ° Толщина покрытия, мкм Шероховатость Яя, нм

1 180 1,32 1,257

2 60 1,46 3,348

3 30 1,57 3,650

А 4 90 1,19 1,112

5 30 1,39 9,471

6 60 1,34 4,768

7 180 1,33 1,717

1 180 1,42 2,896

2 60 1,36 5,432

3 30 1,22 6,762

Б 4 90 1,29 1,026

5 30 1,51 10,130

6 60 1,46 4,325

7 180 1,34 1,122

Полученные в процессе нанесения образцы были исследованы при помощи метода сетчатых надрезов. Внешний вид покрытий, полученный с помощью микроскопа, показан в Таблице 33.

Рис. 4.7. Зависимость шероховатости образцов от угла наклона относительно мишени магнетронной распылительной системы

Таблица 33.

Внешний вид адгезионного подслоя после нанесения и после проведения испытаний по методу сетчатых надрезов

Положение подложки (расстояние до мишени/мм, угол) Вид покрытия после нанесения Вид покрытия после испытаний

60/90° ШШИ • Ш^^^^КК А. Т 7

75/30° % • • Л"'* ■ * - —1 па

90/60° ШШ

110/180°

Покрытия, полученные в непосредственной близости от мишени, показали низкую стойкость. Повреждения на них видны еще до проведения испытаний. Скорее всего, это связано с температурным воздействием, которому подвергается пленка в процессе роста.

Наилучший результат показали покрытия, полученные под углами 60° и 180° по отношению к мишени. Измерения шероховатости показало, что наименьшую шероховатость покрытия имели образцы, полученные под углом 30° и 60°. Однако, с увеличением расстояния от подложки до мишени резко падает скорость роста покрытия.

После нанесения на адгезионный подслой основного слоя меди были проведены повторные испытания по методу сетчатых надрезов. Внешний вид образцов приведен в Таблице 34.

Как и в предыдущем случае покрытия, в которых адгезионный подслой был получен в непосредственной близости от мишени, показали низкую стойкость. Повреждения на них видны еще до проведения испытаний. Скорее всего, это связано с температурным воздействием, которому подвергается пленка в процессе роста.

Наилучший результат показали покрытия, полученные под углами 60° и 180° по отношению к мишени. Измерения шероховатости показало, что наименьшую шероховатость покрытия имели образцы, полученные под углом 30° и 60°. Однако, с увеличением расстояния от подложки до мишени резко падает скорость роста покрытия.

Таблица 34.

Внешний вид основного слоя после нанесения и после проведения испытаний по методу сетчатых надрезов

Положение подложки (расстояние до мишени/мм, угол)

Вид покрытия после нанесения

Вид покрытия после испытаний

60/90°

75/30°

90/60°

110/180°

4.3. Выводы по главе 4

1. Температурное воздействие от горячей мишени на подложку может приводить к разрушением подложки во время формирования покрытия. Для снижения температурного воздействия можно изменять угол расположения подложки относительно мишени. При подобранных режимах это не приводит снижению скорости роста пленки.

2. Угол расположения подложки относительно магнетронной распылительной системы оказывает существенное влияние на шероховатость получаемого покрытия и его адгезионную прочность.

Общие выводы и результаты работы

1. Определено, что наиболее перспективным методом для получения покрытий в силовых электронных модулях и электровакуумных приборах является использование вакуумных методов, таких как магнетронное распыление и термическое испарение. Для увеличения скорости нанесения покрытий возможно использование указанных методов в сочетании с методом пароструйного осаждения.

2. Использование магнетронных распылительных систем с горячей мишенью может приводить к разрушению подложки на начальной стадии формирования покрытия.

3. Шероховатость адгезионного подслоя титана влияет на адгезионную прочность токопроводящего слоя меди на подложке оксида алюминия. Минимальные значения шероховатости Яа<2,0 мкм, необходимые для достижения максимальных значений адгезионной прочности до 60 МПа, могут быть получены при расположении подложки относительно магнетрон-ной распылительной системы под углом 90° и 180° при расстоянии от мишени до подложки от 25 до 60 мм.

4. Использование разработанной лабораторной установки формирования покрытий позволяет проводить отработку технологии формирования двухслойных покрытий в едином вакуумном цикле. Модульная конструкция установки обеспечивает мобильность и позволяется легко расширять состав технологических методов во время исследований.

5. Установка может быть использована для проведения исследований и в учебном процессе при подготовке специалистов по направлениям «Электроника и наноэлектроника» и «Наноинженерия».

Список литературы

1. Баданова Н.В., Колесник Л. Л. Способ металлизации керамических подложек. [Электронный ресурс] // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна 2014: Машиностроительные технологии».- М.: МГТУ им. Н.Э Баумана. URL: http:// studvesna.ru/db_files/articles/1340/article.pdf (дата обращения:18.06.2015)

2. Блинов И.Г., Кожитов Л.В. Оборудование полупроводникового производства : Учебное пособие для студентов вузов. М. : Машиностроение. 1986. 264 с.

3. Вакуумная техника: Справочник (3-е изд.)/ К.Е. Демихов [и др.]; Под общ. ред. К.Е. Демихова, Ю.В. Панфилова., перераб. И доп. М.: Машиностроение, 2009. 590 с.

4. Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники : Учебник для студентов специальности «Электронное машиностроение». В 2 т.т. / Н.В. Василенко [и др.]. Красноярск. Сиб. аэрокосм. акад. : Кн. изд-во, 1996. Т. 1. 256 с.

5. Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники : Учебник для студентов специальности «Электронное машиностроение». В 2 т.т. / Н.В. Василенко [и др.]. Красноярск. Сиб. аэрокосм. акад. : Кн. изд-во, 1996. Т. 2. 416 с.

6. Волчкевич Л.И. Автоматизация производства электронной техники : Учебное пособие. М. : Высшая школа. 1988. 287 с.

7. Волчкевич Л.И. Надежность автоматических линий. М. : Машиностроение. 1969. 309 с.

8. Данилин Б. С., Неволин В. К., Сырчин В. К. Исследование магнетрон-ных систем ионного распыления материалов. Электронная техника. Сер. Микроэлектронника, 1977. Вып. 3 (69). С. 37 - 44.

9. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М. : Радио и связь. 1982 г. 72 с.

10.Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М. : Издательство «Мир», 1964. 715 с.

11.Деулин Е.А. Методические указания для выполнения домашнего задания и курсовых проектов по курсу «Основы вакуумной технологии». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 29 с.

12.Карпенко А.Ю., Батурин В.А. Источники кластерного пучка. Часть 1. Методы получения кластерных пучков // Журнал нано и электронной физики 2012. Том 4, № 3. С. 1-13

13.Карпенко А.Ю., Батурин В.А. Источники кластерного пучка. Часть 2. Формирование кластерных пучков в сопловых источниках // Журнал нано и электронной физики 2012. Том 4, № 4. С. 1-15

14. Ковалев Л.К. Вакуумное оборудование бля производства тонкопленочных структур квантовой электроники // Обзоры по электронной технике. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1982. Вып. 2 (866). С. 83.

15. Ковалев Л.К Особенности создания вакуумного оборудовани гибкой производственной системы для изделий микроэлектроники // Электронная промышленность. 1988. Вып. 1. С. 3-14.

16.Ковалев Л.К. Расчет конструкций камер напылительных установок методами математического моделирования // Электронная техника. Сер. 10. Квантовая электроника. 1975. Вып. 1. С. 42-53.

17. Колесник Л.Л., Деев В.А., Селезнев А.В. Анализ возможности использования метода пароструйного осаждения для металлизации подложек // Вакуумная наука и техника: Материалы XX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов, 2013. С. 165-167.

18.Колесник Л.Л, Мьо Чжо Хлаинг. Анализ возможностей применения кластерных ионов для обработки поверхности // Вакуумная наука и

техника. Тезисы докладов XXII научно технической конференции с участием зарубежных специалистов, Крым, 2015. С. 191-195.

19.Колесник Л.Л., Мьо Чжо Хлаинг, Зао Пхо Аунг Возможность использования ионных кластеров для обработки поверхности // Вакуумная техника, материалы и технология. Тезисы докладов XI международной научно-технической конференции, Москва, 2016. С. 28-33.

20.Колесник Л.Л., Мьо Чжо Хлаинг, Зау Пхо Аунг. Лабораторная установка для исследования свойств ионных кластеров // Вакуумная наука и техника. Материалы XXIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов, Крым, (12-16 сентября) 2016. С. 111115.

21. Колесник Л.Л., Мьо Чжо Хлаинг, Зау Пхо Аунг, Мьо Мин Латт. Отработка технологии металлизации керамических подложек двумя методами // Вакуумная техника, материалы и технология. Тезисы докладов XI международной научно-технической конференции, Москва, (11-13 апреля) 2017. С. 109-112.

22.Отработка технологии металлизации алюмооксидной керамики для элементов электровакуумных приборов и устройств силовой электроники / Колесник Л.Л. [и др.] // Вакуумная техника и технологии - 2017: Труды 24-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Под. ред. д-ра техн. наук А.А. Лисенкова. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. С. 208-210.

23. Повышение адгезии токопроводящих покрытий на подложках оксида алюминия / Колесник Л.Л. [и др.] // Вакуумная наука и техника. Тезисы докладов XXIV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов, Крым, 16-23 сентября 2017 г. С. 176-179.

24. Влияние технологического развития на повышение адгезионной прочности металлических тонкопленочных покрытий на керамические подложки оксида алюминия/ Колесник Л.Л. [и др.] // Вакуумная наука и

техника. Материалы XXV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов, Крым, (15-22 сентября) 2018. С. 138-144.

25.Колесник Л.Л., Мьо Чжо Хлаинг, Зау Пхо Аунг. Повышение адгезии токопроводящих покрытий на керамических подложках оксида алюминия // Нано-индустрия. Научно-технический журнал. 2018, Том 11 № 34 (83) С. 232-236.

26.Кострижицкий, А.И. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / А.И. Кострижицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабани-ченко и др. - М.: Машиностроение, 1991. 176 а

27.Красов В.Г., Петраускас Г.Б., Чернозубов Ю.С. Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике // М. : Радио и связь. 1985 г. 120 с.

28.Кузнецов М.М., Волчкевич Л.И., Замчалов Ю.П. Автоматизация производственных процессов. М. : Высшая школа. 1978. 431 с.

29.Куркин В.И. Основы расчета и конструирования оборудования электровакуумного производства : Учебное пособие. М. : Высшая школа. 1971. 544 с.

30.Марахтанов М.К. Ионные распылительные установки (Основы теории и расчета) : Учебное пособие по курсу «Конструирование и расчет установок ионного напыления». М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1990. 28 с.

31.Марахтанов М.К. Магнетронные системы ионного распыления (Основы теории и расчета). М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1990. 76 с.

32. Мьо Чжо Хлаинг. Анализ возможностей применения кластерных ионов для уменьшения шероховатости поверхности // Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии»: материалы конференции, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, (7-10 Апреля) 2015. № гос. Регистрации 0321501427.-ШЬ: http://studvesna.ru/db_files/articles/1366/article.pdf.

33.Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Анросов А.В. Методы расчета вакуумных систем. М. : Издательство МЭИ. 2004. 220 с.

34. Оборудование полупроводникового производства / П.Н. Масленников [и др.]. М. : Радио и связь, 1981. 336 с.

35.Панфилов Ю.В. Расчёт режимов процесса нанесения тонких плёнок в вакууме и параметров оборудования. М. : Издательство МВТУ им Н.Э. Баумана. 1988. 16 с.

36.Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы : Учебное пособие. М. : Радио и Связь. 1988. 320 с.

37.Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1970. 505 с.

38. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии : Учебное пособие . М. : Высшая школа. 1988. 255 с.

39.Проников А.С. Надежность машин. М. : Машиностроение. 1978. 592 с.

40. Разработка технологии изготовления металлизированных подложек для изделий силовой электроники. Ю. Непочатов [и др.]. Современная электроника. № 9, 2010. С. 248-260

41. Реестр инновационных продуктов, технологий и услуг, рекомендованных к использованию в Российской Федерации, Керамические подложки и корпуса светодиодов, ЗАО "НЭВЗ-Керамикс" URL: http://innoprod.startbase.ru/products/23652/ (дата обращения:07.05.2017).

42.Терентьев Ю.П., Ковалев Л.К., Суворов В.Н., Макаров В.И. Установка ионное-плазменного распыления материалов // Оптико-механическая промышленность. 1972. № 5. С. 23-25.

43. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении / Ред. совет: К.В. Фролов [и др.] // Машиностроение. Энциклопедия. М. : Машиностроение 2000. Т. III 8. 744 с.

44. Технологическое оборудование для микроэлектроники, URL: http://equip.eltech.com/catalog/5898 (дата обращения:07.05.15)

45. Технология тонких пленок (справочник) / Под. ред. Л. Майссела, Р. Гленга. Нью-Йорк. 1970. Пер. с англ. Под. ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. М. : Советское радио. 1977. Т. 1. 664 с.

46. Технология тонких пленок (справочник) / Под. ред. Л. Майссела, Р. Гленга. Нью-Йорк. 1970. Пер. с англ. Под. ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. М. : Советское радио. 1977. Т. 2. 768 с.

47.Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов/ Известия вузов. Электроника. 2008. №5. С. 25-32.

48.Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Скворцов В.С., Мерданов М.К. Использование волноводных фотонных структур для измерения параметров нанометровых металлических слоев на изолирующих подложках// Известия вузов. Электроника. 2007. №6. С. 2532.

49.Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С. Изменение типа резонансного отражения электромагнитного излучения в структурах нанометровая металлическая пленка - диэлектрик// Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33, Вып. 2, С. 13-22.

50. Устройства силовой электроники, развитие, применение, назначение // URL: http://pue8.ru/silovaya-elektronika/92-silovaya-elektronika-v-sovremennom-mire.html (дата обращения:07.05.17)

51. Флоренцев С.. Современное состояние и прогноз развития приборов силовой электроники // СТА. Научно-технический журнал - 2004. №2. - С. 20-30.

52.Хруничев Ю.А. Анализ производительности оборудования для производства электронных приборов // Электровакуумное машиностроение. 1978. Вып. 2. С. 46-71.

53. Целевые механизмы вакуумного технологического оборудования. Атлас типовых конструкций. Под ред. Ю.В. Панфилова; М, изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998. 36 с.

54.Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, appli-

гЛ

cations and technology / ed. by P.M.Martin. - 3 ed. - Burlington; Oxford: William Andrew / Elsevier, 2010. - xviii, 912 p.: ill. - Bibliogr. at the end of the chapters. - Ind.: P. 902-912.

55.High-Thermal Conductivity AlN Packages for High-Temperature Electronics., E.Savrun, QUEST Integrated, Inc., USA, 1995. 102 p.

56.Kolesnik L., Zhuleva T., Predtechenskiy P., Myo Kyaw Hlaing and Zaw Phyo Aung. Processing of metallization technology aluminum oxide ceramics for electro-vacuum devices elements and power electronics de-vices / Journal of Physics: Conference Series, Volume 872, conference 1 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/872/1/012018 (дата об-ращения:01.01.2018)

57.Kolesnik L., Myo Kyaw Hlaing and Zaw Phyo Aung. Influence of the technological development on the adhesion increment of metallic thin film coatings to ceramic substrates of aluminum oxide / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 387, conference 1 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/387/1/012037(дата об-ращения:16.10.2018)

58.N. Singh, R. Kist, H. Thiemann. Experimental and numerical studies on potential distributions in a plasma. Pl. Phys., vol. 22, 1980, P. 695 - 707.

59.S. Maniv. Generalization of the model for I - V characteristics of dc sputtering discharges. J. Appl. Phys. vol. 59, n. 1, January 1986, P. 66 - 70.

60.W. D. Westwood, S. Maniv. The current - voltage characteristic of magnetron sputtering systems. J. Appl. Phys. vol. 54, n. 12, December 1983, P. 6841 - 6846. 45. J. G. Kirk, D. J. Galloway. The evolution of a test particle

distribution in a strongly magnetized plasma. Pl. Phys., vol. 24. n. 4, 1982, P. 339 - 359.

61.Halpern B. L. Electron Jet Vapor Deposition System. US. Patent 5571332 1996.

62.Schmitt J. J. Method and apparatus for the deposition of solid films of a material from a jet stream entraining the gaseous phase of said material. U.S. Patent No. 4,788,082 (11/29/1988) 63.Halpern B. L. Fast flow deposition of metal atoms on liquid surfaces. J. Colloid Interface Sci. 86:337. 1982. P. 337-343. 64.Schmitt J. J. Jet vapour deposition of single and multicomponent thin films. U.S. Patent No. 4,788,082 (11/29/1988).

65.T Zhang, J. Z., and Di, Y., Proceedings of 35th Annual TechnicalConference, Society of Vacuum Coaters (March 22-27, 1992). P. 881-900.

66.Halpern B. L., Schmitt, J. J., Di, Y., Golz, J. W., Johnson, D. L., McAvoy, D. T., Wang, D., and Zhang, J. Z., Metal Finishing, (December 1992). P. 3741.

67.Huang C. L., Chen, B. A., Ma, T. P., Golz, J. W., Di, Y., Halpern, B. L., and Schmitt, J. J., Ferroelectrics. Amorphous Insulating Thin Films. (March 1992). P. 546-550.

68.Wang, D., Ma, T. P., Golz, J. W., Halpern, B. L., and Schmitt, J. J., IEEE Electron Device Lett., 13:482 (1992). P. 93-98.

69.Hsiung L. M., Zhang, J.-Z., McIntyre, D. C., Golz, J. W., Halpern, B. L., Schmitt J. J., and Wadley H. N. G., Scripta Metall.Mater., 29:293 (1993). P. 935-950.

70.Anderson, J. B., in: Molecular Beams and Low Density Gas Dynamics, (P. P. Wegener, Ed.), Chap.1, Marcel Dekker, New York (1974). pp 142-159.

71.Knauer, W., J. Appl. Phys., 62:841. Handbook of Bimolecular and Termo-lecular Rate Constants, Vol. II, Table 197, CRC Press, Inc., Boca Raton, FL (1987). P. 841-851.

72.Alpas, A. T., Embury, J. D., Hardwick, D. A., and Springer, R. W., J. Materials Sci., 25:1603 (1990) Jet Vapor Deposition. 863 p.

73.Avnir, D., Kaufmann, V. R., and Reisfeld, R., J. Non-Cryst. Solids, 74:395 (1985). P. 395-406.

Приложение

П.1. Программа для расчета потока газа, проходящего через источник пароструйного нанесения материала

#include "vacuum.h"

#include <iostream> #include <cmath>

const quint8 Vacuum: :Gas: :Air;

const quint8 Vacuum: :Gas: :H2;

const quint8 Vacuum: :Gas: :He;

const quint8 Vacuum: :Gas: :H2O;

const quint8 Vacuum: :Gas: :Ne;

const quint8 Vacuum: :Gas: :N2;

const quint8 Vacuum: :Gas: :O2;

const quint8 Vacuum: :Gas: :Ar;

const quint8 Vacuum: :Gas: :CO2;

const quint8 Vacuum::GasFlowMode::ViscousMode;

const quint8 Vacuum::GasFlowMode::MolecularViscousMode;

const quint8 Vacuum::GasFlowMode::MolecularMode;

double Vacuum::epsilon = 1e-2;

QMap<quint8, double> Vacuum::molMasses ;

QMap<quint8, double> Vacuum::gasNu ;

//--------------------------------------------

Vacuum::Vacuum() {

std::cout << "Vacuum. Initializing... ";

molMasses_[Gas::Air] = 29; molMasses [Gas::H2] = 2;

molMasses [Gas:: He] = 4;

molMasses [Gas:: H2O] = 1 8;

molMasses [Gas:: Ne] = 20

molMasses [Gas:: N2] = 2 8

molMasses [Gas:: O2] = 32

molMasses [Gas:: Ar] = 40

molMasses [Gas:: CO2] = 44;

gasNu [Gas ::Air] = 1.82e -5;

gasNu [Gas ::H2] = gasNu [Gas: Air] * 2 .06;

gasNu [Gas ::He] = gasNu [Gas: Air] * 0 .93;

gasNu [Gas ::H2O] = gasNu [Gas :Air] * 1.94;

gasNu [Gas ::Ne] = gasNu [Gas: Air] * 0 .58;

gasNu [Gas ::N2] = gasNu [Gas: Air] * 1 .04;

gasNu [Gas ::O2] = gasNu [Gas: Air] * 0 .9;

gasNu [Gas ::Ar] = gasNu [Gas: Air] * 0 .84;

gasNu [Gas ::CO2] = gasNu [Gas :Air] * 1.24;

std::cout << "Done" << std::endl;

}

//---------------------------------------------------------------------------

quint8

Vacuum::checkMode(double p, double d, double L, double* u) {

quint8 result;

double Pv = 1.2 / d; // Нижняя граница давления вязкостного режима double Pm = 0.004 / d;// Верхняя граница давления молекулярного режима double Pcp = (Pv + pAtm) / 2;// Среднее давление в трубопроводе при расчете вязкостного режима

double Uv = 1360 * Pcp * std::pow(d, 4) / L;// Проводимость в вязкостном

режиме

double Um = 121 * std::pow(d, 3) / L;// Проводимость в молекулярном режиме

if (p >= Pv) // Вязкостный режим {

*u = Uv;

result = GasFlowMode::ViscousMode;

}

else if((p > Pm) && (p < Pv)) // Молекулярно-вязкостный режим {

*u = 0.9 * Um + Uv;

result = GasFlowMode::MolecularViscousMode;

}

else if (p <= Pm) // Молекулярный режим {

*u = Um;

result = GasFlowMode::MolecularMode;

}

return result;

}

//---------------------------------------------------------------------------

double

Vacuum::uShortTube(double d, double l, double p1, double p2, double gasTemp,

quint8 gas, double gasQ) {

double result = 0.0;

std::cerr << "Vacuum::uShortTube" << std::endl;

std::cerr << "\t d=" << d << "; l=" << l << "; p1=" << p1 << "; p2=" << p2 << std::endl;

double pMid = (p1 + p2) / 2;

int step = 0;

double resQ = gasQ + 100;

while (fabs(gasQ - resQ) > epsilon) {

if (step) gasQ = resQ;

step += 1;

std::cerr << "Step # " << step;

result = (M_PI * pow(d, 4) * pMid) / (128 * gasNu_[gas] * l * (1 + 4.54e-2 * molMasses_[gas] * gasQ / (gasNu_[gas] * Gas_R * gasTemp * l))); resQ = result * fabs(p1 - p2);

std::cerr << "\t U=" << result << "; dP=" << fabs(p1 - p2) << ";

Q=" << resQ << std::endl;

}

return result;

}

В диссертационный совет Д 212.141.18 при МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5. стр.1

ОТЗЫВ

научного руководителя, к.т.н, доцента Колесник Леонид Леонидович о работе Мьо Чжо Хлаинга над диссертацией «Повышение адгезии покрытий при металлизации керамических подложек», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 -«Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники».

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что из-за увеличивающихся требований к мощностным и механическим характеристикам в настоящее время перед технологами стоит проблема повышения надежности силовых электронных модулей и электровакуумных приборов. В настоящее время при производстве силовых модулей промышленностью для металлизации используются атмосферные толстопленочные технологии такие как вжигание пасты, Direct Bonding Coating (DBC), Direct Plated Coating (DPC), холодное газодинамическое нанесение. Несмотря на широкое использование тонкопленочных технологий в полупроводниковом производстве при производстве силовых, СВЧ и электровакуумных приборов основной объем стыков металл-керамика выполняется с использованием толстопленочных технологий. Переход на тонкопленочные технологии, такие как термическое испарение и магнетронное распыление позволят получить стабильное качество покрытий и воспроизводимость результатов при их получении. Таким образом, возникла необходимость получения токопроводящих покрытий на керамических подложках, используемых для производства силовых модулей методами тонкопленочной технологии.

Автор диссертации Мьо Чжо Хлаинг определил области рационального применения и установил технологические особенности тонкопленочной технологии при металлизации керамики при изготовлении как силовых модулей, так и элементов электровакуумных приборов.

Им получены зависимость для определения расстояния между источником материала и подложкой при нанесении покрытия методом пароструйного осаждения. Определено влияние адгезионного подслоя и технологических режимов его нанесения на адгезионную прочность получаемых покрытий. Установлена взаимосвязь технологических режимов и расположения подложек относительно магнетронной распылительной системы.

В ходе работы над диссертацией Мьо Чжо Хлаинг показал устойчивые и высокие навыки экспериментатора, достаточное владение методами научных исследований, в том числе математическим аппаратом. На основе полученных результатов диссертации, Мьо Чжо Хлаинг установлены области использования, а также определены технологические условия и разработаны рекомендации по применению тонкопленочных технологий при производстве изделий силовой и вакуумной электроники.

В целом Мьо Чжо Хлаинг проявил себя как грамотный специалист в области электронных технологий. Будучи иностранным аспирантом, он хорошо освоил русский язык и специальность, показал высокую инициативность и работоспособность.

Мьо Чжо Хлаингом в соавторстве опубликовано 11 статей из них: 1 в издании, входящем в перечень ВАК РФ; 2 в изданиях, входящих с систему SCOPUS. По материалам работы сделаны 6 доклады на семинарах кафедры и на научных конференциях, в том числе и международных.

С учётом активности работы и достижения практических результатов, приведших к решению актуальной научной задачи Повышение адгезии металлических покрытий при металлизации керамических подложек, а также квалификационного уровня соискателя, рекомендую присудить Мьо Чжо Хлаингу учёную степень кандидата технических наук по специальности

05.27.06 - «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники».

Научный руководитель

Кандидат технических наук, доцент Колесник Л.Л.

электронные технологии в машиностроении

МГТУ им. Н.Э. Баумана

г. Москва, 2-я Бауманская ул. д.5. стр.1.

т. [phone]

Эл. почта: [e-mail]