Разработка и изготовление микросборок на многослойной керамике

В силовой электронике и микро­электронике используются керамические подложки, полученные на основе процессов тонких или толстых плёнок. Компанией «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных подложек из керамики на основе оксида алюминия Al₂O₃, нитрида алюминия AlN и оксида бериллия BeO. Изделия из вышеуказанных материалов характеризуются высокой теплопроводностью, низким коэффициентом теплового расширения, низкими диэлектрическими потерями и высокой механической прочностью.

В качестве примера применения данных технологий рассмотрим процесс разработки корпуса для микросборки, схема которой приведена на рисунке 1. Эта микросборка является частью схемы DC/DC­преобразователя напряжения. Основное требование, которое предъявлялось к корпусу микросборки, – отвод тепла, выделяемого на полевых транзисторах VT2 и VT3, до 4 Вт на каждом. Микросборка должна работать в условиях вакуума. Максимальная температура кристаллов не должна превышать +125°С при максимальной допустимой температуре окружающей среды +65°С.

В экспериментальной схеме, предложенной разработчиком, использовались корпусные транзисторы в корпусе КТ­94. В микросборке используются кристаллы транзисторов с параметрами, приведёнными в таблице 1. Размеры кристаллов составляют 5,6×5,0 мм и 7,33×7,31 мм.

Для решения поставленной задачи с учётом возможностей производства наиболее подходящими являются два материала: оксид алюминия с чистотой 99,5% или нитрид алюминия. Параметры материалов приведены в таблице 2. Толщина одного слоя керамики после обжига составляет 0,25 мм.

Рассмотрим, как отводится тепло от кристалла, установленного на керамику из оксида алюминия и нитрида алюминия, при условии, что тепло с подложки может рассеиваться только с основания корпуса микросборки на корпус изделия, куда будет установлена микросборка. Одним из критериев определения достаточной площади для отвода тепла от кристалла – это температура в установившемся режиме. Она не должна превышать +80…+85°С при температуре окружающей среды +20°С.

Кристалл размером 5,6×5,0 мм, установленный в центр керамической подложки на основе оксида алюминия размером 80,0×80,0 мм, нагревается до температуры выше +140°С (см. рис. 2). При этом тепло не рассеивается по всей площади подложки. Таким образом, данное решение не удовлетворяет предъявляемым к изделию требованиям. Аналогичные результаты получаются и для второго кристалла размером 7,33×7,31 мм.

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

На рисунке 4 представлено расчётное распределение температуры кристаллов, установленных на керамическую подложку 36,0×18,0 мм, при работе двух транзисторов одновременно. Максимальная температура нагрева кристалла не изменилась. Исходя из полученных результатов, выбранные габариты корпуса составили 36,0×18,0 мм.

Одной из технологий производства, которой обладает компания АО «ТЕСТПРИБОР», является производство высокотемпературной керамики HTCC. Отличительная особенность данной керамики от низкотемпературной заключается в более высокой температуре спекания слоёв керамических плат – +1500…+1600°С (в технологии LTCC температура спекания не превышает +1000°С). Достоинствами керамики HTCC являются:

Гарантированные технологические возможности производства данной керамики приведены в таблице 3.

Исходя из имеющихся технологических возможностей был разработан корпус микросборки (см. рис. 5).

Так как площадь для отвода тепла под кристаллом довольно большая, то плотность микросборки получилась относительно низкой. Внешний вид микросборки (корпуса с установленными компонентами) представлен на рисунке 6.

Данная микросборка содержит 4 кристалла и 12 SMD­компонентов. Преимущества данной микросборки, и вообще микросборок, в том, что она занимает меньше места, имеет меньшую массу по сравнению с этой же схемой, сделанной на отдельных элементах в корпусах. Это особенно важно для изделий, предназначенных для использования в космической технике.

В более сложных схемах и больших сборках при многоуровневом расположении компонентов проще не делать экран на всю сборку, а реализовать защиту отдельных элементов от радиации, что уменьшает массу изделия.

АО «ТЕСТПРИБОР» имеет возможность разработки и изготовления микросборок на многослойной керамике из Al₂O₃ и AlN согласно требованиям заказчика.