Якубовська Малгожата Брунонівна. Технологія матеріалів та товстоплівкових структур високої теплопровідності на основі c-BN

Краткое описание

Якубовська Малгожата Брунонівна. Технологія матеріалів та товстоплівкових структур високої теплопровідності на основі c-BN : дис... д-ра техн. наук: 05.27.06 / Національний ун-т "Львівська політехніка". - Л., 2005

Якубовська М. Б. Технологія матеріалів та товстоплівкових структур високої теплопровідності на основі с-ВN. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.27.06 технологія, обладнання та виробництво електронної техніки, Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2005.
В дисертаційній роботі розроблено технологію синтезу мікропорошків кубічного нітриду бору (c-BN). Кубічна структура порошків підтверджена дослідженнями електронної мікроскопії, рентгенівським, раманівською, інфрачервоною спектроскопією та парамагнітним резонансом.
Вперше розроблено технологію діелектричних теплопровідних товстих плівок на основі кубічного азоту бору сумісних із алундовою керамікою, керамічною фольгою, кремнієвими та металевими підкладками. Показано вплив композитів скла, органічної зв’язки, а також технології термічної обробки на теплопровідність отриманих плівок. Теплопровідність отриманих плівок становить від 80 до 150 Вт/мК.
Розроблені сумісні c-BN нові провідникові пасти: срібні, паладієво-срібні, платинові, платиново-срібні та золоті, які не містять кадмію та резистивні пасти: на основі двоокису рутенію та на основі молібденового скла. Сумісність даних паст до шарів c-BN підтверджено результатами фізико-хімічних, структурних та електричних досліджень.
Розроблені провідникові пасти забезпечують створення плівок в діапазоні опору 3-28 mОм/ при роздільній здатності 150х200 мкм, 100% лудженням, адгезією 18 H/4 мм2. Рутенієві резистивні пасти характеризуються діапазоном опору від 10 Ом/ до 1 МОм/ з температурним коефіцієнтом опору від -100 до 10010-6/К, а пасти на основі молібдену діапазоном опору 30 Ом/ до 100 кОм/ з температурним коефіцієнтом опору від -300 до +20010-6/К. Розроблені матеріали забезпечують добру сумісність під або над шаром c-BN в багатошаровій структурі.
З використанням моделі Buhr-Muellr та кліткового автомата показано, що критичні параметри теплопровідності знаходяться між зернами c-BN та по довжині шару скла. Максимальна теплопровідність товстоплівкового шару складає 515Вт/мК.
Показано застосування розроблених діелектричних високотеплопровідних шарів разом з розробленими сумісними провідними та резистивними шарами, для багатошарових структур з використанням як традиційної товстоплівкової технології так і LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic).

Розроблено метод синтезу порошку нітриду бору кубічної структури високотемпературним методом (1500oС), під високим тиском (4-5 ГПа) із застосуванням фазового переходу з гексагональної до кубічної фази у присутності каталізатора Li3N. Кубічна структура цього порошку була підтверджена рентгенографічним аналізом, раманівською, інфрачервоною спектроскопією та парамагнітним резонансом. Створено технологію порошоку з величиною зерна в межах 1-7 мкм, що робить можливим його застосування у товстоплівкових матеріалах.
Розроблено технологію товстоплівкових матеріалів на основі кубічного нітриду бору і вісмут-кремнієво-борного скла з додаванням окису кадмію і літію і носієм на основі етилоцелюлози. Оптимальний склад пасти - це порошок с-ВN і скло у співвідношенні 9:1, суспендовані в органічному носії, що становить 25 ваг.% по відношенню до постійних компонентів пасти. Розроблено також пасту на основі с-ВN, призначену для відпалу в азоті. Вона містить носій на основі співполімерної смоли етилметакрилату з бутилметакрилатом у співвідношенні 1:1.
Розроблена технологія товстих однорідних плівок на основі с-ВN, розміщених на підкладці Al2O3(96%), а також на керамічній фользі і на кремнії, оптимізовано процес термообробки. Найвища температура відпалу складає 850oС, час перебування при найвищій температурі - 12 хв., повний час відпалу - 90 хв. Опрацьований профіль температури був витриманий під час відпалу плівок, нанесених на металеві підкладки (мідь, ковар, сталь) в азоті. При цьому вміст кисню в атмосфері азоту становив менше як 2 ррm. Створені плівки характеризуються наступними параметрами: e = 32, tgd = 0.12, опір R = 13 x103MОм і теплопровідність в інтервалі 100-200 Вт/мК.
Розроблено ряд провідних: срібних, паладієво-срібних, платинових, золотих і платиново-срібних, а також резистивних, рутенієвих матеріалів і матеріалів на молібденовому склі, сумісних із пастами на основі с-ВN для створення багатошарових структур. Розроблені провідникові пасти характеризуються: діапазоном опору 3-28 mОм/ роздільної здатності 150х200 мкм, 100% лудженням, адгезією 18 H/4 мм2. Рутенієві резистивні пасти характеризуються діапазоном опору від 10 Ом/ до 1 МОм/ з температурним коефіцієнтом опору від -100 до 10010-6/К, а пасти на основі молібдену діапазоном опору 30 Ом/ до 100 кОм/ з температурним коефіцієнтом опору від -300 до +20010-6/К.
Проведено дослідження параметрів матеріалів системи с-ВN скло в таблетках (масивні зразки), спечених при температурі 850С зі срібними електричними контактами. Виявлено, що електропровідність зумовлюється термоіонною емісією з металевого електрода до зони провідності діелектрика, яка більш виражена для c-BN з високим питомим опором. Лінійність характеристик І-Е за формулою Фаулера-Нордхайма, log I/V2від I/V вказує на наявність провідності завдяки тунелюванню електронів через енергетичний бар’єр „метал діелектрик”, яке більше для c-BN з низьким значенням питомого опору.
Методом скінченних елементів оцінено теплопровідність товстих плівок на алундовій підкладці із застосуванням статичного методу, який базується на вимірюванні провідності при потоку тепла вздовж взірця у визначених термічних умовах. Показано, що розподіл температури на поверхні взірця є лінійною функцією віддалі від джерела тепла. Вимірювання теплопровідності показали, що теплопровідність плівок на основі с-ВN товщиною 100 мкм, нанесених на алунд, в залежності від виду порошку становить 80-150 Вт/мК. Для плівок розміщених на кремнії і міді становить відповідно 105 і 95 Вт/мК.
Методом скінченних елементів оцінено напруження у багатошарових плівкових структурах, компонентом яких були плівки на с-ВN. Показано, що найбільше значення має головне напруження. Максимальна концентрація напружень становить 80 МПа та виникає в міжплівковій області між резистивною і провідною плівкою.
Методом моделювання за допомогою коміркового автомата, який враховує термічний опір контакту виявлено, що граничне значення теоретичної теплопровідності для товстих плівок на основі с-ВN з вмістом 8% скла при пористості 8% становить 515 ВтмК. Використовуючи модель Бура-Мюллера виявлено, різкий спад теплопровідності при зменшенні розміру зерна від 10 мкм, що зв’язано з різким зростанням поверхні при зменшенні величини зерна, що необхідно враховувати при виборі необхідної теплопровідності та можливостями роздільної здатності трафаретного друку.
На основі проведених досліджень та отриманих результатів розроблена технологія діелектричних товстоплівкових матеріалів на основі кубічного нітриду бору з високою теплопровідністю та сумісних з ними провідникових та резистивних матеріалів для товстоплівкових приладів, що забезпечує можливість керування теплом у багатошарових структурах.