Металлокерамические корпуса и материалы АО «ТЕСТПРИБОР» для изделий микроэлектроники

А. Максимов, Н. Василенков

Среди ключевых направлений деятельности АО «ТЕСТПРИБОР» (www.test-expert.ru) – разработка и производство металлокерамических корпусов, материалов и изделий для электронной промышленности. За последние несколько лет компания выполнила более 30 НИР и ОКР в области разработки металлокерамических корпусов для интегральных микросхем как гражданского, так и специального назначения. Номенклатура корпусов АО «ТЕСТПРИБОР» насчитывает более 70 наименований. Гибкость производства позволяет обеспечить как серийное, так и мелкосерийное и единичное производство. Рассмотрим основную номенклатуру корпусной продукции АО «ТЕСТПРИБОР» для интегральных микросхем, их конструктивное исполнение, технические характеристики, а также основные типы материалов и изделий для электронной промышленности, освоенные компанией в последнее время.

Металлизированные керамические платы

Металлизированные керамические платы предназначены для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств, в качестве основных материалов (Таблица 1) применяются алюмооксидная керамика (Al2O3 92%, 96% или 99,6%) и алюмонитридная керамика (AlN). Керамические подложки могут иметь как одно или двухстороннюю сплошную металлизацию, так и топологический рисунок, сформированный в соответствии с техническими требованиями Заказчика. Для металлизации керамических плат в АО «ТЕСТПРИБОР» наиболее часто применяются 2 технологии:

• Металлизация на основе толстопленочной технологии THICK-FILM (Рис. 1, б): представляет собой способ, при котором покрытие или проводящий топологический рисунок формируется трафаретным нанесением пасты с последующим вжиганием в защитной среде.
• Металлизация на основе технологии STC (Рис. 1, в): технология STC используется АО «ТЕСТПРИБОР» для изготовления керамических плат на основе алюмооксидной керамики (Al2O3 96%) и алюмонитридной керамики (AlN) с металлизацией медью толщиной до 400 мкм с возможностью последующего формирования заданного топологического рисунка фотолитографическими методами

Рис. 1. Металлизированная керамическая плата: а) нанесение металлизации методом трафаретной печати б) топологический рисунок сформирован по толстопленочной технологии, в) металлизация медью толщиной 350 мкм по технологии STC

Таблица 1 - Основные характеристики материалов керамических подложек металлизированных плат.

Изделия из технической керамики на основе оксида алюминия

В соответствии с техническими требованиями заказчика АО «ТЕСТПРИБОР» выпускает керамические изоляторы с металлизацией, а также сложнопрофилированной формы (рис. 2, 3). Металлизированные боковые, торцевые и внутренние поверхности изоляторов обеспечивают вакуумплотные спаи с металлическими деталями твердыми припоями (Ag72Cu28) при температуре 800–850 °С.

Возможные варианты исполнения керамические изоляторов:

• Покрытие металлизированных поверхностей:
  - Н2 (никель 2–7 мкм);
  - Н2 Зл.0,5 (никель 2–7 мкм, золото 0,5 мкм (макс.)).
• Материал металлизированной поверхности: молибден-марганец (20–40 мкм).
• Значения шероховатостей поверхности:
  - без дополнительной обработки Rа 2–5 мкм;
  - после обработки Rа < 1 мкм.

Изделия микроэлектроники со стеклянными изоляторами

Компания «ТЕСТПРИБОР» запустила собственную производственно-технологическую линию по выпуску изделий для электронной промышленности со стеклянными изоляторами. В настоящее время обеспечивается производство:

• металлостеклянных корпусов для интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, резонаторов, датчиков и т. д. (рис. 4 и 5);
• проходных изоляторов;
• герметизированных вводов для блоков радиоэлектронной аппаратуры, двигателей и т. д.

Для групповой пайки и вжигания стеклянных изоляторов АО «ТЕСТПРИБОР» применяет нестандартную технологическую графитовую оснастку (рис. 6 и 7), для изготовления которой используется графит марок ТР-10 и ТР-808 (Таблица 2). Изначально созданные для применения в области космического приборостроения эти марки графита отличаются рядом преимуществ благодаря следующим особенностям Табл. 2):

• рабочая температура до 2 000 °С;
• высокая устойчивость к знакопеременным нагрузкам;
• не менее 500 рабочих циклов нагрева и охлаждения;
• полное отсутствие газовыделения;
• небольшой коэффициент теплового линейного расширения.

Таблица 2 - Основные технические характеристики графита марок ТР-10 и ТР-808

Корпуса для интегральных микросхем (ИМС)

АО «ТЕСТПРИБОР» выпускает более 70 наименований корпусов следующих типов:

• 2-й тип по ГОСТ Р 54844;
• 4-й тип по ГОСТ Р 54844;
• 5-й тип по ГОСТ Р 54844;
• 6-й тип по ГОСТ Р 54844;
• 8-й тип по ГОСТ Р 54844;
• КТ по ГОСТ 18472.

Кроме того, в настоящее время компания выполняет опытно-конструкторские работы, в рамках которых разрабатываются 22 типа металлокерамических корпусов категории качества «ВП».

Корпуса 2 типа по ГОСТ Р 54844

Представлены корпусами, которые по своей сути являются уникальными. Корпуса МК 2103.8-А (Рис. 8) и МК 2134.16-А изготовлены по базовой технологии производства многослойных высокотемпературных отожженных керамических модулей, но за счет усовершенствования применяемых материалов обладают немагнитными свойствами и предназначены для производства микросистем анализа слабых магнитных полей, а Основание ФПЗС (Рис. 9) делает уникальным глубина монтажного колодца, которая равна 10,5 мм. Общие технические характеристики корпусов 2 типа представлены в Таблице 3.

Корпуса 4 типа по ГОСТ Р 54844

В отдельную группу выделены корпуса для интегральных микросхем 4-го типа с количеством выводов 44, 68, 100, 144, 176, 208, 240, 256, 304, 352 и шагом выводов 0,5 мм (табл. 4). Эти изделия разрабатывались в несколько этапов.

На первом этапе были разработаны корпуса с количеством выводов 68 (МК 4239.68-1), 100 (МК 4247.100-1), 144 (МК 4248.144-1), 176 (МК 4249.176-1), 208 (МК 4250.208-1).

В целях расширения конструктивных и функциональных возможностей при производстве интегральных микросхем на втором этапе данный ряд изделий был дополнен планарными корпусами с количеством выводов 44 (МК 4217.44-1), 240 (МК 4245.240-7), 256 (МК 4244.256-4), 304 (МК 4251.304-2) и с максимальным для данного типа количеством выводов – 352 (МК 4254.352-2), конструктивное исполнение которых предполагает монтаж внешних выводов со стороны установочной плоскости корпуса, что позволяет:

• повысить качество формовки выводов корпусов и уменьшить количество бракованных микросхем на финишных операциях изготовления, таких как обрубка технологической части выводной рамки и формовка выводов микросхем;
• уменьшить длину выводов микросхем;
• повысить уровень технологичности и уменьшить трудоемкость при монтаже микросхем на печатные платы.

Все эти преимущества проверены на практике применения корпусов с нижним расположением выводов, что подтверждается положительными отзывами предприятий – производителей изделий микроэлектроники. В связи с этим выполнен комплекс работ по созданию конструктивно функциональных аналогов корпусов МК 4239.68-1, МК 4247.100-1, МК 4248.144-1, МК 4249.176-1 и МК 4250.208-1 с нижним расположением выводов (рис. 9, 10).

К 4-му типу корпусов относятся также планарные металлокерамические корпуса с количеством выводов 64 (два варианта исполнения), 72, 108 (три варианта исполнения), 112, 240 (три варианта исполнения) и 256 (табл. 5).

Рис.10 Корпус МК 4239.68-1 с верхним расположением выводов: вид сверху (а) и вид снизу (б)	Рис.11 Корпус МК 4239.68-2 с нижним расположением выводов: вид сверху (а) и вид снизу (б)

Таблица 4 – Основные технические характеристики конструктивно-унифицированного ряда металлокерамических корпусов с количеством выводов 44, 68, 100, 144, 176, 208, 240, 256, 304 и шагом выводов 0,5 мм.

Таблица 5 – Основные технические характеристики корпусов 4 типа по ГОСТ Р 54844.

Корпуса для интегральных микросхем 5 типа по ГОСТ Р 54844

К 5-му типу корпусов, выпускаемых АО «ТЕСТПРИБОР», относятся следующие изделия: МК 5119.16-А, МК 5121.20-А, МК 5161.24-А(Рис.12), МК 5123.28-1, МК 5123.28-1.01, МК 5125.40-1 (Рис. 13), МК 5142.48-А, МК 5142.48-В (Рис. 14), МК 5157.64-1 (Рис. 15) и МК 5163.64-1 ( табл. 6).

Рисунок 12 - Корпус для интегральных микросхем МК 5161.24-А	Рисунок 13 - Корпус для интегральных микросхем МК 5125.40-1	Рисунок 14 – Корпус для интегральных микросхем 5142.48-В	Рисунок 15 - Корпус для интегральных микросхем МК 5157.64-1

Таблица 6 – Основные технические характеристики корпусов 5 типа по ГОСТ Р 54844

Корпуса для интегральных микросхем 6 и 8 типов по ГОСТ Р 54844

В линейках 6-го и 8-го типов корпусов, выпускаемых АО «ТЕСТПРИБОР», представлены следующие изделия: МК 8306.144-1 (рис. 16), МК 8301.399-1, МК 6120.407-А, МК 8305.483-1, МК 8305.483-2 (Рис. 17), МК 6117.602-А (Рис. 18), МК 6117.602-D, МК 8304.624-1 и МК 8302.675-1 (табл. 7).

Рисунок 16 - Корпус МК 8306.144-1	Рисунок 17 - Корпус МК 8305.483-2	Рисунок18 - Корпус МК 6117.602-A

Таблица 7 – Основные технические характеристики корпусов 6 и 8 типов по ГОСТ Р 54844.

Корпуса для мощных дискретных полупроводниковых приборов

Кроме корпусов для интегральных цифровых и аналоговых микросхем, АО «ТЕСТПРИБОР» развивает направление корпусов для мощных дискретных полупроводниковых приборов. В настоящее время компания завершила ряд работ, целями которых были разработка и освоение промышленного производства серии корпусов типов КТ (рис. 19) и SMD (рис. 20) категории качества «ВП», соответствующих требованиям ГОСТ РВ 20.39.412-97, ГОСТ РВ 5901-004-2010 и ГОСТ Р 57439-2017, с улучшенными показателями теплопроводности оснований. (табл. 8) При проектировании корпусов для мощных дискретных полупроводниковых приборов особое внимание следует уделять выбору материала теплоотвода, посколькуспособность сохранять заданные параметры в течение всего срока эксплуатации.

Основание корпуса МК КТ-28В-1	Основание корпуса МК КТ-43G-1	Основание корпуса МК КТ-98A-1	Основание корпуса МК КТ-99C-2	Основание корпуса МК КТ-105-3

Рисунок 19 – Серия корпусов типа КТ

Основание корпуса МК КТ-93-3	Основание корпуса МК КТ-94-5	Основание корпуса МК КТ-95-3	Основание корпуса МК КТ-106-2

Рисунок 20 – Серия корпусов типа SMD

Таблица 8 – Основные технические характеристики корпусов типа КТ.

Достаточно много материалов отличаются хорошими показателями теплопроводности, однако многие из них невозможно применять в конструкции корпуса из-за несовместимости физико-механических свойств с керамикой. В табл. 9 приведены основные свойства материалов, которые наиболее часто используются для изготовления теплопроводящих подложек в электронной промышленности. Из перечня материалов, представленных в таблице, самое широкое применение в конструкции корпусов нашли молибдено-медные и вольфрам-медные псевдосплавы.

Таблица 9 – Основные физико-механические свойства теплопроводящих материалов.

Например, сплав WCu представляет собой комбинацию вольфрама (W) с низким значением ТКЛР и меди (Cu), которая отличается высокой теплопроводностью. Значение ТКЛР сплава WCu, в зависимости от процентного содержания в нем вольфрама и меди, может быть подобрано таким образом, чтобы оно соответствовало значениям ТКЛР алюмооксидной керамики и ковара. Кроме того, данный материал хорошо обрабатывается, из него можно изготавливать детали сложной формы.

В настоящее время псевдосплавы WCu и MoCu – основные коммерческие материалы для изготовления теплоотводов корпусов как для полупроводниковых приборов, так и для ИМС.

Теплопроводность структур теплоотводов на основе «слоистых композитов» Сu / MoCu / Cu и Сu / WCu / Cu (рис. 21) почти в 1,5 раза больше по сравнению с типовыми значениями теплопроводности материалов WCu и MoCu, однако и стоимость их более высокая. Графитовый материал TPG отличается превосходными теплопроводящими свойствами и его применение в структурах теплоотводов (один из вариантов реализации приведен на рис. 22) позволяет снизить тепловое сопротивление переход-корпус более чем на 30%. Однако массовое промышленное применение этого перспективного материала ограничивается из-за сложности технологического процесса производства и высокой стоимости.

Рисунок 21 – Пример структуры теплоотвода на основе «Слоистых композитов».

Рисунок 22 – Пример структуры теплоотвода с графитовой вставкой.

Следует отметить также относительно недавно появившийся на рынке материал Al-SiC, который представляет собой спеченный теплопроводящий материал, удельный вес которого в три раза меньше Cu, а значение теплопроводности составляет 160 Вт / (м • К). Показатель ТКЛР этого материала определяется процентным соотношением Al и SiC, однако его применение ограничено из-за ряда недостатков.

В качестве перспективного материала, оптимально подходящего для решения задач повышения теплопроводности оснований корпусов для мощных дискретных полупроводниковых приборов, можно рассматривать новый композиционный материал медь-графит (Cu-Graphite). Его теплопроводность близка к теплопроводности чистой меди – 370 Вт / (м • К), а удельный вес (5,0 г / см3) в два раза меньше меди и более чем в три раза меньше сплава W85Cu15.

Гальваническое производство

В целях обеспечения непрерывного технологического цикла производства корпусов и металлизированных керамических подложек для изделий микроэлектроники АО «ТЕСТПРИБОР» был создан и введен в эксплуатацию участок гальванических покрытий (Рисунок 23). В настоящее время кроме обеспечения собственного производства на рынке производства микроэлектроники АО «ТЕСТПРИБОР» предлагает услуги по химическому никелированию (толщиной до 11 мкм), химическому золочению (до 0,5мкм) и гальваническому золочению (до 3 мкм) металлизированных поверхностей и поверхностей металлических деталей изделий микроэлектроники

Рис. 23 Участок гальванических покрытий.