Skip navigation
Please use this identifier to cite or link to this item: http://ela.kpi.ua/handle/123456789/2335
Title: Розробка високотеплопровідних підкладок багатокристальних мікрозбірок для роботи в екстремальних умовах
Authors: Бродніковська, Ірина Володимирівна
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"
електроніки
Issue Date: 2012
Abstract: Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2012. Дисертаційна робота присвячена розробці високотеплопровідних підкладок крупноформатних багатокристальних мікрозбірок на основі нітриду кремнію для роботи в екстремальних умовах великих теплових та механічних навантажень, а також, розробці методики визначення теплопровідності зразків малого розміру з різною геометрією і шорсткістю поверхні в стаціонарних умовах, та електричного моніторингу мікроструктури кераміки на основі нітриду кремнію. Встановлено, що кераміка Si3N4–5об.%Al2O3, отримана методом гарячого пресування з тривалістю ізотермічної витримки 30-35 хв та охолоджена зі швидкістю 40-50 °С/хв, з добавками TiO2 у кількості до 4об.% характеризується найбільшою теплопровідністю (до 65 Вт/(м·К)), високим питомим опором (1012- 1013 Ом·см), міцністю (до 17 ГПа) та тріщиностійкістю (до 7 МН/м3/2), перспективна у якості діелектричних шарів підкладок МСМ. Показано приклади успішного керування питомим опором електропровідного шару при сталому об’ємному вмісті провідної фази зміною дисперсності провідних частинок та зміною температури ізотермічної витримки. Розроблені та теоретично обґрунтовані методики оцінки теплопровідності матеріалів за допомогою набору зондів, що розширило діапазон вимірювань; а також моніторингу мікроструктури нітридокремнієвої кераміки на основі визначення енергії активації, діелектричного відгуку та побудові електричних моделей структури.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – твердотельная электроника. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2012. Диссертационная работа посвящена разработке высокотеплопроводных подложек крупноформатных многокристальных микросборок на основе нитрида кремния для работы в экстремальных условиях больших механических и тепловых загрузок; а также разработке методики оценки теплопроводности образцов малого размера с различной геометрией и шероховатостью поверхности в стационарных условиях, и электрического мониторинга микроструктуры керамики на основе нитрида кремния с различной концентрацией проводящих включений. В работе изучены материалы диэлектрических и электропроводных слоев подложек. Установлены технологические режимы, которые позволяют получать подложки с уникальными характеристиками, пригодные для изготовления МСМ коммерческого и специального использования, а также эффективные методы управления свойствами и микроструктурой композитов через технологию их получения и состав исходного сырья. При изучении диэлектрической керамики на основе Si3N4–5об.%Al2O3 показано, что скорость охлаждения после горячего прессования влияет на формирование дефектов структуры некоторым критическим образом: электропроводность может осуществляться дефектами в зерне β-Si3N4 или дефектами в аморфных пленках SiO2, Si2ON2, Si по границам зерен в зависимости от режима охлаждения. Для получения образцов с наименьшей пористостью, обладающих отличными механическими и электрическими характеристиками, необходима средняя скорость охлаждения 40-60 °С/мин. Решающую роль при этом играет вид добавки: 2-3об.% TiH2 вызывает уменьшение пористости (≈4%), падение удельного сопротивления до 107-108 Ом·см и энергии активации до 0,4, 0,6 эВ; 2- 3об.% TiH2 - уменьшение пористости до 2% и увеличение удельного сопротивления до 1013-1014 Ом·см; а введение TiO2 в количестве до 4% – повышение теплопроводности до 65 Вт/(м·К), удельного сопротивления до 1012-1013 Ом·см, прочности до 17 ГПа и трещиностойкости до 7 МН/м3/2. Минимальный коэффициент диэлектрических потерь при этом ( <0,1) наблюдается в материалах, охлажденных со скоростью 40-50 °С/мин независимо от типа добавки. Путем постадийного изучения изменения фазового состава горячепрессованной диэлектрической керамики прямыми и электрическими методами мониторинга установлено, что оптимальная длительность изотермической выдержки – 30-35 мин. Показано, что успешно управлять удельным сопротивлением электропроводного слоя и формированием проводящего кластера при постоянном объемном содержании проводящей фазы можно изменением дисперсности проводящих частиц и температуры изотермической выдержки при исходных порошках одинаковой дисперсности. Увеличение температуры выше некоторой оптимальной (от 1710 до 1900 °С) приводит к увеличению удельного сопротивления композитов Si3N4-5об.%MgO-10об.%SiC больше, чем на порядок (от 2·106 до 4·107 Ом·см) за счет процессов агломерации проводящих частиц, а укрупнение проводящих включений от 1 до 46 мкм при размере зерна матричной фазы 12 мкм в композитах Si3N4-6,1об.%Al2O3-13,5об.%ZrC – на порядок (от 0,02 до 0,12 Ом·см). В результате электрического моделирования микроструктуры композитов диэлектрик- металл по температурной зависимости сопротивления было показано, что она описывается как вкладом проводящей, так и диэлектрической фазы, при чем, при возрастании размера зерна проводящего включения увеличивается вклад диэлектрической фазы. Разработаны и теоретически обоснованы методики оценки теплопроводности материалов при помощи набора зондов, что расширило измерительный діапазон; а также мониторинга микроструктуры нитридокремниевой кераміки на основе определения енергии активации, диэлектрического отклика и построении электрических моделей структуры. Установлена корреляция между механизмами электропроводности и активационными центрами на постоянном и диэлектрическим откликом системы на переменном токе. Показано, что дефектам в пленках дегидрогенизированного аморфного кремния (α-Si) по границам зерен β-Si3N4, отвечает энергия активации 0,4 эВ при 200-300 °С на постоянном токе и показатель степени в частотной зависимости активной компоненты электропроводности на переменном токе ( n ) n =0,97 на 107-108 Гц. А образованию дефектов в пленках аморфного оксида кремния (α-SiO2) отвечает энергия активации 0,6 эВ при 300- 400 °С и n =0,6 на 106-107 Гц.
Thesis for the Ph. D. degree in speciality 05.27.01 – solid-state electronics. – National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2012. Dissertation is devoted to development of high heat-conducting substrates for largesize multichip microassemblies based on silicon nitride working in extreme conditions of high mechanical and thermal loadings; as well as the thermal conductivity coefficient estimation of small samples with various shape and surface roughness, and also electrical microstructure monitoring of silicon nitride ceramics. It was shown that hot pressed Si3N4-5vol.%Al2O3 ceramics, obtained with the time of isothermal holding 30-35 min and cooling rate 40-50 °C/min, with addition of up to 4vol.%TiO2 has the highest thermal conductivity (up to 65 W/(m·K)), high resistivity (1012-1013 Ω·cm), strength (up to 17 GPa), fracture toughness (up to 7 MN/m3/2) and it is suitable for dielectric layers of MCM substrates. The examples of successful management of electroconductive layer specific resistance at constant volume content of conductive phase by the change of dispersion of conductive particles and variation of isothermal soaking temperature were pointed. The methods of materials heat-conduction estimation by the set of probes were developed and theoretically substantiated. That extended the range of measuments. The nondestructive methods of microstructure monitoring on the base of activation energy, dielectric response and electrical models of microstructure were established.
URI: http://ela.kpi.ua/handle/123456789/2335
Appears in Collections:Автореферати

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Brodnikovska_aref.pdf
  Restricted Access
779.79 kBAdobe PDFView/Open
Show full item record


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.