PL222948B1 - Sposób wykonania przekładki - ,,heat-spreader-a" grafenowego w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych - Google Patents

Description

Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 15.04.2013 (19) PL (11) 222948 (13) B1 (51) Int.Cl.

H01B 1/00 (2006.01) H01B 1/04 (2006.01) H01L 23/00 (2006.01) H01L 23/373 (2006.01) B82B 1/00 (2006.01) B82B 3/00 (2006.01)

Sposób wykonania przekładki - „heat-spreader-a” grafenowego w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych

	(73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH, Warszawa, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	(72) Twórca(y) wynalazku:
27.10.2014 BUP 22/14	MARIAN TEODORCZYK, Warszawa, PL ELŻBIETA DĄBROWSKA-TUMAŃSKA, Warszawa, PL ANNA MŁOŻNIAK, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	MAŁGORZATA JAKUBOWSKA, Warszawa, PL
30.09.2016 WUP 09/16	ANDRZEJ MALĄG, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jakub Sielewiesiuk

PL 222 948 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania przekładki - „heat-spreader-a” grafenowego w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych. Wynalazek dotyczy technologii wytwarzania elektronicznych przyrządów mocy, zwłaszcza diod laserowych średniej i dużej mocy optycznej.

W półprzewodnikowych przyrządach mocy, do których należą diody laserowe, lasery, diody mocy tranzystory, tyrystory, triaki, podczas ich pracy część energii przekształcana jest w ciepło. Ciepło to odprowadzane jest przez chłodnice - radiatory. Struktury - tzw. chipy - półprzewodnikowe mocowane są do chłodnic metodą lutowania przeważnie na metaliczne lutowia eutektyczne. Są to m.in. diody laserowe średnich i dużych mocy optycznych. Proces montażu chipów laserowych do chłodnic polega na lutowaniu chipu za pomocą lutowia indowego do przekładek odprowadzających ciepło i dodatkowo dopasowujących współczynnik rozszerzalności cieplnej do materiałów, z których wykonane są podłoża chip-u. Przekładki takie, z języka angielskiego, zwane są „heat spreader”. Przekładki te lutowane są do chłodnic.

W technologii montażu struktur półprzewodnikowych wydzielających znaczną ilość ciepła stosuje się zatem opisane wyżej przekładki umożliwiające m.in. bardzo szybki odbiór ciepła, tzw. „heat spreader-y”. Stosuje się je także w montażu laserów półprzewodnikowych. Podczas pracy lasera półprzewodnikowego krytyczną wielkością odpowiadającą za jego parametry i czas życia jest zdolność odprowadzania ciepła z obszaru aktywnego. Nie mniej ważnym zjawiskiem wprowadzanym przez procesy lutowania są naprężenia w strukturze chipu laserowego gdyż każdy sposób montażu wprowadza naprężenia do heterostruktury diody laserowej. Ważne jest, jaka część tego naprężenia przejdzie do jej studni kwantowej. Wpływ naprężenia przejawia się m.in. w charakterystykach mocowoprądowych diody - zmniejszona jest wydajność i zwiększony prąd progowy takiej diody, czyli pogorszone parametry elektrooptyczne diody laserowej. Naprężenie widać również w położeniu charakterystyk spektralnych - następuje przesunięcie charakterystyki w stronę krótkofalową w przypadku montowania chipa laserowego bezpośrednio na chłodnicy miedzianej Cu. Częściowo problemy te zostały złagodzone poprzez zastosowanie przekładek („heat spreader-ów”) ze stopu CuC, mających dopasowany współczynnik rozszerzalności termicznej do arsenku galu - GaAs - podstawowego materiału heterostruktury laserów półprzewodnikowych emitujących w zakresie długości fali od 630 nm do 1 pm oraz posiadających wysoką przewodność termiczną.

Przekładki wykonywane z CuC są bardzo drogie, a próby ich odzysku z uszkodzonych podzespołów są nieskuteczne.

Dlatego też celem obecnego wynalazku jest zaproponowanie alternatywnego sposobu wykonania warstwy odprowadzającej ciepło („heat spreader-a”) w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych, pozbawionego powyższych wad.

W tym celu podjęto próby zastosowania w procesie wytwarzania, warstwy odprowadzającej ciepło („heat spreader-a” grafenowego) z zawiesiny na bazie grafenu.

Z polskiego zgłoszenia wynalazku nr P-396373 znana jest pasta zawierająca od 0.5% wag. do 15% wag., nanopłatków grafenowych wymieszanych z nośnikiem organicznym w postaci roztworu polimetakrylanu metylu (PMMA) w octanie karbitolu butylowego o stężeniu od 2% wag. do 10% wag. albo w postaci roztworu poliwęglanu (PC) w octanie karbitolu butylowego o stężeniu od 5% wag. do 12% wag. Wstępne próby prowadzono stosując taką właśnie pastę grafenową. Przeprowadzone pomiary wykazały jednak, że przewodnictwo cieplne nie było zadowalające.

Nieoczekiwanie okazało się, że bardzo dobre efekty uzyskuje się eliminując ze składu takiej pasty polimer (tj. PMMA lub PC, odpowiednio), to jest zastępując pastę zawiesiną nanopłatków grafenowych w octanie karbitolu butylowego.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób wykonania przekładki - „heat-spreader-a” grafenowego w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych, charakteryzuje się tym, że obejmuje kroki:

a) naniesienia na radiator wspomnianego elektronicznego przyrządu mocy, a zwłaszcza na chłodnicę lasera półprzewodnikowego, zawiesiny składającej się z nanopłatków grafenu w ilości od 3% wag. do 20% wag. w octanie karbinolu butylowego, do otrzymania warstwy o grubości od 20 pm do 200 pm,

b) suszenia otrzymanej warstwy w temperaturze pokojowej w powietrzu przez czas od 10 do minut,

PL 222 948 B1

c) suszenia otrzymanej warstwy w suszarce tunelowej w temperaturze około 120°C przez czas od 10 do 20 minut.

Korzystnie, zawartość nanopłatków grafenowych we wspomnianej zawiesinie wynosi 5% wag.

Korzystnie, w kroku a) zawiesinę nanosi techniką wybraną spośród: malowania pędzlem, rozpylania spray coating-u, rotograwiury, sitodruku.

Korzystnie, otrzymaną warstwę pokrywa się dodatkowo warstwą indu (In) o grubości od 5 μm do 50 μm.

Okazuje się, że zastosowanie zawiesiny grafenowej pod lutowie indowe nie tylko nie pogarsza parametrów diody, ale w pracy impulsowej wręcz zmniejsza prąd progowy i zwiększa wydajność wzrasta nachylenie charakterystyki mocowo-prądowej. Zmiany obydwu tych parametrów elektrooptycznych są bardzo korzystne dla pracy diody laserowej. Świadczą one o dobrym odprowadzeniu ciepła z obszaru chipu i minimalnych naprężeniach wprowadzonych przez proces montażu.

Szczegółowy opis wynalazku

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:

Fig. 1 (a, b) przedstawia schemat diody laserowej z tradycyjnym „heat-spreader-em” w postaci płytki z CuC (a) oraz schemat diody z warstwą „heat-spreader” wykonaną sposobem według wynalazku (b), fig. 2 przedstawia mikroskopowe zdjęcia nanopłatków grafenowych (GNP) stosowanych w opisywanym wynalazku, fig. 3 przedstawia charakterystyki spektralne i mocowo-prądowe w pomiarach cw przy różnych prądach, diody laserowej montowanej na paście grafenowej („heat spreder-ze” grafenowym) i na chłodnicy miedzianej na poszczególnych etapach montażu, fig. 4 przedstawia dla porównania charakterystyki spektralne i mocowo-prądowe w pomiarach cw, diody laserowej montowanej bezpośrednio na chłodnicy miedzianej przy różnych prądach na poszczególnych etapach montażu, zaś fig. 5 przedstawia dla porównania charakterystykę spektralną przy różnych prądach diody laserowej z tradycyjnym „heat-spreader-em” w postaci płytki CuC.

Zastosowano nanopłatki grafenowe takie same jak opisane w zgłoszeniu P-396373. Zdjęcia mikroskopowe GNP stosowanego w opisanych badaniach przedstawia fig. 2.

Wykonano zawiesinę nanopłatków grafenowych w octanie karbinolu butylowego. Stosowano od 3% wag. do 20% wag. nanopłatków, przy czym optymalną do nanoszenia gęstość uzyskano przy zawartości 5% wag. nanopłatków (o wielkości 15 μm x 15 μm i grubości 3-20 warstw grafenu). Odpowiednią dyspersję nanopłatków grafenowych uzyskiwano, działając na zawiesinę ultradźwiękami przez 1-2 godziny.

Przygotowanie powierzchni złoconych elementów - chłodnic laserowych - polegało na umyciu ich w acetonie. Zawiesinę nanoszono pędzelkiem na powierzchnię absorbującą ciepło na kolejnych elementach. Celem było uzyskanie ciągłej, możliwie grubej warstwy, przez malowanie pędzelkiem, bez wyraźnych defektów i prześwitów.

Warstwy zawiesiny o grubościach 20-200 μm nakładano na chłodnice laserowe. Suszenie w powietrzu 10-20 minut stanowiło fazę levelingu, tzn. umożliwiało rozpłynięcie się zawiesiny i wyrównanie powierzchni. Następnie prowadzono suszenie w suszarce tunelowej w temperaturze 120°C przez 10-20 minut. Tak wytworzone warstwy wykazywały zadawalające przewodnictwo cieplne.

Następnie metodą rezystancyjnego naparowania próżniowego pokrywano je warstwą indu (In) o grubości 5-50 μm. Chipy laserowe przytwierdzano za ich pomocą na stanowisku do lutowania „flip-chip” w specjalnie opracowanym procesie cieplnym. Próby lutowania wypadły pozytywnie; chipy przy próbie odrywaniu ich od chłodnic ulegały zniszczeniu, co świadczyło o prawidłowym montażu. Potwierdziły to również pomiary charakterystyk mocowo-prądowej i spektralnych tak wykonanych diod laserowych.

Alternatywne sposoby nanoszenia zawiesiny obejmują rozpylanie (ang. spray coating), rotograwiurę, sitodruk i inne techniki drukarskie.

Wnioski

Opracowano zawiesinę z nanografenem i sposób nanoszenia z niej powtarzalnych co do grubości warstw na chłodnicach laserowych. Warstwy zawiesiny nakładano na chłodnice laserowe i metodą rezystancyjnego naparowania próżniowego pokrywano je warstwą indu (In) a następnie przy4

PL 222 948 B1 twierdzano za ich pomocą (w specjalnym procesie cieplnym) chipy laserowe. Próby wypadły pozytywnie; chipy przy próbach odrywania ich od chłodnic ulegały zniszczeniu, co świadczyło o ich prawidłowym montażu. Korzystny efekt „heat-spreader-ów” grafenowych wykonanych z takich zawiesin potwierdziły również pomiary charakterystyk mocowo-prądowej i spektralnych przedstawione na fig. 3, fig. 4. „Heat spreader-y” grafenowe wykonane z zawiesiny grafenowej według wynalazku mają tak samo korzystne charakterystyki jak tradycyjne „heat-spreader-y” w postaci płytki (fig. 5).

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wykonania przekładki „heat-spreader-a” grafenowego w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych, znamienny tym, że obejmuje kroki:

a) naniesienia na radiator wspomnianego elektronicznego przyrządu mocy, a zwłaszcza na chłodnicę lasera półprzewodnikowego, zawiesiny składającej się z nanopłatków grafenu w ilości od 3% wag. do 20% wag. w octanie karbinolu butylowego, do otrzymania warstwy o grubości od 20 μm do 200 μm,

b) suszenia otrzymanej warstwy w temperaturze pokojowej w powietrzu przez czas od 10 do

20 minut,

c) suszenia otrzymanej warstwy w suszarce tunelowej w temperaturze około 120°C przez czas od 10 do 20 minut.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość nanopłatków grafenowych we wspomnianej zawiesinie wynosi 5% wag.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w kroku a) zawiesinę nanosi techniką wybraną spośród: malowania pędzlem, rozpylania spray coating-u, rotograwiury, sitodruku.

4. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że otrzymaną warstwę pokrywa się dodatkowo warstwą indu (In) o grubości od 5 μm do 50 μm.