ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ
НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА AlSiC 

Нищев Константин Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент, директор Института физики и химии, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: nishchev@inbox.ru
Новопольцев Михаил Ильич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: novopol@inbox.ru
Беглов Владимир Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра радиотехники, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: beglowlad@yandex.ru
Гришанин Алексей Владимирович, Директор Научно-инженерного центра силовых полупроводниковых приборов, ПАО «Электровыпрямитель» (Россия, г. Саранск, ул. Пролетарская, 126), E-mail: grav82@list.ru
Сигачев Александр Федорович, ведущий инженер, кафедра физики твердого тела, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: siaf@mail.ru
Лютова Екатерина Николаевна, инженер, кафедра общей физики, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: ekat.lyutova@yandex.ru
Чернобровкин Юрий Васильевич, инженер, кафедра общей физики, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: novopol@inbox.ru
Горбунов Дмитрий Сергеевич, аспирант, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), E-mail: gorbunovdiman94@mail.ru 

539.61 

DOI

10.21685/2072-3040-2019-2-9 

Актуальность и цели. Важным элементом конструкции силовых полупроводниковых приборов (СПП) является термокомпенсатор. В современных технологиях для изготовления термокомпенсатора используется металломатричный композиционный материал на основе микропорошка карбида кремния и алюминиевого матричного сплава (ММКМ AlSiC), на поверхность которого наносится многослойное металлическое покрытие. Надежность СПП в значительной степени определяется адгезионной прочностью данного покрытия. Целью работы является исследование влияния термообработки на адгезионную прочность многослойного металлического покрытия Al-Ti-Ni-Ag, нанесенного на поверхность ММКМ AlSiC.
Материалы и методы. Исследуемые образцы ММКМ AlSiC изготавливались методом вакуумно-компрессионной пропитки. В качестве матрицы композита использовался алюминиевый сплав АК9, в качестве наполнителя – микропорошок карбида кремния с гранулометрическим составом F100+10 % М10П. Металлическое покрытие со структурой слоев Al-Ti-Ni-Ag наносилось на поверхность исследуемых образцов ММКМ AlSiC методом магнетронного распыления. Адгезионная прочность соединения покрытия с поверхностью композита определялась методом отслаивания.
Результаты. Измерена адгезионная прочность металлического покрытия в зависимости от продолжительности и температуры изотермического отжига в вакууме и атмосфере водорода.
Выводы. Термообработка исследуемых образцов в вакууме или в атмосфере водорода продолжительностью более 30 мин при температуре 450 °С приводит к возрастанию адгезионной прочности металлического покрытия примерно в 3 раза. 

Ключевые слова

силовые полупроводниковые приборы, металломатричный композиционный материал AlSiC, многослойные металлические покрытия, термокомпенсатор, адгезия 

 Скачать статью в формате PDF

1. MMC AlSiC as alternative for molybdenum in power press-pack semiconductor design. Investigations of electric conductivity properties of AlSiC / A. Grishanin, K. Nishchev, V. Martynenko, V. Eliseev, M. Novopoltsev, A. Samoylov // PCIM Europe – 2017 (16–18 May 2017). – Nuremberg, Germany, 2017. – P. 1416–1419.
2. Occhionero, M. A. Cost-effective manufacturing of aluminium silicon carbide (AlSiC) electronic packages / M. A. Occhionero, R. A. Hay, R. W. Adams, K. P. Fennessy // Proceedings International Symposium on Advanced Packaging Materials. Processes, Properties and Interfaces (IEEE Cat. No.99TH8405) (14–17 March 1999). – 1999. – P. 118–124.
3. The use of metal-matrix Al-SiC composites in heat-spreading bases of power electronic devices / K. N. Nishchev, V. V. Eliseev, L. A. Emikh, M. I. Novopoltsev, N. E. Fomin, V. A. Yudin, A. N. Afanas'ev-Khodykin // Polymer Science. Series D. – 2012. – Vol. 5, iss. 3. – P. 195–198.
4. Occhionero, M. A. AlSiC Baseplates for Power IGBT Modules: Design, Performance and Reliability / M. A. Occhionero, K. P. Fennessy, R. W. Adams, G. J. Sundberg // Ceramics Process Systems. – 2003. – 6 p.
5. Повышение надежности IGBT модулей с применением металлического композиционного материала AlSiC / Е. Н. Каблов, Б. В. Щетанов, А. А. Шавнев, А. Н. Няфкин, В. В. Чибиркин, В. В. Елисеев, В. А. Мартыненко, В. Г. Мускатиньев, Л. А. Эмих, С. М. Вдовин, К. Н. Нищев // Авиационные материалы и технологии. – 2010. – № 4 (17). – С. 3–6.
6. Patentschrift DE 3414065 C2. Deutsches Patentamt / Fellenger J., Baumgartner W. – 1989.
7. Europäische Patentschrift EP 0 242 626 B1. Europäisches Patentamt / Schwarzbauer H. – 1991.
8. Schwarzbauer, H. Novel Large Area Joining Technique for Improved Power Device Performance / H. Schwarzbauer, R. Kuhnert // IEEE Trans. Ind. Appl. – 1991. – Vol. 27, № 1. – P. 93.
9. Scheuermann, U. Low Temperature Joining Technology – a High Reliability Alternative to Solder Contacts / U. Scheuermann, P. Wiedl // Workshop on Metal Ceramic Composites for Functional Applications. – Wien, 1997. – P. 181–192.
10. Исследование процесса низкотемпературного спекания серебросодержащих паст методом растровой электронной микроскопии / К. Н. Нищев, М. И. Новопольцев, К. В. Саврасов, В. П. Мишкин, В. В. Елисеев, В. А. Мартыненко, А. В. Гришанин // Прикладная физика. – 2015. – № 3. – С. 10–14.
11. Зимон, А. Д. Адгезия пленок и покрытий / А. Д. Зимон. – Москва : Химия, 1977. – 352 с.
12. Кинлок, Э. Адгезия и адгезивы: Наука и технология / Э. Кинлок ; пер. с англ. А. Б. Зильбермана ; под ред. Л. М. Притыкина. – Москва : Мир, 1991. – 484 с.
13. Дерягин, Б. В. Адгезия твердых тел / Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга. – Москва : Наука, 1973. – 279 с.
14. Углов, А. А. Адгезионная способность пленок / А. А. Углов, Л. М. Анищенко, С. Е. Кузнецов. – Москва : Радио и связь, 1987. – 104 с.
15. Партенский, М. Б. Самосогласованная электронная теория металлической поверхности / М. Б. Партенский // Успехи физических наук. – 1979. – Т. 128, № 5. – С. 69–100.
16. Вакилов, А. Н. Адгезия металлов и полупроводников в рамках диэлектрического формализма / А. Н. Вакилов, М. В. Мамонова, В. В. Прудников // Физика твердого тела. – 1997. – Т. 39, № 6. – С. 964–967.
17. Гу банов, А. И. Теория адгезии двух любых металлов / А. И. Губанов // Физика металлов и металловедение. – 1977. – Т. 43, № 1. – С. 15–21.
18. Щербина, А. А. Переходные зоны в полимерных адгезионных соединениях. Фазовые равновесия, диффузия, адгезия : автореф. дис. … д-ра хим. наук / Щербина А. А. – Москва, 2016. – С. 48.
19. Берлин, А. А. Основы адгезии полимеров / А. А. Берлин, В. Е. Басин. – Москва : Химия, 1974. – 391 с.
20. Щербина, А. А. Влияние процессов взаимодиффузии на формирование и разрушение адгезионных соединений / А. А. Щербина, А. Д. Горбунов, М. В. Вокаль // Структура и динамика молекулярных систем : сб. ст. – Вып. XI, ч. 2. – Казань : КГУ, 2004. – С. 248–255.
21. Воюцкий, С. С. Аутогезия и адгезия высокополимеров / С. С. Воюцкий – Москва : Ростехиздат, 1960. – 244 с.
22. Тополянский, П. А. Исследование адгезионных свойств и механизма образования покрытия, наносимого методом финишного плазменного упрочнения. Ч. 2 / П. А. Тополянский // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки : материалы VII Междунар. практ. конф.-выставки (г. Санкт-Петербург 12–15 апреля 2005 г.). – Санкт-Петербург : Изд-во СПбГПУ, 2005. – С. 316–333.
23. Шау цу ков, А. Г. Современное представление о возможных механизмах адгезии металлических пленок к различным подложкам / А. Г. Шауцуков // Прикладная физика. – 2006. – № 5. – C. 16–21.
24. Makhovskaya, Yu. Yu. The combined effect of capillarity and elasticity in contact interaction / Yu.Yu. Makhovskaya, I. G. Goryacheva // Tribology Intern. – 1999. – № 32. – P. 507–515.
25. Горячева, И. Г. Адгезионное взаимодействие упругих тел / И. Г. Горячева, Ю. Ю. Маховская // Прикладная математика и механика. – 2001. – Т. 65, № 2. – С. 279–289.
26. Тонкие пленки: Взаимная диффузия и реакции / под ред. Дж. Поут, К. Ту, Дж. Мейер. – Москва : Мир, 1982. – 576 с.
27. Пат. 110310 Российская Федерация. Устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала / Каблов Е. Н., Чибиркин В. В., Вдовин С. М., Гращенков Д. В., Щетанов Б. В., Прокофьев С. А., Мускатиньев В. Г., Нищев К. Н. – 31.05.2011.
28. ГОСТ 28574–90 (СТ СЭВ 6319-88). Защита от коррозии в строительстве. Конструкции бетонные и железобетонные. Методы испытаний адгезии защитных покрытий. – Москва, 1990.
29. ГОСТ 15140–78. Материалы лакокрасочные. Метод определения адгезии. – Москва, 1978.
30. ГОСТ 32299–2013. Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом отрыва. – Москва, 2013.