Анотація до роботи:

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).

1. Розроблено метод синтезу порошку нітриду бору кубічної структури високотемпературним методом (1500^oС), 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.

2. 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.

3. 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 850^oС, 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 x10³ MОм і теплопровідність в інтервалі 100-200 Вт/мК.

4. 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.

5. 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/V² від 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

Публікації автора:

1. Handbook of Thick Film Technology// за редакцією K. Pitt, монографія, Electrochemical Publications, Ltd, Bristol, England, 2005, 506 p.

Achmatowicz S., Jakubowska M., Chapter 6: Characteristic of Dielectrics, P. 125-155.

Achmatowicz S., Jakubowska M., Chapter 8: Characteristic of resistors, P. 181-212.

Achmatowicz S., Jakubowska M., Chapter 12 The Adjustment of Thick Film Components and Circuits, P. 335-354.

2. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Nemesz W., Osieczkin S., MCM-C/Mixed Technologies, Chapter: Photosensitive polymer thick films, Kluver Academic Publishers 1999, NATO ASI Series, 3. High Technology – 1999- Vol. 57, ISBN 0-7923-5218-1, P. 143-150.

3. Jakubowska M., Hotra O., Shishonok E., Shipilo V., Ignatenko O., Anichenko N., Cubic Boron Nitride Crystalline Powders for Dielectric and High Thermal Conductive Thick Film Layers // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2004- № 510, c. 62 – 68.

4. Gielisse P., Niculescu H., Temblay J., Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Golonka L. // Wide Bandgap Materiale In Thermal Management of Electronic Structures, Journal of Wide Bandgap Materials - 2001- Vol. 8, P. 261- 275.

5.Giellissee P. Niculescu H., Temblay J., Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Golonka L.,Zawada T., Shipilo V., Shishinok E., Gameza L., High Thermal Conductivity Cubic Boron Nitride Thick Films // Proc. of 2001 Int. Symp. on Microelectronics -2001- Oct. 9-11, Baltimore, Proc. of SPIE The International Society for Optical Engineering, Vol. 458, P. 379-383.

6. Jakubowska M., Шишонок E., Achmatovich S., Zwierkowska E., Аниченко H., Способ изготовления диэлектрических толстых пленок с высокой теплопроводностью на основе кубического нитрида бора, заявление патента Республики Беларусь, A20050071, 25.01. 2005.

7. Jakubowska M., Grzesiak G., High Ohmic Measurements of Thick Film Glass Insulators // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2002- № 458, C. 76-81.

8. Jakubowska M., Goplaсski D., Kaliсski D., Hotra Z., Thermal Residual Stresses in Thick Film Structures Resistor on Dielectric – FEM Analysis // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2002- № 458, 2002, c. 32-37.

9. Jakubowska M., Zwierkowska E., Mіoїniak A., Achmatowicz S., Gielisse P., Niculescu H., The new thick film paste based on cubic boron nitride // Proc. of 26 International Conference IMAPS-Poland, -2002- Warszawa, Sept. 25-27, P. 70-74.

10. Niculescu H., Gielissee P., Tremblay J., Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Current-Voltage Characteristics of Cofired Cubic Boron Nitride // Proc. Of 26^th IMAPS Poland, -2002- Warsaw, Sept., P. 185-191.

11. Jakubowska M., Achmatowicz S., Zwierkowska E., Shishonok E., ShipiloV., Ignatenko O., Anichenko N., Proszki kubicznego azotku boru do zastosowaс w materiaіach grubowarstwowych // Materiaіy III Krajowej Konferencji Elektroniki -2004- czerwiec Koіobrzeg, P. 461-466.

12. Hotra Z., Jakubowska M., Szczepaсski Z., Thick Film Structure Resistor on Dielectric // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2002- Vol. 427, C. 73-82.

13. Achmatowicz S., Jakubowska M.,Zwierkowska E., Primowicz M., Low Cost Thick Film Resistive Compositions without Use of Noble Metals // Microelectronics International - Journal of Solid State Electronics: Theory Devices and Applications, 1995№ 38, P. 23-25.

14. Achmatowicz S., Jakubowska M., Pitt K, Primowicz M., Zwierkowska E., A Robust Low Cost Thick Film System for Consumer Market, // Journal of Materials Science: Materials in Electronics -1999- Vol.10, P. 487-490.

15. Hotra Z., Jakubowska M., Primowicz M., Zwierkowska E., Achmatowicz S., New Series of Resistive Pastes Based on ZnO.B₂O₃.MnO₃.Bi₂O₃.Al₂O₃. Glass // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2003- Vol. 492, c. 54-58.

16. Jakubowska M., Kalenik J., Kalita W., Molybdenum Resistors – Economic Alternative for Thick Film Technology // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2004- № 512, c. 14 - 18.

17. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Szczytko B., Szymaсski D., Нікелева провідникова паста, Патент Польщі № 160584, 1994.

18. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Szczytko B., Szymaсski D., Ізоляційна паста, Патент Польщі, № 162992, 1994 r.

19. Achamtowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Primowicz M., Sapowska G., Резистивна паста, Патент Польщі, № 172514, 1998.

20. Achmatowicz S., Jakubowska M.,Zwierkowska E., Primowicz M., Low Cost Thick Film Resistive Compositions without Use of Noble Metals // Proc. 10th European Microelectronics Conference -1995- 14-17 May, Copenhagen, Denmark, P. 374-380.

21. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Primowicz M., Studies on resistors based on molybdenum glass // Proc. of USA/Poland Microelectronic Symposium -1995- Wrocіaw, P. 35-39.

22. Jakubowska M., Achmatowicz S., Zwierkowska E., Pitt K., Resistive Paste Based on Molybdenum Oxides // Proc. of 23-rd Conf. of IMAPS Poland -1999- Koіobrzeg, Sept. 21-23, P. 223-227.

23. Pitt K., Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Primowicz M., The Effect of Thermal Aging on Electrical Properties of Thick Film Base Metal Resistors on Alumina and Dielectric // Proceedings of 8th European Passive Components Symposium CARTS EUROPE 94, -1994- Manchester Oct., P. 117-121.

24. Hotra Z., Jakubowska M., Szczepaсski Z., Thick Film Structure Resistor on Dielectric // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2002- Vol. 427, С. 73-82.

25. Jakubowska M., Hotra Z., Klepacki D., Modelling of Thermal Properties of Thick Film Resistor on Dielectric Multilayer Structure, Technical News -2001- № 2 (12), 2(13), c. 149-151.

26. Jakubowska M., Badanie Materiaіуw do Struktur Grubowarstwowych Rezystor na Dielektryku // Materiaіy Elektroniczne, -2001- 4, Р. 27-35.

27. Jakubowska M., Pitt K., Relationships between Resistor Composition and Electrical Properties on Alumina and a Dielectric // Proc. of 7th European Passive Components Symposium CARTS EUROPE 93, -1993- Geneva, Oct., P. 26-30.

28. Jakubowska M., Pitt K., Influence. of the contacts and firing process on the properties of thick film resistors on alumina and dielectrics // Journal of Materials Science: Materials in Electronics, -1995- № 6, P. 75-78.

29. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Pitt K., Tebeсko I., The Effect of Thermal Aging on Properties of Ruthenium Based Thick Film Resistors printed on Alumina and Dielectric // Proc. of 18th Conference of the ISHM Poland Chapter- 1994- Warszawa, Sept., P. 59-62.

30. Achmatowicz S., Jakubowska M., Marczak A., Tebeсko I., Investigation on Ruthenium Based Resistors Fired at low Temperature, // Proc. of 19th Conference of the ISHM Poland, Kozubnik, -1995- Sept., P. 49-52.

31. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Koncki R., Tymecki ., Thick Film Sensors for Potentiometric Determination of Copper Ions //Proc of. IMAS-Europe Symp. Prague 2000, Czech Republic,-2000- June 18-20, P. 183-187.

32. Jakubowska M., Jankowski St., Random Network Model of Thick Film resistors // Proceedings of 5th European Capacitors and Resistors Technology Symposium CARTS-Europe'91 -1991- Monachium Oct., P. 236-242.

33. Osieczkin S., Zwierkowska E., Jakubowska M., Achmatowicz S., Silver powder for Electronic Pastes // Proc. of 17th Conference of the ISHM Poland Chapter -1993- Rzeszуw, Sept., P. 135-138.

34. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Osieczkin S., Метод отримання срібного, паладієвого та паладієвосрібного порошку, Патент Польщі, № 170772, 1998.

35. Szczepaсski Z., Jakubowska M., Materials and Piezoresistivity Measurement Method for Thick Film Pressure Sensors // Transactions on the Prec. and Electronic Technology -1999- Vol. 4 , P. 51-56.

36. Hotra Z., Jakubowska M., Szczepaсski Z., New Thick Film Materials for Piezoresistive Ceramic Pressure Sensor // Вісник Національного університету „Львівська політехніка” -2002- Vol. 446, С. 250-255.

37. Tymecki ., Jakubowska M., Achmatowicz S., Koncki R., Gі№b S., Potentiometric Thick-Film Graphite Electrodes with Improved Response to Copper Ions //Analytical Letters, -2001- Vol. 34(1), P. 54-60.

38. Dziurdzia B., Jakubowska M., Photoimageable Thick-Films in Microwaves // Advancing Microelectronics -2002- Vol. 29(2), P. 44-47.

39. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Nemesz W., Osieczkin S., Photosensitive Silver Paste for Fine Lines on Multicrystalline Silicon // Proc. of the 20-th Conference of ISHM-Poland, Jurata, -1996- Sept. 14-17, P. 77- 80.

40. Achmatowicz S., Jakubowska M., Zwierkowska E., Nemesz W., Osieczkin S., Phosensitive Silver Paste // Proc. of the 21-th Conference of ISHM-Poland, Ustroс, -1997- October, P. 69-72.

41. Dziurdzia B., Jakubowska M., Nowoczesne techniki grubowarstwowe: Fotoformowanie warstw grubych // Elektronika, -2003- № 2-3, Р. 18-23.

42. Jakubowska M., Keith Pitt K., A Study of the Feasibility of Using Low Cost Thick Film Tracks in the Lower Part of the Microwave Spectrum, //Вісник Національного університету „Львівська політехніка”, -2002- № 458, c. 109-116.

43. Pitt K., Jakubowska M., Free C., Tian Z., Low Cost Microwave Thick Film Structures // Journal of Materials Science: Materials in Electronics, -2005-vol.16, №5, P.309-313.

44. Zwierkowska E., Jakubowska M., Achmatowicz S., Thick Film Electrodynamic Pressure Sensor //Proc. of 16th Spring Seminar on Electronic Technology (ISSE’93), Szklarska Porкba, -2003- April, P. 22-25.

45. Achmatowicz S., Jakubowska M., Kalenik J., Kisiel R., Mіoїniak A., Zwierkowska E., Lead-Free Silver Based Thick Film Pastes // Proc. of 28^th International Conference IMAPS – Poland 2003, Wrocіaw, Poland, 2003, P. 151-154.

46. Pitt K., Free C., Tian Z., Jakubowska M., A method for the prediction of microwave properties of thick film conductors from physical measurements and d.c. conductivity, Journal of material Science: Materials in Electronics , vol. 12 (2001), Р. 491-495.