eng
Выпуск #7/2021
В. Иванов, Ф. Уголини
МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ ПО ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕРИНГА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И МОДУЛЕЙ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ ПО ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕРИНГА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И МОДУЛЕЙ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Просмотры: 2392
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.208.7.174.187
Рассмотрен монтаж кристаллов по технологии синтеринга для производства элементов и модулей силовой электроники. Приведена информация о применяемых материалах, процессе монтажа и необходимом оборудовании.
Рассмотрен монтаж кристаллов по технологии синтеринга для производства элементов и модулей силовой электроники. Приведена информация о применяемых материалах, процессе монтажа и необходимом оборудовании.
Монтаж кристаллов по технологии синтеринга для производства элементов и модулей силовой электроники
В. Иванов , Ф. Уголини
Спекание (синтеринг, от англ. sintering) серебра (Ag) – перспективный метод для создания бессвинцового соединения, обеспечивающего более высокие рабочую температуру, теплопроводность и электропроводность, чем у припойных паст и других материалов из бессвинцовых сплавов. В полупроводниковых силовых модулях материал для монтажа кристаллов на диэлектрическую подложку играет существенную роль. В статье мы обсудим современные материалы, применяемые в производстве силовых элементов. Рассмотрим пример спекания частиц Ag при низком давлении на медной (Cu) подложке, на кристалле карбида кремния (SiС) и между ними. Опишем процесс монтажа кристаллов с помощью синтеринга для серийного производства силовых модулей и дадим оценку его качества.
Также мы представим оборудование, необходимое для синтеринга и оценки качества процесса. Спекание способно успешно заменить пайку во многих практических применениях, обеспечивая при этом гораздо более высокую и долговременную стабильность рабочих характеристик.
Буквально за последнее десятилетие появилось несколько технологий монтажа кристаллов для сборки надежных высокотемпературных силовых модулей (температура p-n-перехода свыше 175 °C). Некоторые из них основываются на применении дорогостоящих золотых припоев, таких как золото-германий (AuGe) и хорошо известный золото-олово (AuSn), другие используют силы Ван-дер-Ваальса, третьи делают ставку на сплавы и припои олово-сурьма (SnSb) с повышенным содержанием Sb. В целом выбор пал на проверенные и надежные материалы, это вызвано тем, что внедрение и коммерциализация любой новой технологии является сложным процессом и надежнее стартовать с готовыми наработками.
Ag используется для монтажа полупроводниковых кристаллов с 90‑х годов прошлого века, а высокая надежность Ag-соединений и их хорошие электромеханические свойства были известны еще раньше. Однако широкому применению препятствовала необходимость использования специального оборудования и низкая пригодность для массового производства по причине высокой температуры плавления Ag. Поэтому технология синтеринга не одно десятилетие исследовалась и обсуждалась на международных конференциях задолго до внедрения в производство.
Увеличение энергоэффективности требует повышения скоростей преобразования электроэнергии при хорошей устойчивости к высокому напряжению и применения материалов с высокой коммутационной способностью. Силовые элементы на основе материалов с широкой запрещенной зоной (WBG – Wide Band Gap), таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), были исследованы на предмет уменьшения размеров и повышения эффективности преобразования энергии [1]. В первую очередь это вызвано тем, что материалы с WBG обладают высокой электроизоляцией и отлично подходят для повышения эффективности силовых модулей (рис. 1). WBG обеспечивает работу силовых модулей при температурах свыше 250 °C [2], но возникают проблемы в соединении между кристаллом и подложкой, необходимо обеспечить прочность, высокую электро- и теплопроводность.
Обязательно следует подчеркнуть, что переход на SiC позволяет снизить массу и габариты силовых модулей почти в два раза (рис. 2).
Также важное преимущество SiC перед Si – высокая теплопроводность, существенным критерием является коэффициент теплового расширения (КТР). Некоторые значения КТР для материалов, применяемых в силовых модулях, представлены в табл. 1. КТР напрямую влияет на теплоотвод и на прочность соединения, поскольку при нагреве могут возникать повреждения и пустоты, особенно в слоях материалов между кристаллом и подложкой, поэтому кристаллы для синтеринга должны иметь металлизацию на поверхности соединения с подложкой. Это, как правило, три слоя – слой титана (Ti), слой никеля (Ni) и слой Ag (крайне редко Au), но может быть и два – Ti и Ag.
После монтажа осуществляется сварка кристалла и выводов подложки проволокой, которая тоже играет свою роль и в отводе тепла. Для силовых модулей на базе Si-кристаллов применяют толстую алюминиевую (Al) проволоку или ленту, теплопроводность Al составляет около 2 Вт / см2 · °C. Для силовых модулей на базе SiC-кристаллов используется либо чистая, либо покрытая Al толстая Cu-проволока, ее теплопроводность составляет около 4 Вт / см2 · °C и при этом ее электропроводность тоже лучше. Учитывая, что самые ходовые в производстве силовых модулей это Cu-подложки, очевидно, что применение Cu-проволоки дает целый ряд преимуществ.
При высокой рабочей температуре припои из бессвинцовых сплавов ненадежны [3], поэтому и возникла острая потребность в синтеринге Ag как альтернативном методе монтажа кристаллов [4, 5]. Есть три варианта монтажа кристаллов при помощи синтеринга Ag: на пасту, прямой с напылением Ag на контактных поверхностях и на фольгу (преформу). Фольга или напыленное Ag на поверхностях при спекании образуют интерметаллические соединения, но для обеспечения качества требуется высокое давление порядка 20 МПа и более, что может привести к повреждению кристалла или деформации подложки. Паста для синтеринга представляет собой смесь монометаллических частиц Ag размером менее 1 мкм с полимером и в данной работе мы рассмотрим применение пасты, в том числе в виде пленки, и ее спекание при высоком давлении, а также вариант при низком давлении 0,4 МПа [6].
Процесс монтажа кристаллов по технологии синтеринга с применением Ag-пасты в виде пленки
Различные материалы для монтажа кристаллов на пленочном носителе в наше время широко используются при производстве ответственных изделий, поскольку они обеспечивают равномерность нанесения материала на контактную поверхность кристалла.
Скорость процесса монтажа с применением Ag-пасты для спекания на пленке составляет около 2 мин при давлении от 5 до 10 МПа. Данный метод подходит для широкого спектра изделий, включая сборку силовых модулей, силовых дискретных устройств, тиристоров, мощных светодиодов и силовых СВЧ-устройств [7].
Схема монтажа кристалла по технологии синтеринга с применением пасты в виде пленки представлена на рис. 3. Спекание кристалла и пасты с пленки (часто данный метод называют переносом или ламинированием) удобно проводить на установке монтажа кристаллов с нагреваемым инструментом и столиком, способным осуществить захват пленки. А вот монтаж кристалла на подложку представляет собой единый принцип, но может осуществляться разными способами. Первый – спекание в специальном прессе для синтеринга при высоком давлении с нагревом пресс-формы и столика. Второй – спекание на установке монтажа кристаллов с нагреваемым инструментом и столиком.
Учитывая скорости процесса, применение установки монтажа кристаллов подходит для исследований, разработок (R&D) и мелкосерийного производства, также в производстве потребуется в зоне монтажа создавать инертную атмосферу с подачей азота (N2) и возникают некоторые ограничения, связанные с обеспечением доступа для инструмента с кристаллом. В случае с прессом можно спекать групповые заготовки и есть конструкционные исполнения, когда сама пресс-форма и подложка с кристаллами располагаются в герметичной камере с напуском N2.
Процесс монтажа кристаллов по технологии синтеринга
при низком давлении
Синтеринг при низком давлении интересен для монтажа крупных кристаллов с большой площадью контакта. Подготовка к данному процессу имеет свою специфику и далее мы приведем конкретный пример и представим его результаты.
При подготовке пасты использовались два типа частиц Ag, их изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), продемонстрировано на рис. 4а, б. Один тип представляет собой частицы в форме хлопьев, которые имеют среднюю толщину 260 нм и средний диаметр 2,6 мкм, их распределение по объему показано на рис. 4в. Другой тип частиц Ag имеет сферическую форму со средним диаметром 300 нм и распределением по объему, как показано на графике (рис. 4г).
Частицы были равномерно перемешаны с массовым соотношением 1 : 1 в спиртовом растворе в ультразвуковой (УЗ) ванне в течение 30 мин. Затем частицы были смешаны в миксере с этиленгликолем с соотношением Ag к этиленгликолю 10:1.
Схема процесса монтажа кристалла с использованием смешанных частиц Ag показана на рис. 5. Во-первых, были подготовлены SiC-кристаллы размерами 3 × 3 × 0,5 мм; 6 × 6 × 0,5 мм; 10 × 10 × 0,5 мм и 15 × 15 × 0,5 мм. Также были подготовлены Cu-подложки размером 20 × 20 × 1,5 мм. Далее поверхности
В. Иванов , Ф. Уголини
Спекание (синтеринг, от англ. sintering) серебра (Ag) – перспективный метод для создания бессвинцового соединения, обеспечивающего более высокие рабочую температуру, теплопроводность и электропроводность, чем у припойных паст и других материалов из бессвинцовых сплавов. В полупроводниковых силовых модулях материал для монтажа кристаллов на диэлектрическую подложку играет существенную роль. В статье мы обсудим современные материалы, применяемые в производстве силовых элементов. Рассмотрим пример спекания частиц Ag при низком давлении на медной (Cu) подложке, на кристалле карбида кремния (SiС) и между ними. Опишем процесс монтажа кристаллов с помощью синтеринга для серийного производства силовых модулей и дадим оценку его качества.
Также мы представим оборудование, необходимое для синтеринга и оценки качества процесса. Спекание способно успешно заменить пайку во многих практических применениях, обеспечивая при этом гораздо более высокую и долговременную стабильность рабочих характеристик.
Буквально за последнее десятилетие появилось несколько технологий монтажа кристаллов для сборки надежных высокотемпературных силовых модулей (температура p-n-перехода свыше 175 °C). Некоторые из них основываются на применении дорогостоящих золотых припоев, таких как золото-германий (AuGe) и хорошо известный золото-олово (AuSn), другие используют силы Ван-дер-Ваальса, третьи делают ставку на сплавы и припои олово-сурьма (SnSb) с повышенным содержанием Sb. В целом выбор пал на проверенные и надежные материалы, это вызвано тем, что внедрение и коммерциализация любой новой технологии является сложным процессом и надежнее стартовать с готовыми наработками.
Ag используется для монтажа полупроводниковых кристаллов с 90‑х годов прошлого века, а высокая надежность Ag-соединений и их хорошие электромеханические свойства были известны еще раньше. Однако широкому применению препятствовала необходимость использования специального оборудования и низкая пригодность для массового производства по причине высокой температуры плавления Ag. Поэтому технология синтеринга не одно десятилетие исследовалась и обсуждалась на международных конференциях задолго до внедрения в производство.
Увеличение энергоэффективности требует повышения скоростей преобразования электроэнергии при хорошей устойчивости к высокому напряжению и применения материалов с высокой коммутационной способностью. Силовые элементы на основе материалов с широкой запрещенной зоной (WBG – Wide Band Gap), таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), были исследованы на предмет уменьшения размеров и повышения эффективности преобразования энергии [1]. В первую очередь это вызвано тем, что материалы с WBG обладают высокой электроизоляцией и отлично подходят для повышения эффективности силовых модулей (рис. 1). WBG обеспечивает работу силовых модулей при температурах свыше 250 °C [2], но возникают проблемы в соединении между кристаллом и подложкой, необходимо обеспечить прочность, высокую электро- и теплопроводность.
Обязательно следует подчеркнуть, что переход на SiC позволяет снизить массу и габариты силовых модулей почти в два раза (рис. 2).
Также важное преимущество SiC перед Si – высокая теплопроводность, существенным критерием является коэффициент теплового расширения (КТР). Некоторые значения КТР для материалов, применяемых в силовых модулях, представлены в табл. 1. КТР напрямую влияет на теплоотвод и на прочность соединения, поскольку при нагреве могут возникать повреждения и пустоты, особенно в слоях материалов между кристаллом и подложкой, поэтому кристаллы для синтеринга должны иметь металлизацию на поверхности соединения с подложкой. Это, как правило, три слоя – слой титана (Ti), слой никеля (Ni) и слой Ag (крайне редко Au), но может быть и два – Ti и Ag.
После монтажа осуществляется сварка кристалла и выводов подложки проволокой, которая тоже играет свою роль и в отводе тепла. Для силовых модулей на базе Si-кристаллов применяют толстую алюминиевую (Al) проволоку или ленту, теплопроводность Al составляет около 2 Вт / см2 · °C. Для силовых модулей на базе SiC-кристаллов используется либо чистая, либо покрытая Al толстая Cu-проволока, ее теплопроводность составляет около 4 Вт / см2 · °C и при этом ее электропроводность тоже лучше. Учитывая, что самые ходовые в производстве силовых модулей это Cu-подложки, очевидно, что применение Cu-проволоки дает целый ряд преимуществ.
При высокой рабочей температуре припои из бессвинцовых сплавов ненадежны [3], поэтому и возникла острая потребность в синтеринге Ag как альтернативном методе монтажа кристаллов [4, 5]. Есть три варианта монтажа кристаллов при помощи синтеринга Ag: на пасту, прямой с напылением Ag на контактных поверхностях и на фольгу (преформу). Фольга или напыленное Ag на поверхностях при спекании образуют интерметаллические соединения, но для обеспечения качества требуется высокое давление порядка 20 МПа и более, что может привести к повреждению кристалла или деформации подложки. Паста для синтеринга представляет собой смесь монометаллических частиц Ag размером менее 1 мкм с полимером и в данной работе мы рассмотрим применение пасты, в том числе в виде пленки, и ее спекание при высоком давлении, а также вариант при низком давлении 0,4 МПа [6].
Процесс монтажа кристаллов по технологии синтеринга с применением Ag-пасты в виде пленки
Различные материалы для монтажа кристаллов на пленочном носителе в наше время широко используются при производстве ответственных изделий, поскольку они обеспечивают равномерность нанесения материала на контактную поверхность кристалла.
Скорость процесса монтажа с применением Ag-пасты для спекания на пленке составляет около 2 мин при давлении от 5 до 10 МПа. Данный метод подходит для широкого спектра изделий, включая сборку силовых модулей, силовых дискретных устройств, тиристоров, мощных светодиодов и силовых СВЧ-устройств [7].
Схема монтажа кристалла по технологии синтеринга с применением пасты в виде пленки представлена на рис. 3. Спекание кристалла и пасты с пленки (часто данный метод называют переносом или ламинированием) удобно проводить на установке монтажа кристаллов с нагреваемым инструментом и столиком, способным осуществить захват пленки. А вот монтаж кристалла на подложку представляет собой единый принцип, но может осуществляться разными способами. Первый – спекание в специальном прессе для синтеринга при высоком давлении с нагревом пресс-формы и столика. Второй – спекание на установке монтажа кристаллов с нагреваемым инструментом и столиком.
Учитывая скорости процесса, применение установки монтажа кристаллов подходит для исследований, разработок (R&D) и мелкосерийного производства, также в производстве потребуется в зоне монтажа создавать инертную атмосферу с подачей азота (N2) и возникают некоторые ограничения, связанные с обеспечением доступа для инструмента с кристаллом. В случае с прессом можно спекать групповые заготовки и есть конструкционные исполнения, когда сама пресс-форма и подложка с кристаллами располагаются в герметичной камере с напуском N2.
Процесс монтажа кристаллов по технологии синтеринга
при низком давлении
Синтеринг при низком давлении интересен для монтажа крупных кристаллов с большой площадью контакта. Подготовка к данному процессу имеет свою специфику и далее мы приведем конкретный пример и представим его результаты.
При подготовке пасты использовались два типа частиц Ag, их изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), продемонстрировано на рис. 4а, б. Один тип представляет собой частицы в форме хлопьев, которые имеют среднюю толщину 260 нм и средний диаметр 2,6 мкм, их распределение по объему показано на рис. 4в. Другой тип частиц Ag имеет сферическую форму со средним диаметром 300 нм и распределением по объему, как показано на графике (рис. 4г).
Частицы были равномерно перемешаны с массовым соотношением 1 : 1 в спиртовом растворе в ультразвуковой (УЗ) ванне в течение 30 мин. Затем частицы были смешаны в миксере с этиленгликолем с соотношением Ag к этиленгликолю 10:1.
Схема процесса монтажа кристалла с использованием смешанных частиц Ag показана на рис. 5. Во-первых, были подготовлены SiC-кристаллы размерами 3 × 3 × 0,5 мм; 6 × 6 × 0,5 мм; 10 × 10 × 0,5 мм и 15 × 15 × 0,5 мм. Также были подготовлены Cu-подложки размером 20 × 20 × 1,5 мм. Далее поверхности