Введение

 

В настоящее время в области разработки и производства силовых полупроводниковых приборов значительно усиливаются требования к надежностным характеристикам. Это обусловлено сильным увеличением «цены отказа» в устройствах силовой электроники, распространенных сегодня практически во всех областях деятельности современной цивилизации. Одной из актуальных технологий, позволяющей повысить надежность, является применение такого конструкционно-технологического решения как низкотемпературное соединение на серебросодержащие слои (синтериг). Причём сфера применения этой технологии достаточна широка: от IGBT, где при помощи этой технологи удаётся получить надёжное соединение чип-DBC, DBC-основание, DBC-силовые терминалы, до SCR тиристоров и их возможных подвидах (PCT, BCT, GTO и тд), где необходимо получить надёжное соединение силового кристалла к молибденовому термокомпенсатору.

Опыт применения технологии синтеринга в производстве мощных однокристальных тиристоров и диодов следующие преимущества этой технологии, таких как повышенная циклостойкость [3, 4], уменьшенное тепловое сопротивление [2, 3, 4], а также увеличенные значения ударного тока [1]. Также, важным преимуществом этой технологии, является отсутствие растворения поверхностных слоёв кремниевого кристалла и уменьшенный разброс коэффициента инжекции эмиттерного слоя по площади [6]. При этом для достижения всех вышеизложенных преимуществ необходимо обратить внимание на ряд специфических проблем.

Технология синтеринга основывается на принципах диффузионной сварки и пластической деформации частиц серебра. При этом движущей силой синтеринга является запас свободной энергии на поверхности частиц серебра.

При этом с уменьшением размеров частиц серебра увеличивается значение свободной энергии частиц серебра в исходном, не спеченном материале. Таким образом, увеличение свободной энергии позволяет снизить температуру в процессе синтеринга. В свою очередь уменьшение температуры положительно сказывается на величине остаточных деформаций в кремниевой структуре. Однако, за счёт избыточно высокой свободной энергии спекание может происходить очень интенсивно, что может приводить к внутренним механическим напряжениям при спекании и растрескиванию шва. Предотвратить это нежелательное последствие можно путём повышения пористости соединения, т.к. при повышении пористости повышается его эластичность (уменьшается модуль Юнга). Но повышение пористости соединения ухудшает теплопроводность шва, что может негативно сказаться на тепловом сопротивлении прибора.

Существует ещё один негативный эффект от избыточной пористости соединительного шва, специфичный только для тиристоров и диодов с кристаллом большой площади, которые монтируются в таблеточные корпуса. При термоциклировании таких приборов тангенциальные механические усилия передаются от верхнего и нижнего медных оснований на полупроводниковый элемент посредством сил трения. При этом молибденовый термокомпенсатор, который является составной частью полупроводникового элемента, компенсирует эти воздействия. Однако уменьшение модуля Юнга соединения приводит к тому, что молибденовый термокомпенсатор перестаёт выполнять свою функцию и кремниевая пластина разрушается.

Следовательно, применительно к полупроводниковым приборам с большим размером диаметром кремниевого кристалла, важно обеспечить такое значение пористости соединения, при котором будет исключаться возникновение внутренних напряжений при спекании, но не будет критического ухудшения теплового сопротивления и механической прочности шва.

 

Экспериментальные образцы

 

Для получения зависимости циклостойкости от пористости соединения и определения области оптимальных температур и давлений процесса синтеринга, были изготовлены экспериментальные образцы тиристоров с полупроводниковым элементом диаметром 100 мм, рассчитанные на повторяющееся обратное напряжение 2800 В и средний ток 2500 А (рисунок 1).

Рисунок 1 — Внешний вид полупроводникового элемента.

 

 

 

В качестве синтерматериала использовались серебросодержащие плёнки на основе наночастиц серебра. Образцы изготавливали в следующих режимах процесса синтеринга: диапазон температур от 195 до 235 ⁰С и диапазон давлений от 5 до 20 МПа.

 

Связь циклостойкости экспериментальных образцов с пористостью шва.

 

На экспериментальных приборах были проведены испытания стойкости к термоциклам в следующем режиме: перепад температуры от 25 до 150 ⁰С (125 ⁰С), количество циклов 100 и получены следующие результаты:

— Циклостойкость образцов, изготовленных при температуре менее 220 °С не превышала 10-15 циклов, т.е. пористость полученного соединения была явно избыточна.

— Циклостойкость образцов, изготовленных при температурах 220-235 °С и давлении не более 10 МПа также не превышала 10-15 циклов.

— Увеличение давления в процессе синтеринга свыше 12 МПа приводит к резкому росту циклостойкости.

— Для образцов, изготовленных в режимах 20 МПа/235°С разрушения и деградации характеристик после циклирования не наблюдалось.

Полученные результаты удаётся достаточно хорошо совместить с изменениями пористости шва, получаемого при различных режимах синтеринга для получения приемлемой циклостойкости необходимо получить шов с пористостью не более 7 %.

Затем образцы, изготовленные по режиму 20 Мпа/235°С были подвергнуты испытанию электро-термоциклирования прямым токо 2500 А с перепадом температуры между циклами от 55 до 125 ⁰С (70 ⁰С), количество циклов 30 000. Разрушений и деградаций характеристик после электро-термоциклирования не наблюдалось.

Полученные результаты позволяют сделать вывод  относительно области давлений и температур, где синтеринг использованного нано материала даст возможность получить циклостойкое соединение кремний-молибден для элементов тиристоров и диодов с большой площадью кристалла, (рисунок 2).

 

Рисунок 2 — Участок стойкости образцов к термоциклированию (между линиями)

 

 

Проблема «вариации» пористости при использовании технологии синтеринга для кремниевых кристаллов большой площади.

 

При применении серебросодержащих плёнок необходимо обращать внимание на качество поверхности деталей, между которыми формируется синтер шов. При достаточно больших значениях шероховатости равномерно распределить усилие в процессе синтеринга затруднительно. Особенно это важно при применении технологии синтеринга для кристаллов и молибденовых дисков площадью 50 кв.см и более. Несоответствие шероховатости молибденового диска и кремниевой пластины может привести к вариации пористости шва по площади соединения, формируемого в процессе синтеринга из-за неравномерности распределения давления. Поэтому при применении синтеринга для кристаллов с большой площадью особое внимание необходимо уделить подготовке поверхностей молибденового диска и пластины.

В качестве примера ниже приведены результаты исследования соединения полупроводникового тиристорного элемента, диаметром 100 мм, с молибденовыми дисками со следующими показателями шероховатости: Ra = 0,9 мкм, Rz = 4,6 мкм, Rmax = 9,54 мкм. Синтеринг проходил на серебросодержащих плёнках Argomax 8010 толщиной 65 мкм в режимаж 20 МПа и 235 ^оС (толщина серебросодержащего шва после синтеринга в пределах 20 мкм). После синтеринга был проведён SEM анализ образца (рисунок 3).

 

Рисунок 3 — SEM анализ полученного в процессе синтеринга соединения кремниевой пластины и молибденового диска

 

Из рисунка видно, что достаточно большой уровень шероховатости молибденового диска приводит к разнотолщинности шва (от 25 до 15 мкм), что сказывается на плотности шва. Оценка плотности синтер шва (рисунок 4) показала, что что на одном и том же полупроводниковом элементе имеет место большой разброс плотности шва (от 83.1 до 92.9 %) и, соответственно большой разброс пористости (от 16,9 до 7,1%).

Механические напряжения сдвига, возникающие при термоциклах, локализуются при этом в более «жестких» областях соединения, с меньшей пористостью, а величина их, соответственно, возрастает. Таким образом наличие разнотолщинности шва приводит к существенному ухудшению циклостойкости соединения.

 

Рисунок 4 — Оценка плотности синтер шва

 

 

Выводы

 

В данной работе было представлено исследование влияния режима синтеринга с использованием наночастиц серебра на пористость и циклостойкость шва, получаемого при соединении кремниевых кристаллов большой площади с молибденовыми дисками. Показана связь циклостойкости полученных экспериментальных образцов с пористостью шва. Также показано, что необходимым требованием для обеспечения циклостойкости тиристоров и диодов с кристаллом большой площади, смонтированных в таблеточные корпуса, является пористость шва не более 7%. Определена область температур и давлений при синтеринге серебросодержащих материалов на основе наночастиц, где можно прогнозировать высокую циклостойкость шва в применении к описанным выше приборам.

Показано также, что шероховатость поверхности соединяемых элементов может приводить к существенным вариациям распределения пористости синтер-шва по площади, что может негативно сказываться на циклостойкости соединения.

 

Литература

1.                  H. Schwarzbauer. Novel Large Area Joining Technique for Improved Power Device Performance. — IEEE Transactions on Industrial Applications, 27 (1), 1991, p. 93- 95.

2.                  A. Chernikov, A. Stavtsev, A. Surma. Features of wafer — Mo joining by sintering of silver paste for large area silicon devices. – Proc. EPE’2013, Lille, 2013

3.                  U. Scheuermann, P.Wiedl. Low Temperature Joining Technology-A High Reliability Alternative to Solder Contacts. — Workshop on Metal Ceramic Composites for Functional Application, Vienna, 1997, p 181-192.

4.                  C. Göbl, P. Beckedahl, H. Braml. Low temperature sinter technology Die attachment for automotive power electronic applications. – Proc. Automotive Power Electronics, Paris ,2006.

5.                  M.O.Prado, C. Fredericci, E.D. Zanotto. Glass sintering with concurrent crystallisation. Part 2.Nonisothermal sintering of jagged polydispersed particles. – Physics and Chemistry of Glasses, 43 (5), 2002.

6.                  Dmitriy Titushkin, Alexey Suma. «New ways to produce fast power thyristors» — Bodo’s Power Systems 08, 2015, p. 28- 29.

7.                  M. Rnoerr, S. Kraft, A. Schletz. Reliability assessment of sintered nano-silver die attachment for power semiconductors. — 12^th electronics packaging technolody conference, 2010

8.                  J. Steger. With sinter-technology forward to higher reliability of power modules for automotive applications. — Power electronics europe, 2, 2012, p. 28-31.