Технологии в электронной промышленности №2'2005

Технологические методы повышения надежности силовых модулей

Ляля Исламгазина


Данная статья знакомит читателей с технологическими методами повышения надежности силовых модулей, рассматривает проблему возникновения деформации медного основания в процессе сборки и возможные методы ее устранения.


Область применения силовой электроники охватывает в настоящее время практически все сферы жизнедеятельности человека: топливно-энергетический комплекс, промышленность, транспорт, связь, быт и т. д. Самой большой и важной областью применения приборов силовой электроники является электропривод.

Сегодня среди всех типов приборов силовой электроники преобладают два: полевые (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и интегрированные структуры на их основе. Традиционные приборы, с которых начиналась силовая электроника, — это тиристоры (SCR), включая запираемые (СТО), и биполярные транзисторы (ВРТ).

Системная интеграция — объединение в едином конструктиве, подсистеме или всей системе функций силовой и информационной электроники, датчиков, электрических аппаратов и т. п. Она развивается в двух направлениях — монолитном и гибридном. Монолитная интеграция объединяет на одном кристалле силовые ключи, драйверы и схемы диагностики и защиты. В настоящее время она достигла значений для блокирующих напряжений до 500 В и токов до 5 А. Этот диапазон мощностей будет расширяться медленно. Причина заключается в том, что неэкономично получать мощные высоковольтные и сильноточные ключи в едином технологическом процессе с созданием низковольтных цифровых и аналоговых элементов управляющей части монолитного прибора. Гибридная интеграция получила большее развитие и имеет четыре уровня: модуль, интеллектуальный модуль, интеллектуальная подсистема, интеллектуальная силовая электронная система.

Первые силовые модули с изолированным основанием (медным) были выпущены в 1974 году фирмой SEMIKRON. В настоящее время в России рынок силовых полупроводниковых приборов представлен продукцией не только иностранных фирм, но и отечественных производителей.

По типу конструкции силовые модули можно условно разбить на два типа: паяные с изолированным основанием и модули прижимной конструкции (Pressure-Contact).

Схематично базовая конструкция современных модулей, изготовленных методом пайки, показана на рис. 1.

Чипы силовых полупроводниковых приборов IGBT, FRD или SCR (7) припаиваются на DBC-керамику (Direct Copper Bonded), являющуюся электроизолирующим и теплопроводящим слоем между чипами и основанием (теплостоком). DBC-керамика (8) представляет собой тонкую пластину из керамики А1203 или A1N, покрытую с двух сторон медной фольгой методом прямого (диффузионного) сращивания. Нижний слой — сплошной, верхний образует печатную плату, обеспечивающую электрическое соединение силовых ключей, силовых (1) и управляющих (2) выводов. Соединение силовых (эмиттеры IGBT, катоды FRD или SCR) и управляющих выводов чипов с контактными площадками DBC-керамики осуществляется при помощи алюминиевой проволоки (6) методом ультразвуковой сварки. DBC-керамика с припаянными силовыми выводами-шинами (5) и напаянными и разваренными IGBT-, FRD- или SCR-чипами припаивается на медное основание (9). К основанию приклеивается пластмассовый корпус (3), внутри которого полупроводниковые чипы и керамика залиты кремнийорганическим гелем (5), не теряющим защитные механические и электроизоляционные свойства под воздействием температуры, влажности и времени. Дополнительную жесткость конструкции придает слой эпоксидного компаунда, в некоторых конструкциях он может отсутствовать. Силовые выводы (1) загнуты над гайками, установленными в верхней части корпуса или в крышке корпуса, и подсоединяются к шинам силовой схемы преобразователя винтами. Управляющие выводы (2) соединяются со схемой драйвера фастен-контактом или пайкой. Основная мощность рассеивается в силовых кристаллах, а выделяемое тепло передается через DBC-керамику на основание и далее, через радиатор, в окружающую среду. Паяное соединение необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта и уменьшения теплового сопротивления.

Рис. 1. Паяная конструкция современных силовых модулей

В интеллектуальном модуле силовая часть изготавливается так же, как и в стандартных модулях паяной конструкции, а интеллектуальная размещается на многослойной печатной плате над силовой частью.

В модулях прижимной конструкции (Pressure-Contact) все связи осуществляются за счет запрессовки и прижима, соединение выводов силовых кристаллов выполнено с помощью пружинных контактов, а медное основание отсутствует. Пайка используется только для установки силовых кристаллов на керамическую плату.

Широко используемая в настоящее время конструкция модулей, в которых применяются сварные и паяные соединения, не позволяет получить оптимальное сочетание электрических, конструктивных показателей и надежности, особенно для тяжелых условий эксплуатации.

Различают две основные причины отказа узла из-за термоциклирования силовых модулей, связанных с несогласованностью коэффициентов теплового расширения (КТР) различных материалов:

  • разрушение и обрыв сварного соединения между чипами и алюминиевыми проводниками (ΔΚΤΡΑl-Si= 19,5);
  • усталость и разрушение паяного слоя между медным основанием и нижней поверхностью DBC-керамики (ΔКТРDBC-Сu = 10,8).

Усталость и старение припойного слоя

между кремниевыми чипами и верхней поверхностью DBC-керамики даже при большой поверхности кристаллов незначительны, так как современная керамика для силовых модулей из Аl203 толщиной 0,32-0,63 мм или AlN толщиной 0,36-1,0 мм с медной металлизацией толщиной 0,3 мм имеют почти совмещенные с кремниевыми чипами КТР (ΔКТРAlN-Si = 2,2). В таблице указаны КТР и теплопроводность наиболее широко используемых материалов.

Устранение или компенсация первой причины отказов осуществляется несколькими методами:

  • Поверхность кристалла, предназначенную под разварку алюминиевой проволокой, покрывают тонким слоем (4 мкм) алюминия или многослойной структурой Сг (1 мкм) — Ni (4 мкм) — Ag (6 мкм), создавая, таким образом, переходный слой.
  • В серии IGBT-модулей для электротранспорта алюминиевую проволоку разваривают на молибденовую прокладку, припаиваемую к кремниевому чипу, являющуюся термокомпенсатором, — в этом случае разница в КТР с 19,5 уменьшается до 1,7 (между кремнием и молибденом).
  • Вместо ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки и поверхности кристалла применяют пайку ленточных проводников из меди.
  • Вместо ультразвуковой сварки применяют прижимной контакт.

Таблица. КТР и теплопроводность наиболее широко используемых материалов

Пайка, обеспечивающая жесткую связь керамики и меди, оказывается основным источником отказов силовых модулей. Разность КТР приводит к значительным (более 1 мкм) перемещениям в соединительном слое при изменении температуры модуля. После определенного числа термоциклов начинается ухудшение теплового контакта в этом соединении и рост теплового сопротивления. В результате повышается градиент температуры, растут потери, и отслаивается медное основание. Использование промежуточных слоев для улучшения согласования КТР, что практикуется в конструкции некоторых модулей, также приводит к росту теплового сопротивления.

Как показывают испытания, при пайке ухудшается качество поверхности медного основания, появляются местные напряжения и изгибы. Для компенсации неравномерности приходится использовать достаточно толстый слой теплопроводящей пасты между основанием силового модуля и алюминиевым охладителем, на который он крепится при эксплуатации. Теплопроводящая паста представляет собой суспензию порошка окиси металла в масле с теплопроводностью 0,8 Вт/(м-°С). Слой пасты (более эффективный, чем воздух) существует как тепловой барьер между основанием модуля и охладителем, это вносит значительный вклад в суммарное тепловое сопротивление «кристалл — окружающая среда» и, следовательно, приводит к перегреву кристалла.

После пайки, независимо от того, в какой среде она происходила, во время охлаждения основания и DBC-керамики (с Si-чипами и А1-связями) до температуры отвердения припоя в результате термической усадки будет наблюдаться деформация основания с центральным радиусом изгиба (см рис. 2) из-за разницы коэффициента теплового расширения основания сравнительно с KTPDBC керамики и большой площади соприкосновения.

Изменение кривизны поверхности меди при пайке очень трудно поддается контролю — оно зависит от геометрии сопрягаемых поверхностей, режимов охлаждения после пайки, толщины и свойств паяемых материалов, раскроя медного листа (совпадающего или нет с направлением проката материала) и т. д. Отечественные производители, впервые столкнувшиеся с проблемой деформации основания, перед пайкой жестко крепили основание модуля к плите, превосходящей его по габаритным размерам, в надежде на то, что плита сможет остановить данный процесс. Для обеспечения стабильности параметров медного основания некоторыми производителями за рубежом и в России в настоящее время применяются различные технологические процессы предварительного формования. На практике было выявлено, что существует прямая зависимость между деформацией медного основания после пайки и отношением длины медного основания к его ширине. Увеличение площади соприкосновения керамики и медного основания также ведет к увеличению кривизны поверхности.

Рис. 2. Прогиб основания силового модуля после пайки (схематично)

Пластичность припоя, то есть способность сдвигаться по плоскостям скольжения, восстанавливает возникающее напряжение в паяном слое в течение длительного времени.

Процесс моделирования основывается на знании аналитического уравнения, описывающего свойства материалов. Некоторые особенности геометрии также могут влиять на изгиб и изменения в слое припоя между DBC-керамикой и медным основанием. Изгибающий момент, действующий снизу на керамику и сверху на основание, передается слою припоя, который деформируется под действием сил сдвига. Это может быть разрывающая или сжимающая деформация, равная усилию сдвига, зависящая от ряда факторов:

где LD — расстояние от края до центра деформации паяного соединения; Δα — разница между КТР паяемых поверхностей; Т — абсолютная температура; h — толщина слоя припоя; γ — усилие сдвига.

Процедура расчета использует сложение нескольких сотен сдвиговых деформаций во времени, так как каждое перемещение вносит вклад в процесс восстановления деформированного основания. На рис. 3 показаны суммарные деформации, которые получаются при изготовлении силовых модулей.

Медные основания (118x58x3 мм), получившие в процессе предварительного формования прогиб 150-250 мкм и имеющие вогнутую форму, после пайки деформируются и становятся выпуклыми с величиной прогиба 150-250 мкм. Суммарное значение деформации достигает 450 мкм. С течением времени, приблизительно через 1000 часов хранения при комнатной температуре, происходит восстановление деформированного основания (величина прогиба колеблется в пределах 0-150 мкм).

Рис. 3. Зависимость величины деформации медного основания от этапов технологического процесса сборки модулей и времени восстановления

На рис. 4 показаны расчетные и полученные экспериментальным путем значения деформации медного основания толщиной 3 мм с напаянными на него двумя DBC-керамиками (0,3 мм Си, 0,38 мм А1203, 0,3 мм Си) длиной по 48 мм каждая. Толщина слоя припоя SnPb40Agl составляет 0,2 мм. На величину прогиба основания влияет общая площадь DBC-керамик, независимо от их количества. Изгиб определяется вдоль всего модуля. На рисунке видно, что величина прогиба медного основания, не подвергавшегося предварительному формованию, достигает 400 мкм через 1 час после процесса пайки, но с течением времени, после 1000 часов хранения при комнатной температуре, происходит неполное восстановление основания, то есть величина деформации уменьшится и составит около 150 мкм. В связи с тем, что при-пойные сплавы SnPb37Ag2 и SnPb40Agl имеют схожие свойства, деформация и восстановление соединений, паяных этими припоями, происходит на одинаковую величину и с одинаковой скоростью.

На рис. 5 показаны расчетные и экспериментальные данные, полученные после пайки и охлаждения медного основания и DBC-кера-мики припоем SnAg3,5 с толщиной слоя 0,2 мм. Длина керамических подложек — 20 мм. Как видно на рисунке, величина прогиба основания через 1 час после пайки составила 6-8 мкм, что связано с меньшими размерами DBC-керамики и более высокой пластичностью припоя SnAg3,5, чем рассмотрено в предыдущем случае.

В случае пайки легкоплавкими припоями при охлаждении припой должен сжиматься охватывающей деталью. Это вполне справедливо при указанном виде пайки, так как легкоплавкие припои имеют низкую механическую прочность (плохо работают на растяжение), и паянные таким припоем соединения обычно не работают при высоких температурах. Вопросы о наиболее целесообразной конструкции соединения (взаимное расположение деталей, толщина шва и др.) решаются сейчас главным образом опытным путем. Для уменьшения напряжений в шве должна быть предусмотрена возможность легкой (местной) деформации одной из деталей. Обычно местные ослабления делают на деталях из более пластичного материала. Количество припоя, его состав, форма и расположение играют большую роль в получении доброкачественного шва. Припой может наноситься на соединяемые детали в виде гальванического покрытия, фольги или пасты. При пайке объектов сложной формы, содержащих детали разных масс и особенно металлокерамические узлы, замедленное остывание является благоприятным фактором, так как способствует выравниванию температуры во всех точках изделия и сохранению равномерного постепенного охлаждения. Таким образом, предотвращается возникновение внутренних напряжений в паяемом изделии и коробление его.

Необходимость получения качественного паяного соединения и уменьшение деформации медного основания после пайки и охлаждения накладывает жесткие ограничения на размер керамической платы и, следовательно, на допустимую плотность мощности. Из-за этого в силовых модулях приходится применять несколько DBC-плат с небольшим зазором между ними, однако многочисленные промежуточные соединения в свою очередь могут привести к росту паразитных параметров. Кроме размеров керамических подложек на величину прогиба основания влияет скорость нагрева и охлаждения паяного соединения. При медленном нагреве и охлаждении слой припоя, благодаря своей пластичности, будет являться демпфером между медным основанием и DBC-керамикой, имеющими различные КТР. Фирма Curamik, выпускающая АВМ- и DBC-керамику, широко используемую российскими производителями силовых модулей, с целью исключения деформаций, появления внутренних напряжений и трещин на керамике и кремниевых чипах рекомендует проводить процесс пайки в защитных средах и при следующем температурном профиле: 25-30 минут нагрев, 5-6 минут выдержка и 25-30 минут охлаждение. Однако, как показывает практика, температурный профиль зависит от ряда факторов, и дать четкие рекомендации по его выбору невозможно.

Рис. 4. Зависимость величины деформации медного основания от времени восстановления при использовании припоя SnPb37Ag2 (SnPb40Agl) для сборки модулей
Рис. 5. Зависимость величины деформации медного основания от времени восстановления при использовании припоя SnAg3,5 для сборки модулей

Литература

  1. Колпаков А. Обеспечение надежности силовых ЮВТ-модулей Semikron // Электронные компоненты. 2003. № 4.
  2. Флоренцев С. Современное состояние и прогноз развития приборов силовой электроники //Современные технологии автоматизации. 2004. № 2.
  3. Poech Max, Eisele Ronald. Modelling behaviour of large area solder joints // PCIM Europe. 2000. № 8/9.
  4. Ковалевский Р. Е., Чекмарев А. А. Конструирование и технология вакуумплотных паяных соединений. М.: «Энергия».
  5. Catalog products and technologies. Curamik electronics GmbH. Germany. 2003.
  6. Olesen K, Eisele R., Poech M.-H. Reliability of power modules for mobile applications // PCIM Europe. 2002. № 10.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо