Эта статья расскажет вам о применении и сборке современных силовых модулей IGBT и MOSFET модулей, проблемах, возникающих при эксплуатации и сборке этих модулей и способах решения этих проблем.
Современные силовые полупроводниковые приборы
Силовые полупроводниковые приборы получили очень большое распространение в современном мире. Их можно встретить в бытовой технике, электропоездах и электромобилях, сварочных аппаратах и так далее. Чаще всего силовые полупроводниковые приборы используются в преобразователях напряжения и драйверах электродвигателей.
Сегодня чаще всего встречаются MOSFET и IGBT силовые модули. Причем MOSFET больше используется в малом диапазоне мощностей, а силовой электроники чаще используется IGBT. В совокупности IGBT и MOSFET силовые модули занимают 80% рынка силовых полупроводниковых приборов. Традиционные приборы, с которых начиналась силовая электроника: тиристоры (SCR), включая запираемые (GTO), биполярные транзисторы (BPT), — в последние годы всё больше и больше вытесняются приборами с полевым управлением.
IGBT (Insulated — gate bipolar transistor) это биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ)— трёхэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Условное графическое обозначение IGBT представлено на рисунке ниже. По своей внутренней структуре БТИЗ представляет собой каскадное включение двух электронных ключей: входной ключ на полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзисторе. Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного. Такое составное включение полевого и биполярного транзисторов позволяет сочетать в одном устройстве достоинства обоих типов полупроводниковых приборов.В настоящее время силовые IGBT-модули выпускаются на ток от 10 до 2400 А и коммутируемое напряжение до 3,3 кВ. Часто можно встретить интелектуальные силовые модули (IPM — Intelligent power module). Интеллектуальные силовые модули (IPM) модули отличаются наличием платы управления, которая содержит в себе датчики, схемы драйверов защиты, диагностики.
MOSFET ( metal-oxide-semiconductor field effect transistor) – это МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем диоксида кремния (SiO2). В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами. Условные графические обозначения, показан на рисунке
Пример IGBT и MOSFET силовых модулей показан на рисунке ниже.
Данные силовые модули созданы по технологии DCB (Direct Copper Bonding), что дословно переводится как прямая посадка на медь. На рисунке показан разрез DCB силового модуля.
В качестве припоя в современных силовых приборах используется бессвинцовый припой, что накладывает ряд ограничений на характеристики приборов. Низкая температура плавления бессвинцового припоя (≈ 250°C) накладывает ограничения на максимальную рабочую температуру в 100 — 120°C, из-за чего невозможно собрать DCB структуру с использованием чипа из арсенида галлия или кабрида кремния, у которых рабочая температура выше 200°C. Так же припой плохо выдерживает термоциклирование — нагревание до максимальной температуры и последующее остывание. Через несколько тысяч циклов на припое появляются трещены и поры.
Из-за различных коэффициентов температурного расширения (КТР кремния = 4 мкм/мК, КТР припоя = 25-30 мкм/мК) различные части транзистора по-разному расширяются, что приводит к выгибанию структуры. Из-за изгиба ухудшается контакт с радиатором, а при самом плохом раскладе может треснуть кремниевый чип. Это явление называется биметаллическим эффектом. Из — за биметаллического эффекта не получается собирать структуры с кремниевым чипом, диаметр которого превышает 100мм. Решить эту проблему можно, если в качестве припоя использовать материл с меньшим КТР, чем у бессвинцового припоя. Таким материалом являются синтер пасты (КТР = 19-20 мкм/мК).
Синтер пасты
Синтер пасты (sinter paste) это серебрянный порошок с растворителями. Так как технология синтер паст достаточно новая, то в русском языке нет устоявшегося термина, которыми можно было б их назвать. Дословный перевод звучит как спекаемые пасты. После спечения синтер паста представляет из себя чистое серебро, все растворители испаряются. Структура показана ниже. Размер зерна от 0,1 до 1 мкм. Слева фотография реального образца, справа рисунок из документации на синтер пасту mAgic sinter paste от компании Herause. В таблице ниже сравниваются синтер паста и бессвиноцвый припой. Видно, что у синтер пасты лучше тепло- и электропроводности, а так же меньшее значение КТР.
Синтер пасты спекаются в 2 этапа. Перед спечением на соединяемые поверхности наносится синтер паста методом трафаретной печати. Толщино слоя 150 мкм. Первый этап — предварительная сушка при температуре 80°C в течении 15 минут. После чего спекается при давлении 30 МПа и температуе 270°C в течении 5 минут. Допускается спечение без давления для чипов с диаметром более 150 мм.
Для исследования свойств синтер пасты использовались модели DCB структуры. В качестве DCB керамики использовались медные пластины толщиной 2 мм. При нанесении использовался трафарет толщиной 150мкм, в котором было проделано квадратное отверстие 10 на 10мм. Для исследования однородности синтер пасты использовался метод термо-ЭДС. Для этого была собрана установка измерения термо-ЭДС. В качестве нагревателя использовался нагреватель от паяльника паяльной станции Lukey 702. Задатчиком температуры являлась та же паяльная станция. К нагревателю была присоеденина вольфрамовая игла. Величины термо-ЭДС измерялась мультиметром UT71D. Все это было смонтировано на станине от микроскопа ПМТ-3, который имеет микрометрический столик и подпружиненный подвес, на котором закреплен нагреватель.
На этой установке промерялись образцы, спеченные при различных давлениях (10, 20, 30, 40 и 50 МПа). Замеры проводились с шагом 1 мм. Температура нагревателя 320°C. После измерений получилась матрица значений 10 на 10. В качестве критерия однородности выбран параметр рассеяния r. Он выводится из значения термо-ЭДС следующим образом:
Результаты сведены в таблицу, и построена зависимость однородности от давелния спекания.
Из результатов можно сделать вывод, что однородность увеличивается с ростом давления, но с ростом давления становиться сложнее соблюдать плоско-параллельность соединяемых частей, что может привести к повреждению кремниевого чипа.
Для исследвония зависимости пористости синтер пасты от давления были изготовлены 5 образцов, спеченых при давлениях от 10 до 50 МПа. На образцах, спеченных при давлении 30 МПа и выше видны участки зеркального блеска, что говорит о том, что в этих участках плотность приближается к плотности серебра. Так как после спечения контакт представляет из себя чистое серебро, то вычислив плотность контакта и сравнив ее с плотностью серебра можно узнать пористость синтер пасты. Контакты отделялись от медного основания, промерялись микрметром и взвешивались на электронных весах. Результаты измерений и расчеты сведены в таблицу, по которой построен график зависимости пористости от давления спекания.
Для исследования зависимости адгезии синтер пасты от покрытия, были изготовлены 4 образца, спченых при давлении 30 МПа. Использовались покрытия из золота, серебра и никеля. Последний образец был без покрытия. Как видно из таблицы, наилучшим образом показало себя золото, наихудшим — медь.
Заключение
Синтер паста показывает себя пригодной для использования в силовых полупроводниковых модулях в качестве замены бессвинцового припоя. Лучшие показатели тепло и электропроводности позволяют увеличивать мощность приборов с сохранением тех же размеров. Более высокая температура плавления позволяет использовать чипы из карбида кремния и арсенида галлия, которые смогут работать при температурах 200°C и выше. Так же, синтер паста не ухудшает своих свойств в результате термоциклирования, что повышает надежность приборов.
