Príspevok sa zaoberá využívaním technológií spájkovania na výrobu moderných výkonových zapúzdrených polovodičových elektronických súčiastok. Tieto zariadenia sú vyrábané z moderných progresívnych materiálov, ktoré zvyšujú možnosti a požiadavky dnešnej doby na výkon, rozmer, spotrebu a spoľahlivosť. Využívanie kompozitných materiálov pre ochranu a chladenie polovodičových obvodov, chladičov alebo rozptyľovačov tepla je vhodné hlavne z dôvodu vyššej stability sústavy. Vďaka vysokej tepelnej vodivosti a nízkemu koeficientu teplotnej rozťažnosti sú tieto materiály vhodnou náhradou za klasické medené riešenia.
Neustále prebiehajúci technologický pokrok udáva výzvy všetkým oblastiam techniky na ich zdokonaľovanie a vývoj. V oblasti elektronického a mikroelektronického priemyslu je hlavnou potrebou vývoj nových sofistikovaných elektronických zaradení, ktoré dokážu pracovať rýchlejšie, spoľahlivejšie a úspornejšie. Jadrom týchto zariadení sú vysokovýkonné tranzistorové polovodičové súčiastky, ktoré v jednom zapuzdrenom balení vytvárajú výkonový elektronický čip [1-3].
Najpoužívanejšie komponenty, ktoré spĺňajú tieto podmienky sú planárne MOSFET tranzistory, HEMT tranzistory, výkonové Schotkyho bariérové diódy a v súčasnosti sa testujú aj kremíkové nanotranzistory niekedy označované ako FINFETy [4-7]. Výroba polovodičových výkonových zapuzdrených čipov sa vo všeobecnosti skladá z niekoľkých materiálov rôzneho druhu spájaných do jedného celku. Celok sa skladá z výmenníka tepla (chladiča – Cu, CuSiC) spojeného s keramickým materiálom, ktorý sa spája s výkonným polovodičovým čipom (SiC, GaN), s ktorého povrchom je spojený vonkajší obvod z vodivých materiálov (Al, Cu, Cu-SiC). Celok je následne uložený v jednom puzdre [8, 9].
Elektronické zapuzdrovanie zahŕňa prepájanie, napájanie, ochranu a chladenie polovodičových obvodov používaných v rozmanitých elektronických aplikáciách. Pri výkonových elektronických moduloch typu IGBT (bipolárny tranzistor s izolovaným prestupom) sa počas silového zaťaženia v kremíkových čipoch vytvára teplo. Preto má zapuzdrenie poskytnúť účinne chladenie, aby sa modul udržal v stabilnej prevádzkovej teplote. Okrem toho účinné chladenie obvykle zvyšuje aj spoľahlivosť súčastí. Hlavným typom porušenia výkonových modulov je tepelná únava mäkko spájkovaných spojov, v dôsledku odlišných koeficientov tepelnej rozťažnosti (CTE) polovodičových čipov a zapuzdrovacích materiálov. Preto sa na tepelné chladiče alebo rozptyľovače tepla vyžadujú materiály so zníženým koeficientom tepelnej rozťažnosti v kombinácii s vysokou tepelnou vodivosťou [10, 11]. Z toho dôvodu sa v rámci technologického pokroku na tieto účely začal používať kompozit CuSiC kombinujúci vysokú tepelnú vodivosť a nízky koeficient teplotnej rozťažnosti [12].
Aplikácie kovokeramických kompozitov s kovovou matricou v elektronických výkonových moduloch
Chladiče alebo tepelné rozptylovače
Pre vyriešenie teplotných problémov v elektronických súčiastkach sa začali na ich povrch pripevňovať chladiče, ktoré zabezpečia ďalší odvod tepla pomocou konvenčných vodivých síl. Ďalším účinným zariadením rozptyľujúcim teplo je rozptyľovač tepla, ktorý slúži na zlepšenie distribúcie tepla pomocou tepelného vyrovnávania nerovnomerných teplôt spojenia spôsobených nerovnomerným rozdelením energie integrovaného obvodu. Od týchto materiálov sa vyžaduje, aby pracovali spoľahlivo a rýchlo odvádzali teplo z horúcich oblastí v procese výkonu súčiastky. Pre tieto aplikácie sú odporúčané kovokeramické kompozitné materiály s kovovou matricou Al alebo Cu, vystuženými časticami SiC. Príklady ich použitia ako chladičov alebo tepelných rozptyľovačov sú uvedené na obr. 1.
 |
| Obr. 1: Tepelné chladiče alebo rozptyľovače na zapúzdrených súčiastkach a) AlSiC na IGBT moduly; b) CuSiC termoelektrický chladič; tekutinou chladený kryt energetického modulu lietadla |
Ak by sa na odvádzanie tepla použil Al alebo Cu, musí sa počítať s kompromismi, ktoré by v konečnom dôsledku znížili účinnosť chladenia. Kvôli tomu sa v praxi na zapúzdrenie používali polymérové TIM (thermal interface materials) materiály. Často sa ale tieto materiály začali považovať za významné tepelné odpory v týchto systémoch [13]. Od začiatku 90. rokov bol už dostupný AlSiC kompozit a začalo sa jeho využitie ako elektronického obalového materiálu na zapuzdrené súčiastky. Jeho výhoda bola v jeho stabilite pri teplotných cykloch kvôli nízkemu koeficientu teplotnej rozťažnosti. Avšak podľa zistení [14] má tento materiál asi len polovičnú tepelnú vodivosť medi. Kvôli tomu bol vyvinutý kompozitný materiál CuSiC, ktorý kombinuje vysokú tepelnú vodivosť a nízky koeficient teplotnej rozťažnosti.
Polovodičové moduly
Výkonové polovodičové čipy súčasnosti sú najčastejšie založené na jadre z Si alebo SiC. V dnešnej dobe sa ako nosný polovodičový materiál začína používať SiC (karbid kremíka) alebo GaN (nitrid gália), ktorý v porovnaní s Si umožňuje konfigurovať výkonové zariadenia s napätím 600 až tisíce voltov. Umožňujú dosiahnuť vyššie frekvencie, vyššie výdržné napätia s extrémne nízkym odporom na jednotku plochy. Pri použití Si bola horná hranica teploty chodu zariadenia približne 150°C. Trojnásobný pásmový rozsah SiC v porovnaní s kremíkom umožňuje napájanie zariadenia za oveľa vyšších teplôt, čo značne rozširuje použiteľnosť. Výsledkom je prelomový výkon, menšie rozmery a nižšia spotreba energie [15-17].
Základný výkonový polovodičový modul sa skladá zo zväzku štyroch hlavných častí:
• Výkonové polovodičové čipy – IGBT, FRED, MOSFET, Thyristor, Rectifier
• Izolačný substrát – rôzne druhy keramiky
• Základový materiál – Cu, Cu kompozity, Al kompozity, atď.
• Spojovací materiál – bezolovnaté spájky
V moderných výkonových polovodičových moduloch sa pre dosiahnutie vyššej stability a spoľahlivosti zariadenia používajú namiesto kovových (Al, Cu) častí celku kompozitné materiály s kovovou matricou. Často sú to kompozity AlSiC, AlAl2O3 a CuSiC [18]. Základná schéma takého modulu v reze je znázornená na obr. 2.
 |
| Obr. 2: Schématické znázornenie výkonového polovodičového modulu |
Problematika spájkovania kovokeramických kompozitov
Výkonné čipy IGBT / FRED, terminály, keramické substráty a kovové základové dosky sú spájané spájkou. Na tieto časti spojov sa používajú spájkovacie zliatiny na báze Sn, Bi, In, Zn s prídavkami ďalších prvkov ako Al, Au, Cu, In, Mg, Ti atď.
Bežná metóda pripájania komponentov v zostave polovodičových modulov je proces spájkovania dvoma rozdielnymi spájkami. Spájka 1 je určená na pripojenie silových čipov ku keramickému substrátu, zatiaľ čo spájka 2 slúži na pripojenie svoriek/spojovacích mostíkov ku keramickému substrátu a keramického substrátu ku kovovej (kompozitnej) základovej doske. Spájka 1 má teplotu tavenia vyššiu ako spájka 2. Toto riešenie je nutné kvôli tomu, aby sa nepoškodili už zaspájkované spoje v celkovej súčiastke [18]. Pre riešenie spájky s nižšou teplotou tavenia sa používajú spájky na báze Sn-Cu, Sn-In, Sn-Sb, Sn-Bi či Bi-Sn [20, 21]. Opačným prípadom je navrhovanie vhodnej spájkovacej zliatiny, ktorá v súčiastke musí odolávať vyšším aplikačným teplotám. Spájky vhodné pre vyššie aplikačné teploty by mali mať teplotu tavenia v rozsahu približne od 260°C do 420°C. Pre tieto podmienky sú vhodné spájkovacie zliatiny na báze Zn, Sn, Au alebo Bi so správne zvolenou kombináciou legujúcich prvkov [22, 23].
Problematike spájkovania kompozitných materiálov pre výrobu výkonových polovodičových modulov sa venuje rad autorov po celom svete. Najčastejšie sa týmto výskumom zaoberajú východné krajiny ako Čína, Južná Kórea či Japonsko.
Výskumné tými z Číny sa zaoberali spájkovaním Al zliatiny spevnenej keramikou Al2O3 alebo SiC [24, 25]. Pre vytvorenie spojov použili technológie spájkovania ultrazvukom alebo spájkovanie vo vákuu. V prípade spájkovania kompozitných materiálov sa predpokladá vznik nového kompozitného pásma medzi spájkou a substrátom. V niektorých prípadoch sa pri zvyšujúcej výdrži na teplote spájkovania dokáže vytvoriť kompletný kompozitný spoj (obr. 3) ako uvádzajú autori [26].
 |
 |
 |
| Obr. 3. Spoje vytvorené pomocou pôsobenia ultrazvuku medzi dvoma kompozitmi a) 420°C pri 1 s; b) 475°C pri 5 min; c) 475°C pri 10 min | ||
Výhodou spájkovania kovokeramických (kompozitných) materiálov je vznik metalurgického spoja na rozhraní vďaka interakcii matrice kompozitu so spájkou. Druhým a náročnejším problémom je vytvorenie spoja s keramickým materiálom. Často sa na keramické substráty pred spájkovaním nanesú povlaky, napr. z Ni, Au alebo Co. Je to z dôvodu nezmáčateľnosti bežných spájok na keramických materiáloch. Trendom dnešnej doby v tejto oblasti je výskum vytvorenia spoja s keramikou bez potreby nanášania zmáčateľných povrchov. V zostave keramika/kompozit (tieto kombinácie sa používajú pre pokročilé polovodičové zapúzdrené moduly) už nestačí používať bežné spájkovacie zliatiny. Pre priame spoje bez povlakov je potrebné navrhnúť univerzálnu spájkovaciu zliatinu, ktorá zabezpečí spojenie tak s kompozitom ako s keramikou. Pre tieto účely sú aj na MTF STU v Trnave vyvíjané nové aktívne spájkovacie zliatiny.
TEXT/FOTO Ing. Igor Kostolný, PhD., Ing. Ján Urminský, PhD, Slovenská Technická Univerzita v Bratislave, Materiálovotechnologická fakulta v Trnave
Odborný príspevok recenzovali: Ing. Ján Ciriak; Energoinvest, a. s. Bratislava; Ing. Pavol Radič, PhD.; VÚZ
Poďakovanie
Táto práca vznikla v rámci projektu na podporu excelentných tímov mladých výskumníkov v podmienkach Slovenskej Technickej Univerzity – Projekt Mladý výskumník – excelentné tímy – č. 1392.
Príspevok bol redakčne krátený.
