CC BY
163Компоненты и технологии, № 3'2004
Критерии выбора подложек
для силовых модулей
Композитные подложки, изготовленные по принципу прямой эвтектической СВЯЗИ оксидов меди и керамики (так называемые DBC — Direct Bonded Copper), являются элементом электрической схемы силового модуля, а также электроизолирующим и теплопроводящим слоем между полупроводниковыми кристаллами и основанием модуля.
е-
Ляля Исламгазина
diod@orel.ru Юрген Шульц-Хардер
j.schulz-harder@curamik.de Сергей Валев
valev_mozaik@kaluga.ru
Растущий спрос на силовые полупроводниковые модули высокой мощности, высокой надежности и приемлемой стоимости обусловлен непрерывно развивающимся рынком силовых преобразовательных устройств: приводов, систем управления энергопотреблением (системы «smart power»), источников бесперебойного питания, импульсных источников питания, электрических транспортных средств и т. д.
Основные требования, предъявляемые к законченному силовому модулю — минимальные габариты и низкая стоимость материалов и процесса производства в сочетании с высокими техническими характеристиками, устойчивостью к воздействиям окружающей среды и практически абсолютной безотказностью. Конструкция современного модуля должна обеспечивать минимальные значения переходных тепловых сопротивлений и распределенных индуктивностей силовых шин в сочетании с высоким напряжением изоляции. На рис. 1 представлен стандартный силовой модуль.
По типу конструкции силовые модули можно условно разбить на 2 типа: паяные с изолированным
основанием и модули прижимнои конструкции. В обоих случаях чипы (ЮБТ, БИБ и т. д.) припаиваются на керамическую подложку, играющую роль электроизолирующего и теплопроводящего слоя между полупроводниковыми кристаллами и основанием-теплоотводом.
Керамика является одним из самых распространенных изоляционных материалов. Широкое применение керамических материалов объясняется их высокими механическими и электрическими свои-ствами, недифузионностью исходных материалов, сравнительнои простотои технологии изготовления, невысокои стоимостью изделии. Керамика негигроскопична, термостойка. Механическая прочность на сжатие, растяжение, изгиб достаточна для практического использования. В отечественной промышленности используют алюминоксид (95-98% окиси алюминия), электрокорунд (99% А1203), стеатит, брокерит (97% окиси бериллия), титанаты (тикондовая и термокондовая керамика), а также керамики, в состав которых входят высокотвердый карбид бора, окись циркония и другие материалы.
При изготовлении силовых модулей для обеспечения безотказности и высокого напряжения изоляции, а также минимальных значений переходных тепловых сопротивлений используются керамические подложки на основе оксида алюминия А1203, нитрида алюминия АШ и оксида берилия БеО с медным слоем с обеих сторон керамической пластины.
Область применения нитрида алюминия в мире шире, чем оксида бериллия. Технология получения бериллиевой керамики признана вредной для окружающей среды, и этот материал в настоящее время практически не используется. К тому же керамика из АШ ближе по коэффициенту теплового расширения к кремнию, основе большинства кристаллов, применяемых в силовой электронике, чем керамика из БеО. Это делает подложки на основе нитрида алюминия лучшими с технической точки зрения.
Компоненты и технологии, № 3'2004
Таблица 1. Свойства проводящих составов паст
■ I
Ґ ^1 Рис. 2. Толстопленочная подложка с многослойными медными проводниками
Единица Состав пасты
измерения Ag Pt/Au Pd/Au Pt/Pd/Au Au Pd/Ag
Удельное сопротивление Ом/квадрат 0,005 0,05-0,12 0,05-0,1 0,08-0,1 0,003-0,01 0,04
ТКС х10-6, °С-1 3000 450 600 - - -
Температура вжигания °С 500-850 875-1000 900-975 760-1000 850-1000 690-760
Для получения слоя металла на поверхности керамики традиционно используется гибридная (как тонкопленочная, так и толстопленочная) технология. На рис. 2 представлена подложка типичного толстопленочного силового модуля преобразователя напряжения.
Метод толстопленочной технологии заключается в нанесении проводящих паст на керамику методом трафаретной печати (шелкографии) с последующим вжиганием при температурах 650-1050 °С. Паста представляет собой сплав или смесь двух и более порошков металлов и стекловидного вещества, создающего при вжигании необходимую электрическую и механическую связь между проводящими частицами металла. Проводящие пасты часто изготавливают с использованием благородных металлов, так как последние химически инертны и отличаются хорошей электропроводностью и способностью к пайке и сварке, совместимостью с материалом подложки; сопротивлением к старению и миграции под действием электрического поля и окружающей среды; стабильностью параметров в течение длительного времени. Промышленно применяются также пасты на основе меди. Пленки после вжигания обычно содержат около 15% стекловидного связующего — смесь бората кадмия или бората кадмия-натрия с тре-хокисью висмута. Плотная и очень подвижная трехокись висмута во вжигаемой пасте создает повышенную адгезию, в то время как борат кадмия улучшает процесс пайки. Свойства проводящих составов паст приведены в таблице 1.
Методом толстопленочной технологии за одно вжигание можно достигнуть толщины проводящего слоя от 5 до 50 мкм. Методом последовательного вжигания нескольких слоев (например, пасты на основе меди) можно получить слои толщиной до 150 мкм.
Ограничениями в применении толстопленочной технологии для силовой электроники являются:
• низкая электропроводность и большее удельное сопротивление толстопленочного проводника по сравнению с чистыми металлами;
• рыхлость проводящего слоя и низкая устойчивость его к воздействию температур, химических веществ и влаги;
• неоднородность электрических и физических свойств проводника;
• изменчивость свойств паст от качества сырья и многочисленных производственных факторов.
Тонко пленочная технология заключается в осаждении различных материалов из парообразной фазы способом высокочастотного распыления в вакууме. Для лучшей адгезии медь или алюминий толщиной до 5 мкм наносят на подслой хрома или других металлов, таких, как нихром, вольфрам, титан, молибден с толщиной слоя 0,03-0,05 мкм. Для предохранения от химической реакции пленки покрывают золотом или никелем.
Таким образом, недостатки технического и коммерческого характера ограничивают применение гибридной технологии модулями, рассчитанными на токи ниже 50 А, а также несерийными изделиями специального назначения.
По способу получения толстого медного слоя на керамических пластинах, пригодного для эффективной работы с токами свыше 50 А и напряжениями 1-4 кВ, различают технологии AMB (Active Metal Braze) и DBC (Direct Bonded Copper). AMB является комбинированной технологией, в которой необходимый толстый слой проводника достигается гальванической металлизацией предварительно полученных тонкопленочных проводников. Такая технология позволяет достичь превосходной адгезии и электрических свойств конечной подложки. Однако она имеет ограниченное применение, прежде всего в силу сложности и дороговизны технологического процесса.
По мнению авторов, оптимальным сочетанием технических и коммерческих преимуществ для производства силовых модулей обладают подложки, изготовленные по технологии DBC. Такая подложка представляет собой пластину из керамики Al2O3 или AlN, покрытую с двух сторон фольгой из бескислородной меди. Соединение достигается за счет эвтектической связи, образующейся при высокотемпературной обработке в туннельной печи между молекулами оксида меди и оксида алюминия (в случае керамики из нитрида алюминия его поверхность предварительно окисляется). Как правило, нижний слой (сплошной или сетчатый) служит для соединения подложки с теплоотводом, верхний образует необходимую топологию электрической схемы модуля и обеспечивает электрическое соединение силовых ключей, силовых и управляющих выводов. Соединение силовых (эмиттеры IGBT и катоды FRD) и управляющих выводов полупроводниковых кристаллов с контактными площадками подложки осуществляется при помощи алюминиевой проволоки ультразвуковой сваркой.
Толщина керамической основы подложки может быть различна, зависит от предъявляемых к изделию требований и варьируется от
0,25 до 1 мм. В зависимости от назначения,
медный слой может иметь толщину от О,127 до О,З мм. Помимо чистой меди, подложки могут иметь один из трех вариантов финишного покрытия: никель (толщиной 2-10 мкм), золото (толщиной 0,01-0,1З мкм) или комбинация «никель — золото». Для получения финишного покрытия используется метод химического осаждения.
На отечественном рынке материал, обладающий вышеперечисленными характеристиками, представляет фирма curamik® electronics (Германия), разработчик и крупнейший изготовитель DBC-подложек в мире. С 2001 года представительство curamik® electronics в России осуществляет Mozaik Technology Ventures.
Рассмотрим характеристики и способы получения фирмой curamik медного слоя на керамических пластинах на основе оксида алюминия и нитрида алюминия.
Варианты комбинаций толщины медного слоя и подложки приведены в таблице 2. Таблица 2. Варианты комбинаций толщины медного слоя и подложки
Толщина керамической подложки из Al2O3, мм 0,127 см о 5 сч 0, со о о 0, ,5 0,
0,25 X X X (X)**
0,38 X X X X (X)** (X)**
0,63 * X X X X X X
0,78 X X X X X X
1 X X X X X X
* комбинация возможна с керамикой из А№
** только керамика А^Оз, легированная цирконием (НА)
Технологические свойства БВС-подложек приведены в таблице 3.
Таблица 3. Технологические свойства керамических подложек
Способ нанесения металлизации DBC DBC AMB- подложки
Состав керамики AI2O3, AIN BeO AIN
Проводящий слой медь медь медь
Толщина проводящего слоя 127...600 мкм 200.400 мкм 200.400 мкм
Теплопроводность, W/mK 24 (AI2O3) 180 (AIN) 250 180
Коэффициент температурного расширения 7.1 (AI2O3) 4.1 (AIN) 8,5 4,1
В процессе работы силовой полупроводниковый прибор испытывает циклические изменения температуры. Из-за них материалы многослойной конструкции модуля с различными КТР (коэффициентами теплового расширения) получают высокие механические напряжения и стрессы, которые с течением времени (число термоциклов) ведут к ухудшению термоконтакта между слоями.
Компоненты и технологии, № 3'2004
Таблица 4. Параметры материалов, используемых при производстве силовых модулей
Материал Коэффициент температурного расширения, (ppm/K) Теплопро- водность, (W/mK)
А1Ы - нитрид алюминия 3,3 150-190
А12О3 - оксид алюминия 5,5-7 25-35
ВеО - брокерит 6,3 260
$1С - карбид кремния 3,7 390
Алмаз 0,8-2 1000-2000
А1 - алюминий 23 150-220
Си - медь 17 400
$1 - кремний 3,3 150
Мо - молибден 4,8 135
Ре-М - инвар 3,1 11
Ре-Ы1-Со - ковар 5,3 17
Различные параметры материалов, используемых при производстве силовых модулей, приведены в таблице 4.
В результате многочисленных термоциклов различия КТР меди и керамической подложки
(ДКТРА1203-Си = 11,5 и ДКТРАМ-Си = 13,7) в конечном счете приведут к образованию в керамике так называемых «конкоидальных» трещин, параллельных поверхности подложки. Прочность эвтектической связи А1203 и Си02 такова, что при этом не происходит отслоения медного слоя от керамики, однако нарушается теплопередача, что в конечном итоге приведет к отказу модуля. Подложки на основе АШ имеют теплопроводность и КТР ближе к кремниевым кристаллам, чем подложки на основе А1203. Это обуславливает большую стойкость первых к термоцик-лированию и их применение в модулях большей электрической мощности, предназначенных для железнодорожной техники и других устройств, испытывающих сильные термические нагрузки. Однако дороговизна нитрида алюминия приемлемого каче-
ства заставила разработчика искать альтернативные решения для обеспечения устойчивости к термоциклированию. Поскольку основные механические напряжения при термо-циклировании возникают по контуру широких медных проводников, задача состояла в оптимизации профиля контура. Идеальным вариантом для снятия механических напряжений являлся бы профиль, у которого срез медного слоя расположен не перпендикулярно, а под острым углом к поверхности керамики. Однако такая задача решалась бы только путем увеличения стоимости технологического процесса. Альтернативным решением, разработанным и запатентованным сигатк® electronics, является использование «Dimple» — подтравливания рядов конических ямок по периметру или в углах широких медных проводников (рис. 3). Технология Dimples позволяет увеличить стойкость обычных подложек к термоциклированию в среднем в 50 раз.
Специалистами curamik® electronics разработан ряд уникальных решений в области корпусирования и сборки силовых модулей на основе DBC-подложек. Так, взамен традиционной технологии пайки клеммных выводов к медной поверхности DBC-подложки предлагается использовать интегрированные клеммы. Процесс заключается в том, что клеммы первоначально являются частью общего медного слоя подложки. Путем селективной изоляции медной фольги от поверхности керамики, соответствующего предварительного скрайбирования керамических заготовок и ряда других приемов клеммные выводы модуля заданных геометрических размеров получают непосредственно при производстве подложки. Таким образом, исключается паяное соединение клемм и достигается высокая надежность конструкции.
В процессе сборки полученные медные клеммы могут быть произвольно отформованы (рис. 4). Альтернативно разработан процесс сварки контактных площадок на БВС-под-ложке с выводной рамкой.
При необходимости герметизации и облегчения модуля (прежде всего для применения в аэрокосмической отрасли) изготавливаются БВС-подложки с жестко закрепленными корпусами из ковара и изолированными в стекле металлическими выводами. Для обеспечения электрических связей между медными слоями в керамической пластине возможно изготовление переходных отверстий диаметром до 1-2 мм.
Разрабатывается технология получения топологии высокого разрешения на БВС-под-ложках, что позволит устанавливать на одну подложку и силовые, и логические компоненты с мелким шагом (рис. 5). Для предотвращения растекания припоя и образования перемычек на ответственных участках производится нанесение стандартной защитной маски.
Компоненты и технологии, № 3'2004
Процесс DBC применяется и для создания многослойных микрока-нальных жидкостных охладителей, которые нашли широкое применение в создании линеек лазерных диодов, теплоотводов особо мощных модулей специального применения, теплоотводов для высокочастотных микропроцессоров. Водяное охлаждение базовой подложки модуля способно увеличить величину теплоотвода на порядок.
Выбор типа керамической подложки сугубо индивидуален и зависит от назначения конечного изделия, его мощности и условий эксплуатации. Специалисты curamik® electronics, ЗАО «Протон-Импульс» и Mozaik Technology Ventures готовы оказать информационную поддержку при выборе материалов и технологии изготовления силовых модулей. ММ
Литература
1. J.Kath. Specification of curamik DBC — Substates. Curamik Electronics. 2001.
2. Флорещев С. Н. Силовая электроника начала тысячелетия // Электротехника. 2003. № 6.
3. Колпаков А. SKiiP — интеллектуальные силовые модули IGBT фирмы Semicron // Компоненты и Технологии. 2003. № 1.
4. Кадыков Г. Н., Фонарев Г. С., Хвостиков В. Д. и др. Материалы для производства изделий электронной техники. М.: Высшая школа. 1987.
5. Борисенко А. С., Бавыкин Н. И. Технология и оборудование для производства микроэлектронных устройств. М.: Машиностроение. 1983.
6. Panzer C., Hierholzer M., Dr. Bayerer R. Power Semiconductor Modules for Automotive Applications // PCIM Europe. 2002. № 6.
7. Schmitt T. AlSiC composites as a base material for high power // PCIM Europe. 2000. № 6.
8. Dr. Ing. Shulz-Harder J., Dr. Exel K. The new standard for direct bonded coper substrates // PCIM Europe. 2000. № 4.
9. Dr. Exel K., Haberl P., Maier P. H. Ready for take-off: DBC on Al for Power Semiconductors // PCIM Europe. 1999. № 11.
