CC BY
209
УДК 577.17.049-621.382
СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ АЛЮМИНИЕВАЯ ПРОВОЛОКА - АЛЮМИНИЕВАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КРИСТАЛЛОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И. А. Каданцев, В.В. Зенин
Проведены теоретический расчет и экспериментальное исследование переходного сопротивления алюминиевая проволока - алюминиевая металлизация на кристаллах силовых полупроводниковых приборов
Ключевые слова: сопротивление, алюминий, металлизация, кристалл
Основной характеристикой микроконтактов в полупроводниковых изделиях (ППИ) является их электрическое сопротивление. Наилучший контакт должен обладать меньшим сопротивлением и быть более стойким к процессам старения. По величине электрического сопротивления можно судить о качестве контакта микросоединений, а по стабильности этого параметра в процессе естественного или искусственного старения - о его надежности.
Соединениями с электрической точки зрения можно считать контактирующие пары элементов, которые постоянно связаны. Как известно, основное требование для нормальной работы контактирующих пар заключается в том, чтобы они имели максимальную и постоянную во времени проводимость. Аналогичное требование
предъявляется и к изготовлению соединений. В соединениях плохого качества возрастают потери напряжения (а также нагрев), а изменения проводимости могут вызвать нежелательные электрические помехи, особенно это относится к силовым полупроводниковым приборам (СИП), в составе модулей которых обеспечивается
коммутация токов свыше 1000 А и напряжений до 5,5 кВ. Максимальная проводимость соединений может быть достигнута: путем применения
соединительных элементов с необходимой удельной проводимостью, а также подходящего материала провода; чистыми (коррозионно-стойкими) с оптимальными размерами контактных
поверхностей; соединениями, изготовленными с заданным контактным усилием.
Постоянное во времени значение проводимости может быть достигнуто в соединениях, обладающих необходимой
механической прочностью и гибкостью, а также достаточным запасом прочности (вибропрочные соединения) в газостойких и коррозионно-стойких соединениях. Любое соединение можно считать приемлемым с электрической точки зрения, если общая контактная поверхность по крайней мере равна или больше поперечного сечения соединяемых проводников.
Каданцев Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-908-148-43-62
Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-905-051-19-79
ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ
При соединении контактирующих пар к собственному сопротивлению проводников, которое зависит от его размеров и материалов, добавляется дополнительное сопротивление, которое называют переходным контактным сопротивлением.
Под переходным сопротивлением любого соединения в статическом состоянии следует понимать электрическое сопротивление между двумя или несколькими материалами, находящимися в контактном соединении друг с другом. Это сопротивление будет различным для двух соединенных проводов или для провода и какой-либо контактирующей металлической детали. При изготовлении соединений гомогенную связь между металлами нарушают различные поверхностные неровности и загрязнения, поэтому, кроме вышеупомянутых факторов, необходимо более подробно исследовать переходное сопротивление, которое имеет место между прижатыми друг к другу поверхностями. Электронный поток между контактирующими поверхностями ослабляется, с одной стороны, чужеродными частицами и окисными пленками на поверхности раздела, а с другой стороны, сжатием линий протекания тока вследствие неровности поверхности. Повышенное сопротивление, которое возникает в силу этих двух причин, является переходным сопротивлением [1]:
Яа= Яг +Я8 , (1)
где Я/ - сопротивление поверхностных окисных пленок;
Я8 - сопротивление сужения.
Для обеспечения высокой надежности
соединений необходимо по возможности снижать влияние факторов, определяющих переходное сопротивление. В случае соединений,
изготовленных с большим усилием давления, влияние этих факторов снижается автоматически, поскольку в момент операции соединения
пленочные покрытия разрушаются, а поверхностные неровности сглаживаются. Это относится и к ультразвуковой сварке проволоки на кристаллах СПП. Поэтому сопротивлением поверхностных оксидных пленок на контактах проволока-
металлизация можно пренебречь, т.е. Я/ ^0.
Две сжатые друг с другом металлические поверхности никогда не контактируют всеми частицами, как бы тщательно ни были зачищены поверхности (рис. 1). Ток, точнее воображаемые линии тока, проходит только через вершины этих микроскопически «грубых» частиц поверхности, т.е. имеет место «уплотнение» линий тока. С ростом давления на контактную поверхность эти вершины и находящиеся на них окисные пленки разрушаются и прижимаются к расположенным рядом с ними углублениям. После стабилизации давления возникает несущая поверхность, которая и принимает на себя нагрузку. Через часть этой поверхности, которая содержит изолирующие, полупроводящие и проводящие частицы, осуществляется квазиметаллическое и
металлическое прохождение тока. Эту часть несущей поверхности называют эффективной поверхностью. Если представить ее на примере контактирующего участка, имеющего форму круга с гладкой поверхностью, то круглую и полностью гладкую поверхность контактирующего участка можно назвать кажущейся контактирующей поверхностью; внутри нее имеется несущая поверхность, и лишь часть ее представляет собой эффективную поверхность. Применительно к контактам проволока-металлизация СПП площадь этой поверхности составляет ~40-60% от площади несущей поверхности сварного соединения [2].
Таким образом, эти микроповерхности являются общими контактными поверхностями находящихся друг против друга вершин, которые для простоты расчета обычно принимают за небольшие точечные поверхности.
Рис. 1. Неровности контактирующих поверхностей
Точечные контактирующие поверхности можно создать также в случае соединения друг с другом, например, двух контактирующих профилей, имеющих форму шара, или одного шарового и одного плоского профиля. Два поперечно-пересекающихся металлических цилиндра также
дают точечную контактную поверхность круглой формы. Радиус а' этих точечных поверхностей в случае чисто упругой деформации может быть вычислен по формуле, мм
а' = 3
Еі
Еп
2 V 1 1 V4
+
г
(2)
контактирующих
контактирующих
где ¥е — сила давления, Н;
Г] и г2 — радиусы
поверхностей, мм;
Е — модуль упругости материалов, Па;
^ — коэффициент Пуассона контактирующих материалов.
Вследствие уплотнения линий тока, проходящих через эффективную контактную поверхность, возникает дополнительное
сопротивление, которое представляет собой сопротивление сужения. Для расчета этого сопротивления целесообразно использовать
эллипсоидную модель [3]. При этом вводятся следующие допущения: контактирующая
поверхность имеет форму круга с радиусом а’; линии тока являются гиперболическими; эквипотенциальные поверхности имеют форму эллипсоидов; электрическая проводимость не зависит от температуры.
Сопротивление сужения рассчитывают на основе потенциальной теории. Опуская подробный вывод, следует отметить, что при первом
приближении имеется следующая зависимость для сопротивления сужения контактирующей пары:
Я* = атсі^
2 Г' а'’
(3)
а
где й — диаметр контактирующего профиля цилиндрической формы.
Если 2а’ « й, выражение под корнем можно считать равным й/2а’ и уравнение (3) приобретет следующий вид:
Р
Я* =—г агс{8т~, •
(4)
ла' 2а'
Из полученного уравнения необходимо вычесть сопротивление цилиндрического контакта радиусом й/2 и диаметром й:
Р ё 4р
= агсЪ —-------------------
па' 2а пё
(5)
Если й/2 = да (плоская поверхность), то
й л 4р п „
аг^ — = — и ----------= 0 . Поэтому сопротивление
2а' 2 лй
сужения будет равно
Я* =
Р
2а'
Таким образом, переходное сопротивление
Р
Яа = =
2а'
(6)
(7)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ И ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНТАКТОВ А1-А1
Для исследования переходного сопротивления контактов пленка-проволока были изготовлены 4 партии образцов по 6 контактов в каждой. Образцы представляли собой наклеенные на медную подложку кристаллы кремния 7,3х7,3 мм с различной структурой и толщиной алюминиевой металлизации, которая напылялась как на кремний, так и на 8і02. Также следует отметить, что металлизация у всех образцов была двухслойная, т.е. толщина подслоя А1+1% N1 составляла 0,2 мкм, остальное - чистый алюминий. Приварку выводов (использовалась алюминиевая проволока диаметром 400 мкм марки АОЦПоМ-400А) осуществляли на установке УС.ИММ-61 при оптимальных режимах ультразвуковой сварки (давление сварочного инструмента 600 Гс, время сварки 0,040 с, выходная мощность акустической системы 20 Вт), обеспечивающих максимальную прочность сварных соединений. Структура алюминиевой металлизации приведена в табл. 1.
Таблица 1
Алюминиевая металлизация на контактных площадках кристаллов, напыленная на 8і и 8і02
ка =-
Р
Номе- ра образ- цов Толщина на кристаллах, мкм Содержание элементов на поверхности металлизации, в %
00 8і02 -8і Й 8і02-8і
1 4,5 98,925 А1 / 1,035 8і / 0 №
2 4,5 99,760 А1 / 0,04 8і / 0,2 №і
3 6,0 98,261 А1 / 1,549 8і / 0,19 №і
4 6,0 99,924 А1 / 0 8і / 0,037 №і
Рассчитаем среднюю величину переходного сопротивления для данных образцов, используя вышеописанную методику. Учитывая, что
проволока и металлизация алюминиевые, т.е. ці=
М2= М, г1=г2=г и Е1=Е2=Е, то формула (3) примет вид
а' = 3
- Ее 2 е
1-И
Е
2 Л
(8)
где Е — модуль упругости алюминия, Па;
г — коэффициент Пуассона для алюминия; г — радиус сварного контакта, мм.
Подставив (8) ^ (7), получим окончательную формулу для расчета переходного сопротивления проволока-металлизация
2 • 3
(л 2 Д 1 -М
Е
(9)
Для алюминия: г = 0,34, Е = 7,10-1010 Н/м2, р = 3-10-8 Ом-м, сила давления на проволоку равна Ег= 600 Гс = 5,88 Н. Площадь сварного соединения в среднем равнялась 0,385 мм2, откуда г = 0,35 мм. Подставив все данные в (9), получим Яа = 0,32 мОм.
Далее была проведена работа по измерению переходного сопротивления проволочных микроконтактов А1-А1 как критерия оценки качества и сравнению его с коррозионной устойчивостью.
Измерение сопротивления контактов обычным способом с помощью моста постоянного тока встречает большие затруднения ввиду малости измеряемых сопротивлений и влияния переходных контактов, имеющих место при включении исследуемого элемента в мостовую схему. Поэтому был применен другой способ, который может быть назван методом измерения тока и напряжения [4].
Приваренная к пленке 1 в точке О проволока I включалась в схему, изображенную на рис. 2. Через контакт пропускался ток от разъемов Т микроомметра Ф-415, а падение напряжения измерялось разъемами П. Как видно из рис. 2, сопротивление контактов, при помощи которых осуществлялось включение микроэлементов в
схему, не имеет значения, т.к. в цепи тока оно лишь
дополняет внутреннее сопротивление
микроомметра, а в цепи напряжения оно мало по сравнению с ним. Особенность данной схемы измерения состоит в том, что исключается необходимость подключать отдельно вольтметр и амперметр. Исследования проводились с
погрешностью измерения не более 15%.
Рис. 2. Принципиальная схема измерения
переходного сопротивления проволочных микроконтактов: О - точка измерения сопротивления, 1 -медная подложка, 2 - металлизация на кристалле, I -алюминиевая проволока
4
2
Г
4
Результаты измерений переходных
сопротивлений представлены в табл. 2, и они практически совпадают с расчетными.
Таблица 2 Результаты измерений переходного сопротивления
Номера контактов Сопротивление, мОм
№1 №2 №3 №4
1 0,83 0,68 0,50 0,45
2 0,85 0,60 0,44 0,47
3 0,88 0,68 0,40 0,49
4 0,87 0,63 0,56 0,48
5 0,77 0,79 0,60 0,50
6 0,78 0,75 0,66 0,56
Среднее значение 0,83 0,69 0,53 0,49
Как видно из табл. 2, величина переходного сопротивления уменьшается как с ростом толщины алюминиевой металлизации, так и при напылении на 8Ю2-основу вместо чистого кремния. Это хорошо согласуется с проведенными ранее исследованиями коррозионной устойчивости [5], где наблюдался рост анодного тока прямо пропорционально
уменьшению переходного сопротивления. Это, видимо, результат выхода различного количества никеля и кремния на поверхности металлизации, вызванной диффузией из нижнего подслоя и кристалла. Можно сделать вывод, что низкое переходное сопротивление контактов алюминиевая проволока - алюминиевая металлизация кристаллов СПП будет на кристаллах с шероховатой, а не полированной поверхностью.
Литература
1. Хольм Р. Электрические контакты // ИИЛ, 1961.
2. Грачев А.А., Пастушенко А.М. Влияние температурных воздействий на характеристики соединений алюминиевый проводник-пленка, выполненных ультразвуковой сваркой // Автоматическая сварка. 1974. № 8. С. 28-29.
3. Бурова Н.Н. О сопротивлении микроконтактов между тонкими пленками и проводниками // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. 1972. № 2. С. 117-122.
4. Назарова Н.К., Пархоменко В.И. Оценка эффективности показателей качества проволочных микросоединений тонкопленочных конденсаторов и резисторов // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания. 1984. Вып. 2. С. 6-10.
5. Зенин В.В., Каданцев И.А., Спиридонов Б.А. Коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевой металлизации, легированной никелем // Системы жизнеобеспечения и управления в чрезвычайных ситуациях: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. Ч.1. С. 208-211.
Воронежский государственный технический университет
CONTACTS RESISTANCE ALUMINUM WIRE WITH ALUMINUM METALLIZATION ON CHIPS OF POWER SEMICONDUCTOR
I.A. Kadanstev, V.V. Zenin
Theoretical calculation and experimental investigation transient resistance aluminum wire with aluminum metallization on chips of power semiconductor has been take
Key words: resistance, aluminum, metallization, chips
