CC BY
71www.finestreet.ru
Новые технологии расширяют
горизонты силовой электроники
Андрей КОЛПАКОВ
Andrey.Kolpakov@semikron.com
Бурное внедрение электроники на транспорте сопровождается кардинальным изменением подхода к принципам проектирования силовых преобразовательных устройств. В первую очередь сказанное относится к элементам электро- или гибридного привода автомобилей. Высокие требования по надежности и массо-габаритным показателям при очень жестких условиях эксплуатации могут быть успешно выполнены только в случае, если рабочая температура компонентов преобразователя станет существенно выше уровня, достижимого в условиях сегодняшних технологий. В стандартных силовых модулях, выпускаемых в настоящее время, основными способами соединения силовых чипов и их выводов остаются пайка и ультразвуковая сварка. Надежность таких соединений обеспечивается при температуре чипов, не превышающей 125 °С в номинальном режиме.
Современный рынок силовой электроники требует от производителей компонентов выпуска все более мощных модулей. Одним из путей решения проблемы является увеличение площади кристаллов, однако этот путь сопряжен с множеством трудностей. Основной проблемой в данном случае является отвод тепла при повышении плотности мощности.
Компоненты транспортного привода работают в условиях постоянных тепловых и электрических стрессов, вызываемых экстремальными режимами эксплуатации. Технология низкотемпературного прессования способна существенно увеличить стойкость многокристальных силовых модулей к пассивному и активному термоциклированию, доведя ее до требуемых в автомобильной электронике зна-
чений. Использование этой технологии позволяет с успехом решить проблему отвода тепла от кристаллов повышенной площади.
В процессе эволюции силовых полупроводниковых ключей происходит непрерывное увеличение допустимой плотности тока, сопровождающееся снижением уровня статических и динамических потерь. Каждый год производители чипов находят новые технологические приемы, позволяющие существенно уменьшить перегрев кристаллов и повысить номинальный ток зачастую даже при меньшей площади чипа. Однако технологии производства самих силовых модулей меняются очень мало, в частности по-прежнему используется паяное соединение конструктивных слоев с высоким тепловыделением: чипов, керамики и базовой платы. Един-
ственной существенной инновацией на этом пути следует признать «безбазовую» конструкцию модулей (baseless pressure contact technology), разработанную и широко применяемую компанией SEMIKRON.
Силовые модули традиционной конструкции, рассчитанные на предельную рабочую температуру кристаллов 150-155 °С, не могут быть использованы в автомобильных приводных системах новых поколений. В стандартных силовых ключах для соединения силовых чипов с керамической DBC-платой и соединения DBC-платы с медным (или композитным) основанием применяется пайка, только так удается обеспечить приемлемый отвод тепла. Используемые в промышленности припои имеют достаточно низкую температуру плавления, они не способны долго выдерживать воздействие высоких температур, образующихся при работе силовых чипов, и противостоять воздействию перепадов температуры.
Достаточно стабильным в этом отношении материалом является серебро, которое существенно дешевле золота или палладия, также пригодных для этой цели. Кроме того, оно не столь чувствительно к окислению, как другие металлы. Серебро имеет гораздо лучшую тепло- и электропроводность, его стойкость к термоциклированию намного выше, чем у традиционных припоев. Температура ликвидуса серебра позволяет ему работать в качестве припоя в условиях предельных рабочих температур привода, имея при этом существенный запас по тепловым режимам. До сих пор основным препятствием для широкого применения серебряных припоев была высокая температура перехода в жидкое состояние (> 600 °C), не позволяющая использовать обычные технологии
I А
'Стах»
V "с
Рис. 1. Максимальный ток IGBT и предельная температура кристалла Tvj
оплавления припоя. В последние годы основные усилия технологов были направлены на использование высокого давления для снижения температуры спекания серебряной порошковой смеси. Исследования подтвердили, что при воздействии повышенного давления серебряные порошковые пасты способны образовывать устойчивые соединения даже при низкой температуре. Данная технология позволяет соединять силовые чипы с керамикой с помощью так называемой холодной сварки.
Наиболее ответственные узлы автомобильной электронной системы привода расположены в подкапотном пространстве, часть из них устанавливается непосредственно на двигателе, охлаждаемом жидкостью с температурой 105-120 °С. Чтобы долго и надежно функционировать в таких условиях, предельная рабочая температура тепловыделяющих полупроводниковых элементов должна быть не менее 175 °С. На рис. 1 представлено семейство графиков, показывающих, как максимальный ток коллектора ЮБТ 1Стах связан с предельной температурой кристалла при различной температуре радиатора Т5. Очевидно, что для того чтобы обеспечить такую же плотность мощности, какую имеет система с двухконтурной системой охлаждения, необходимо повышать допустимую рабочую температуру чипов.
Последние поколения чипов ЮБТ и анти-параллельных диодов нормированы на 175 °С, для новейших МО8БЕТ транзисторов с рабочим напряжением до 200 В допустимой считается температура кристалла 200 °С. Предполагается, что перспективные кристаллы на основе арсенида галлия ОаЛ8 и карбида кремния Э1С могут быть использованы при температурах 250 °С и выше. Тем не менее, для стандартных силовых модулей предельно допустимая температура чипов до сих пор остается в пределах 125-150 °С, такое ограничение необходимо для обеспечения высокой стойкости к термоциклированию. В соответствии с требованиями автомобильного стандарта АЕС^101 все элементы силовых преобразователей должны выдерживать не менее 5000 циклов изменения температуры с перепадом более 100 К и не менее 3 млн активных термоциклов с градиентом выше 40 К.
Основным фактором, приводящим к отказам силовых модулей, является разруше-
Таблица. Сравнительные характеристики материалов
Чистое серебро (Ag) Прессованный слой Ag Припой SnAg
Солидус/ликвидус С 961 961 221
Плотность г/см3 10,5 8,5 8,4
Электропроводность мСм/м 68 41 7,8
Теплопроводность Вт/м-К 250 240 70
КТР мкм/м-К 19,3 19 28
Усилие растяжения МПа 139 55 30
ние паяных соединений, происходящее вследствие развития усталостных процессов. На втором месте по частоте отказов стоит отслоение выводов силовых кристаллов, вызванное несогласованием коэффициентов теплового расширения материала выводов (алюминий), материала электропроводящих шин (медь) и кремния.
Вероятность разрушения конструкции при воздействии термоциклов растет экспоненциально с увеличением рабочей температуры. Существует эмпирическое соотношение, в соответствии с которым стойкость к термоциклированию уменьшается вдвое с ростом температуры на 20 “С. Применение технологии низкотемпературного прессования (Low Temperature Sinter Technique) позволяет кардинально повысить стойкость соединения в условиях воздействия высокотемпературных циклов.
В таблице приведены сравнительные характеристики материалов, которые могут быть использованы для установки чипов на керамику. Температура солидуса/ликвидуса Ag (961 “С) обеспечивает очень высокую надежность соединения. Сочетание хорошей теплопроводности прессованного серебряного слоя и его коэффициента теплового рас-
ширения (КТР) позволяет с успехом применять этот материал для соединения кремниевых кристаллов с ЭБС керамической подложкой силового модуля.
Для обеспечения оптимальных режимов холодной сварки ЗЕМКИОЫ использует специальный гидравлический пресс, позволяющий регулировать температуру и давление прижима. С его помощью можно устанавливать чипы разных типов на ЭБС керамику размером 5x7 дюймов. Оборудование 8ЕМ1КИОЫ для низкотемпературного прессования, позволяет обеспечивать равномерное давление до 40 МПа в зоне расположения кристаллов и предварительно нанесенного слоя порошкового серебра. Это давление постоянно контролируется и поддерживается на заданном уровне, система работает в полностью автоматическом режиме и может быть использована при серийном производстве.
Контроль качества соединения производится с помощью анализа состояния структуры серебряного порошка в процессе производства. На рис. 2 показан вид соединительного слоя Ag до и после прессования, произведенного при высоком давлении. Пористость зернообразного спеченного слоя составляет 15%.
Одним из основных критических параметров, характеризующих качество холодной сварки, является усилие сцепления чипа и керамики. Эти два контактирующих элемента имеют покрытие из благородных металлов, в качестве материала покрытия может использоваться сплав золото-никель №Ли, серебро и т. п. Для проверки надежности соединения 8ЕМ1КИОЫ проводит испытание на изгиб, позволяющее оптимизировать технологические режимы и выявить возможные
Равномерное распределение давления
РСВ
Прижимная плата
Пружинящая прокладка
I /|Г^
■ Сигнальный пружинный контакт
Радиатор
7/
Прижимной контакт Спеченный слой Ад Теплопроводящая паста
Рис. 4. Упрощенная структура слоев модуля SKAI
дефекты. Технологи стремятся нормировать параметры прессования таким образом, чтобы при испытаниях на изгиб повреждение кремниевого чипа наблюдалось раньше, чем разрушение соединительного слоя. Сказанное поясняется на рис. 3, где показаны результаты испытаний на изгиб при низком (рис. 3а) и высоком (рис. 3б) уровне сцепления, вид кристаллов с хорошим качеством соединения после испытаний представлен на рис. 3в и г.
Первыми в мире компонентами, изготовленными с применением новой технологии, стали модули SKAI (SEMIKRON Advanced Integration), спроектированные по заказу американской компании General Motors для применения в приводах электро- и гибридомо-билей [5]. Разработка компонентов семейства SKAI, имеющих беспрецедентное сочетание плотности мощности, компактности, надежности и цены, позволила SEMIKRON выиграть тендер правительства США и получить в 2004 г. приз «Поставщик года» от GM.
Все электрические и тепловые соединения в SKAI выполнены по технологии прижимного контакта (Pressure Contact Technology), пайка исключена полностью. Устройство высоковольтного варианта модуля SKAI, рас-
считанного на установку кристаллов ЮБТ с напряжением 600 и 1200 В, показано в упрощенном и подробном виде на рис. 4 и 5. Керамическая ЭБС-плата с установленными на ней силовыми кристаллами напрессовывается непосредственно на теплоотвод с помощью так называмой многоточечной шинной штамповки. Такой способ соединения позволяет полностью устранить паяный слой большой площади, соединяющий керамическую плату с медным основанием. Напомним, что разрушение этого слоя в результате многократного термоциклирования, происходящее из-за разницы КТР керамики и меди, является основной причиной отказов силовых модулей стандартной конструкции.
Для достижения хорошего распределения тепла в объеме и обеспечения высокой плотности мощности необходимо использовать параллельное соединение большого количества силовых кристаллов. В высоковольтных модулях 8КЛ1 каждый силовой ключ состоит из шести параллельных чипов КБТ и трех диодов. На рис. 6 показана керамическая подложка из нитрида алюминия ЛШ размером 5x7 дюймов с чипами, установленными на ней методом низкотемпературного прессования.
Силовые прижимные модули семейства 8КЛ1, изготовленные с применением технологии низкотемпературного прессования, демонстрируют высочайший уровень стойкости к воздействиям высокотемпературных пассивных и активных термоциклов.
Все маломощные узлы 8КЛ1, включая схему управления, защиты, мониторинга и связи с внешними устройствами, расположены на одной печатной плате (драйвер/контроллер на рис. 7). Она содержит контроллер (ТМ8320ЬБ2406/2407), изолированный драйвер затворов МОЗБЕТ/ЮБТ, изолированный источник питания и ряд вспомогательных элементов. Печатная плата закрепляется в крышке модуля, ее подключение к силовому каскаду осуществляется с помощью пружинных контактов, располагающихся в отверстиях прижимной платы. Специальная форма пружин и серебряное покрытие обес-
Рис. 7. Элементы конструкции модуля БКЛІ:
1 — сигнальные пружинные контакты
2 — терминал ЛС-шины
3 — корпус модуля
4 — теплоотвод
5 — ЛіИ ЭБС-подложка с кристаллами
6 — прижимная плата
7 — ЭС-шина с конденсаторами
8 — плата контроллера и драйвера
Рис. 8. Режимы испытательного термоцикла, вид соединительных слоев после испытаний:
DUT (Device Under Test) — испытуемый модуль; Tjmax — максимальная температура кристалла;
Tcmax — максимальная температура корпуса модуля; ТШт — минимальная температура корпуса модуля
печивают высокую стабильность контактного сопротивления при различных механических и электрических нагрузках, включая работу с микротоками. Чтобы переходное сопротивление контактов оставалось низким и постоянным при изменении условий эксплуатации, плата контроллера/драйвера имеет свою прижимную рамку, закрепляемую на основании модуля.
Прижимная плата обеспечивает надежный тепловой контакт теплоотвода и керамической ЭБС-пластины с силовыми кристаллами. Между керамикой и радиатором находится слой теплопроводящей пасты, наносимой методом шелкографии (толщина слоя пасты не превышает 50 мкм). В модулях 8КЛ1 может использоваться жидкостное ^ в названии модуля) и принудительное воздушное (Ь в названии модуля) охлаждение.
В основе конструкции заложена прижимная технология 8КпР, разработанная компанией 8ЕМ1КИОЫ в 1992 г. и многократно подтвердившая отличные тепловые характеристики и высокую стойкость к термоциклированию. Этим обеспечивается высокая надежность модуля и хорошая временная стабильность параметров в жестких условиях транспортных применений.
Керамическая ЭВС-подложка с установленными на ней кристаллами силовых транзисторов прижимается к радиатору с помощью платы, осуществляющей давление на керамику в точках наибольшего локального перегрева (усилие прижима 153 кг/см2). Такая конструкция позволяет существенно снизить значение теплового сопротивления «кристалл — теплосток» И^, в результате чего температура кристалла при данном значении рассеиваемой мощности оказывается ниже. В модулях 8КЛ1 керамическая плата изготовлена из нитрида алюминия ЛШ, тепловые и механические характеристики которого намного лучше, чем у традиционного, менее дорогого оксида алюминия Л12О3. Кроме того, использование нитрида алюминия в модулях прижимной конструкции позволяет увеличить срок службы изделия почти в 2 раза.
Эластичная прокладка, состоящая из нескольких слоев пористой силиконовой резины, передает давление от жесткой прижимной платы к сопрягаемым элементам и обеспечивает равномерность распределения давления. Крышка корпуса, имеющая стальную вставку, электрически соединяется с теплоотводом крепежными болтами и служит экраном, снижающим уровень наводок на плату драйвера.
Одним из основных преимуществ новой технологии является существенное повышение надежности работы силового модуля в условиях воздействия термоциклов, даже при максимальных значениях рабочих температур. Это подтверждается специальными испытаниями на термоциклирование, проводимыми по стандарту 1ЕС 60749-34. На стенде 8ЕМ1КИОЫ модули 8КЛ1 подвергаются воздействию 20 000 циклов с градиентом 100 К, такой испытательный режим считается чрезвычайно жестким. Режимы циклического температурного воздействия показаны на рис. 8.
Применение холодной сварки позволяет обеспечить высокую стойкость к данному виду испытаний, изображение соединительных слоев кристаллов после тестов, полученное с помощью акустического электронного микроскопа, дано на рис. 8. Анализ показал полное отсутствие следов усталостных процессов в сварном слое, не было отмечено также изменения значения теплового сопротивления И^8, что является основным критерием стабильности свойств соединения.
Заключение
Требования повышения компактности при одновременном увеличении мощности, выдвигаемые со стороны современного рынка, заставляют производителей разрабатывать новые конструктивы, технологии, совершенствовать методы расчета и проектирования. Добиться существенного повышения плотности тока можно, раздвинув, действующие ограничения по размеру кристаллов. Для это-
го необходимо принципиально изменить многие существующие производственные процессы, в частности технологию пайки кристаллов и ультразвуковой сварки их выводов. Неизбежно совершенствование всей архитектуры силового модуля, что обусловлено необходимостью более эффективного отвода тепла.
Стандартные технологии производства силовых модулей допускают применение кристаллов в них размером не более 24,3x24,3 мм2, наращивание тока модуля производится за счет параллельного соединения. При тщательной проработке конструкции и топологии соединений это позволяет расширить мощностные возможности модулей без ущерба для их надежности, что подтверждается результатами испытаний. Дальнейшее увеличение размера и плотности тока чипов возможно только при замене пайки на новый метод, позволяющий повысить устойчивость соединения к воздействию высоких рабочих температур и высокотемпературных термоциклов. Решением данной задачи является применение низкотемпературной технологии прессования, впервые в мире использованной компанией SEMIKRON для соединения чипов IGBT с керамикой.
В модуле SKAI, предназначенном для эксплуатации в самых жестких условиях автотранспорта, SEMIKRON применил самые совершенные сегодня технологии производства. Это дало возможность резко повысить стойкость к термоциклированию, расширить диапазон рабочих температур, обеспечить безопасное использование силовых кристаллов вплоть до предельной температуры 175 °С. Модифицированная компанией технология прессования позволяет устанавливать чипы на любые современные керамические материалы, включая оксид алюминия Al2O3, нитрид алюминия AlN, а также уплотненный нитрид кремния Si3N4.
В одном из ближайших номеров журнала мы планируем продолжить разговор о перспективных технологиях силовой электроники. ■
Литература
1. Grasshoff Th., Steger J. New flat SEMiX® input rectifiers for a simple converter design. SEMIKRON International GmbH, 2005.
2. Beckedahl P., Braml H. Low temperature sinter technology // Automotive Power Electronics. Paris. 2006. June.
3. Scheuermann U., Ebersberger F. Packaging of Large Area Power Chips — Extending the Limits Of Standard Modules Technology. SEMIKRON International GmbH, 2006.
4. Колпаков А. Силовые выпрямители: стандартные технологии и пределы возможностей // Компоненты и технологии. 2006. № 9.
5. Колпаков А. SKAI — предельный уровень интеграции // Силовая электроника. 2005. № 3.
