Особенности сборки транзисторов в корпусе D-Pak Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Анатолий КЕРЕНЦЕВ

akerentsev@transistor.com.by

Владимир ЛАНИН

vlanin@bsuir.unibel.by

Особенности корпуса D-Pak

При сборке транзисторов в пластмассовом корпусе D-Pak для поверхностного монтажа с повышенной мощностью рассеивания (discrete power device package) применяют посадку кристалла с помощью припойной прокладки. Для обеспечения заданной мощности Ртах < 45 Вт и низкого переходного теплового сопротивления р-п-переход-корпус в качестве кристаллодержателя и теплоотвода применяют медные сплавы с теплопроводностью не хуже 350 Вт/м-°С [1]. Однако использование в составе корпуса транзистора материалов, не совместимых по величине коэффициента теплового линейного расширения (КТЛР), приводит к необходимости ограничения тепловых воздействий в процессе монтажа, что и отражается в технических условиях на изделия. Различные технологии пайки поверхностного монтажа — волновая, ИК-нагревом — в паровой фазе связаны с интенсивным нагревом тонкого пластмассового корпуса. При высоких тепловых нагрузках возникает опасность растрескивания корпуса и кристалла, возможность последующего проникновения влаги внутрь корпуса и деградации характеристик транзистора [2].

Корпуса транзисторов для поверхностного монтажа (D-Pak) относятся к XIV группе по ГОСТ 20.39.405-84, и к ним предъявляются жесткие требования по воздействию режимов пайки и паяемости выводов:

1. Конструкция изделий должна обеспечивать трехкратное воздействие групповой пайки и лужения выводов горячим способом без теплоотвода при температуре пайки не выше 265 °С в течение 4 с.

Особенности сборки транзисторов

в корпусе D-Pak

Авторы статьи, имея многолетний опыт в области сборки и монтажа изделий электроники, разрабатывают новые автоматизированные процессы монтажа кристаллов транзисторов вибрационной пайкой в защитной атмосфере. Для того чтобы гарантировать требуемую устойчивость мощных транзисторов, выполненных в корпусе D-Pak, к условиям поверхностного монтажа, необходимо обеспечить высокое качество посадки кристаллов на кристаллоноситель. Создан оптимальный вариант конструктивно-технологического исполнения транзисторов в корпусе D-Pak, отличающийся стабильностью и воспроизводимостью тепловых параметров. Представленная информация будет полезна специалистам, работающим в области сборки изделий электроники.

2. Изделия должны выдерживать групповую пайку одноразовым погружением корпуса в расплавленный припой (волну припоя) при температуре до 265 °С в течение до 4 с.

3. Выводы и контактные площадки изделий должны иметь гарантированную паяемость с использованием спиртоканифольных неактивированных и некоррозионных слабоактивированных флюсов.

Методы монтажа кристаллов на выводные рамки — пайкой эвтектическими сплавами или легкоплавкими припоями, приклеиванием, посадкой на токопроводящую композицию — должны обеспечить высокую прочность соединений при термоциклировании и механических нагрузках, низкое электрическое и тепловое сопротивление, минимальное механическое воздействие на кристалл и отсутствие загрязнений.

Если кристаллы приборов имеют значительную мощность рассеяния (более 0,5 Вт), то между подложкой кристалла и посадочной площадкой выводной рамки необходимо создать токопроводящий электрический контакт с незначительным электрическим и тепловым сопротивлением, что достигается использованием методов пайки. Для тех приборов, в которых мощность рассеяния кристалла невелика, а электрическое сопротивление между подложкой кристалла и рамкой незначительно влияет на работу прибора, кристалл приклеивают на токопроводящую композицию[3].

Помимо технологических трудностей посадка кристалла на эвтектические сплавы (высокие температуры, золотое покрытие) имеет и другие недостатки. Ввиду малой пластичности эвтектики Ли-51 и разницы в коэффици-

ентах термического расширения кристалла и рамки в напаянном кристалле возникают значительные механические напряжения, что приводит к сколам кристаллов при пайке, последующих технологических операциях и механических испытаниях, а также к снижению надежности приборов.

Внутренние напряжения, возникающие в процессе присоединения кристалла к подложке, определяются не только физическими параметрами соединяемых материалов, температурой процесса, но и соотношением толщины кристалла к толщине подложки. Напряжения сжатия на поверхности кристалла рассчитывались как [4]:

§шах1= -^1(а1-а2)^А^Х

х(и)[1-М! + (1-М2)(й1)] + (1-М2)П, (1)

а напряжения растяжения:

§шах2 = -^(а^^Лй^), (2)

где Е — модуль упругости кремния, а1, а2 — КЛТР кремния и кристаллодержателя, Дt — перегрев кристалла, Р — функция, зависящая от соотношения и толщины кристалла к1 и кристаллодержателя к2.

Расчеты показали, что при монтаже кремниевых кристаллов на основание из медного сплава возникают внутренние напряжения, которые могут превышать допустимый уровень напряжения изгиба кремния (250 МПа), в результате чего возникают микротрещины в кристалле. Выбор оптимальной толщины кристалла в пределах 200-250 мкм при к1/к2 = 0,4-0,5 позволяет уменьшить возникающие деформации (рис. 1).

—напряжение растяжения

400 —1— напряжение сжатия

300

200

100

0.1\ 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 р.7 0.8 И1/И2

-100

-200 \ ^

-300

Рис. 1. Механические напряжения в кристалле

^тпк “С/Вт 9,0 - \зоо"С

8,0 - \

7,0 - \

6,0 - \390°С \

5,0 - \ \ Допустимый \ уровень

4,0 -

25 50 75 100 125 150 А А, мкм

Рис. 2. Влияние режимов монтажа кристаллов на уровень теплового сопротивления

Для установления влияния различия КТЛР кремниевого кристалла и кристаллодержате-ля из медного сплава БрХ исследовались транзисторные структуры размером 2,7х2,7х0,3 мм с напыленной на непланарную сторону системой металлизации ТЬМ-вп-РЬвп-вп. Оптимальное соотношение компонентов системы металлизации и припоя выбрано с учетом температуры присоединения внутренних проволочных соединений методом термозвуковой сварки золотой проволокой при 250 °С. Этому условию в соответствии с диаграммой состояния РЬ-вп отвечает композиция, содержащая 85% свинца. Трехслойная композиция вп-впРЬ-вп выбрана как наиболее эффективная система, обеспечивающая смачивание припоем поверхности никеля на непланарной стороне кристалла и серебра на кристал-лодержателе. Толщина слоя олова составляет 2 мкм со стороны никеля и 1 мкм на наружной поверхности. Расчетное значение толщины свинца:

(3)

2 (100-Л)ху2

где к1, к2 — толщина слоя вп и РЬ соответственно; у1, у2 — уд. вес вп и РЬ соответственно; А — требуемое содержание РЬ в припое.

Уменьшение толщины слоя вп до 2 мкм приводит к снижению толщины слоя РЬ до 7,2 мкм, таким образом, варьирование толщиной слоев вп в пределах 2-3 мкм и РЬ в пределах 7,2-10,8 мкм позволило получить припойную композицию с температурой плавления 250-270 °С. С учетом допуска ±0,5 мкм толщина вп составила: 1-й слой — 1,5 мкм, 2-й слой — 0,5 мкм, толщина слоя РЬ — 7,2-10,8 мкм, а общая толщина припоя 9,2-13,8 мкм.

Исследовано влияние конструктивных и технологических факторов (толщина паяного соединения кристалл-кристаллодержа-тель; наличие демпфера между кристаллом и пластмассовой частью корпуса в виде эластичного компаунда; режимы зачистки облоя на теплоотводящей поверхности кристалло-держателя) на устойчивость транзисторов с -РШах = 30 Вт в корпусе Б-Рак к значительным температурным ударам, возникающим в процессе поверхностного монтажа.

Монтаж кристаллов вибрационной пайкой

Металлизация ТЬ№ осаждалась в установке 01НИ-7-015 непрерывного действия с магнет-ронной системой распыления. Использованы мишени из никеля марки Н-0 по ГОСТ 849-70, титана ВТ1-0 толщиной листа 6-10 мм по ГОСТ 22178-78. Режимы напыления: давление в камере не более 6,7х10-5 Па; ток нагрева 3,5 А; мощность магнетрона напыления титана 2 кВт; напыления никеля 3 кВт; скорость конвейера 100 мм/мин.

После формирования системы ТЬ№ осаждалась припойная композиция в установке электронно-лучевого испарения в вакууме «Оратория-9» в последовательности вп-РЬвп-вп при следующих режимах: температура напыления 280 °С; напряжение 6 кВ; ток эмиссии 0,5 А; время напыления вп1: 120-240 с; РЬвп: 400-600 с; вп2: 120-240 с.

Изготовленные таким образом транзисторные структуры поступали на сборку после соответствующего контроля по электрическим параметрам и внешнему виду. Для сборки транзисторов применялась выводная рамка из материала БрХ с полосой серебра толщиной 7±1 мкм. Монтаж транзисторных структур на легкоплавкую припойную композицию выполнялся на автомате ЭМ4085-03 при следующих технологических режимах: температура 300-400 °С; амплитуда колебаний кристалла 25-200 мкм; количество периодов колебаний 2-10 [5].

Качество монтажа кристаллов определялось по внешнему виду до и после воздействия разрушающей нагрузки, прикладываемой перпендикулярно боковой поверхности кристалла. При этом пайка считалась удовлетворительной, если разрушение происходило по кремнию и не менее чем 80% площади кристалла занято кремнием [6]. Это требование подтверждалось и результатами контроля переходного теплового сопротивления _р-П-переход-корпус (Итпк), выполненного с использованием специального зондо-вого устройства.

Активация процесса монтажа кристаллов за счет принудительного вибрационного воздействия при амплитудах 25-50 мкм не ока-

зывает положительного результата. Это вызвано тем, что при малых амплитудах вибрации, в условиях выполнения процесса монтажа без применения защитной атмосферы не происходит полного удаления окислов из зоны монтажа и образуются участки с непро-паями, приводящими к росту теплового сопротивления. Это особенно заметно в случае пайки кристаллов при температурах до 300 °С (рис. 2). Увеличение температуры монтажа кристаллов до 390 °С, а амплитуды колебаний до 75-150 мкм способствует эффективному удалению окислов из зоны монтажа, при этом исключаются пустоты и непропаи под кристаллом, что и позволяет получить требуемый уровень переходного теплового сопротивления. Это имеет существенное значение для мощных транзисторов.

Монтаж кристаллов на легкоплавкий припой вибрационной пайкой на автомате ЭМ4085 приводит к гомогенизации паяного соединения, исключению дефектов в виде пустот и непропаев. В результате снижается уровень термомеханических напряжений в активной структуре, уменьшается переходное тепловое сопротивление, повышается производительность монтажа [7].

При сборке транзисторов опробован вариант с увеличенной толщиной паяного соединения за счет использования дополнительной прокладки припоя ПОС-10 толщиной 50 мкм. Нанесение эластичного демпфирующего слоя компаунда СИЭЛ 159-322Б на поверхность кристалла после формирования проволочных перемычек выполнялось на автомате ЭМ4085 с применением стандартного дозатора. После выполнения каждой технологической операции проводился контроль кристаллов по внешнему виду на наличие трещин.

После герметизации на рамках осуществлялось удаление перемычек микрофрезой и освобождение эмиттерного и базового выводов от связующей кромки рамки, с последующим контролем ВАХ каждого прибора после каждой операции. В результате последовательного операционного анализа установлено, что трещины в кристалле возникают

в процессе герметизации. Анализ характерного расположения трещин на кристалле (рис. 3) указывает на то, что растрескивание кристаллов происходит при герметизации в процессе смыкания пресс-формы на отдельных гнездах матрицы из-за несоответствия величины перепада на формованной части рамки и матрицы пресс-формы. При глубине формовки коллекторного вывода 1±0,07 мм на рамке фактическое несоответствие глубины перепада на элементах матрицы пресс-формы достигает Дшах = 0,25 мм. Это приводит к тому, что в процессе смыкания верхней и нижней частей пресс-формы происходит деформация плоскости кристаллодержателя и пластическая деформация зоны пайки кристалла с последующим образованием трещины в кристалле.

Трещины в кристалле отсутствовали для вариантов сборки транзисторов с защитой кристалла эластичным демпфирующим слоем и с дополнительным демпфирующим слоем припоя. В обоих вариантах в результате уменьшения глубины перепада на элементах пресс-формы происходит снижение внутренних напряжений в кристалле и устраняются трещины в нем.

При герметизации корпуса пластмассой на теплоотводе образуется облой повышенной

толщины, достигающей 40-50 мкм. Это создает значительные трудности по его удалению шлифовальным кругом на плоско-шлифовальном станке и может являться причиной возникновения дополнительных механических напряжений в кристалле. В процессе зачистки об-лоя необходимо исключать возможность грубого заглубления шлифовального круга в материал выводной рамки. В этом случае происходит перегрев кристаллодержателя, что заметно по изменению его цвета, а механическая деформация поверхностного слоя, передаваемая в кристалл, приводит к возникновению механических напряжений, способных привести к его растрескиванию. Неоднократные эксперименты при различных режимах зачистки об-лоя шлифовальным кругом показали высокую эффективность применения дополнительного защитного эластичного компаунда, наносимого на поверхность кристалла.

В результате совершенствования конструктивно-технологического исполнения приборов и доработки пресс-форм были изготовлены контрольные партии приборов с последующим испытанием в условиях поверхностного монтажа на плату: полное погружение в припой при температуре 260±5 °С в течение 10 с. Гистограмма распределения приборов с различным конструктивно-технологическим исполнением по отказам в условиях поверхностного монтажа приведена на рис. 4.

по отказам:

1 — малая толщина паяного соединения (<5мкм);

2 — на пресс-форме несоответствие глубины формовки 0,25 мм;

3 — защита компаундом отсутствует;

4 — оптимальный вариант

Для оптимального варианта конструктивно-технологического исполнения приборов брак не превышает 2%.

Заключение

Предложен оптимальный вариант конструктивно-технологического исполнения мощных транзисторов в корпусе D-Pak, предназначенных для поверхностного монтажа (толщина паяного соединения не менее 8 мкм, посадка кристалла на легкоплавкий припой вибрационной пайкой, защита кристалла эластичным компаундом, глубина формовки в пределах не хуже ±0,07 мм) и обладающих высокой надежностью в условиях температурных воздействий процессов групповой пайки. ■

Литература

1. Advanced Electronic Packaging / Ed. by R.K. Ulrich, W.d. Brown. N.Y.: Wiley Interscience. 2006.

2. Taraseiskey H. Power Hybrid Circuit Design and Manufacture. N.Y.: Marcel Dekker Inc. 1996.

3. Whitaker J.C. Microelectronics. N.Y.: CRC. 2006.

4. Omi S., Fujita K. Causes of cracks in SMD and type specific remedies // IEEE Trans.Comp. Hybrid, Manufacture Technology. 1991. № 14.

5. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л., Иваш А.М. Автоматизированный монтаж кристаллов мощных транзисторов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2000. № 4.

6. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Статистическое регулирование процесса монтажа кристаллов мощных транзисторов // Электроника и электротехника. Каунас: Технология. 2000. № 3 (26).

7. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Электрические и тепловые параметры контактов при монтаже кристаллов в приборах силовой электроники // Электроника и электротехника. Каунас: Технология. 2002. № 1 (36).

8. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Повышение устойчивости транзисторов в корпусе D-Pak к поверхностному монтажу // Электроника и электротехника. Каунас: Технология. 2003. № 7 (49).