CC BY
179Виктор ЗЕНИН Ольга ХИШКО
Введение
Объектом исследований были кремниевые эпитаксиально-планарные полевые с изолированным затвором и п-каналом, со встроенным диодом транзисторы типа КП767В в металлопластмассовом корпусе КТ-28-2 ГОСТ 18472-88 (аналог Т0-220). Данные силовые полупроводниковые приборы (СПП) предназначены для работы в мощных источниках питания, преобразователях напряжения и других узлах и блоках радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
Исследовались основные параметры транзисторов: сопротивление «сток-исток» в открытом состоянии, пороговое напряжение, постоянное прямое напряжение диода, пробивное напряжение диода, а также тепловое сопротивление «кристалл-корпус». Параметры сравнивались с предельно допустимыми электрическими режимами эксплуатации транзисторов в диапазоне заданных рабочих температур.
Анализировалось влияние площади непро-паев на основной параметр СПП — тепловое сопротивление «кристалл-корпус» транзисторов, пайка кристаллов в которых проводилась как в водороде, так и в формир-газе.
С целью выяснения влияния типа корпуса на параметры транзисторов КП767В проводились измерения параметров приборов, собранных в корпусах КТ-28-2 и КТ-43В. Корпус КТ-43В имеет большие размеры по сравнению с корпусом КТ-28-2, в том числе и толщину основания, на которое напаивается кристалл.
Влияние марки припоя и способов пайки кристаллов
на параметры силовых полупроводниковых приборов на примере транзистора КП767В
В статье рассмотрены способы отбраковочных испытаний полупроводниковых изделий. По литературным данным установлено, что одним из основных параметров оценки качества напайки кристалла к основанию корпуса силовых полупроводниковых приборов является тепловое сопротивление «кристалл-корпус». Проанализировано влияние марки припоя и способов пайки кристаллов на электрические параметры и тепловое сопротивление «кристалл-корпус» (РТ кр-к) транзисторов КП767В, собранных в корпусах КТ-28-2 и КТ-43В. Экспериментально установлено: способы напайки кристаллов к основаниям корпусов КТ-28-2 и КТ-43В практически не влияют на электрические параметры транзисторов КП767В; КТ кр-к существенно зависит от способов пайки и типов корпусов.
Одной из основных задач данных исследований являлась апробация нового бессвинцо-вого припоя 87,0-89^п/9,0-П,0ВШ,8-1^Ь (вес. %) в производстве СПП.
Отбраковочные испытания ППИ
Для оценки устойчивости электронных компонентов к воздействию перепадов температуры существуют два основных метода [1]:
• Активное термоциклирование, при котором нагрев элемента происходит за счет его собственного тепловыделения в процессе коммутации тока, а снижение температуры обеспечивается системой охлаждения.
• Пассивное термоциклирование, при котором градиент температуры создается за счет помещения элемента в климатические камеры с высокой и низкой температурой.
Термоциклы, то есть попеременный нагрев и охлаждение, — это ускоренные испытания, они хорошо выявляют относительно малую негерметичность корпуса. В этом случае влага, проникая в негерметичные объемы, вызывает увеличение токов утечки и коррозию [2].
Диапазоны изменений температуры при термоциклах 0...+55 °С; -60... + 125 °С; -65... + 150 °С и др. Количество термоциклов, длительность пребывания при крайних температурах, скорость изменения температуры выбирают в зависимости от типов полупроводниковых изделий (ППИ). Термоциклы могут вызывать растрескивание кристаллов,
отделение кристалла от подложки (корпуса), обрыв внутренних соединений. Испытания термоциклами могут рассматриваться как ускоренные при соответствующем выборе диапазона изменения температуры и скорости нагрева.
Известно, что надежность СПП определяется главным образом их теплоэлектрическим состоянием, которое зависит от качества присоединения кристалла к основанию корпуса. Образование пустот, микротрещин, сколов (скрытых дефектов) приводит к появлению участков под кристаллом с аномально высоким тепловым сопротивлением [3, 4].
В число отбраковочных испытаний ППИ обязательно входит их тренировка на выходном контроле завода-изготовителя. Воздействие температурой, напряжением и мощностью при тренировке ускоряет ранние отказы ППИ, что сокращает число отказов ППИ при эксплуатации РЭА [5]. Следует отметить, что в условиях непрерывного усложнения современной РЭА многие потребители ППИ считают применение тренировок на входном контроле, особенно ИС, важнейшим средством повышения качества и надежности РЭА [6-8].
В реальных условиях эксплуатации РЭА ППИ, входящие в ее состав, чаще всего работают периодически, то есть подвергаются внезапной подаче электричества, а затем внезапному его выключению. Поэтому широко используется при электротренировке прерывистый режим, то есть циклическое измене-
ние электрических воздействий «включено/ выключено», названный авторами работы [9] режимом энергоциклирования.
Впервые на практике энергоциклирование стали применять при изготовлении мощных транзисторов в пластмассовых корпусах, а в настоящее время оно широко используется в производстве ППИ при анализе качества пайки кристаллов. Некачественная пайка кристалла при многократных включениях и выключениях обязательно проявится при этом виде тренировки [10]. На мощных транзисторах перепад температуры перехода, соответствующий режимам включения и выключения, составляет более 100 °С.
Для обеспечения высокой устойчивости к термоциклическим нагрузкам необходимо тщательно выбирать режимы пайки и дозу припоя (толщину паяного шва). Ключевая технологическая проблема российских производителей силовых модулей — отсутствие выбора оптимальных способов и режимов пайки. Силовые модули, в состав которых входят СПП, эксплуатируются в крайне жестких условиях: это большие токовые и термические нагрузки, термические циклы, вибрации. Наличие в паяном шве пузырей воздуха и других газов приводит к локальному перегреву термически нагруженных компонентов модуля и выхода его из строя [11, 12].
Основным элементом отвода тепла от полупроводникового кристалла к окружающей среде является паяный участок кристалла с корпусом, то есть физическое соединение между кремнием и корпусом или ножкой, в которую монтируется кристалл. Наличие зазоров или пустот между кристаллом и поверхностью, на которую он крепится, при эксплуатации ППИ приводит к увеличению температуры активной части полупроводниковой структуры, а в конечном итоге — к ухудшению их электрических характеристик. Например, простое увеличение на 10 °С рабочей температуры может привести к увеличению в два раза тока смещения транзистора и к уменьшению в два раза среднего срока службы чувствительного операционного усилителя [13].
Тепловое сопротивление «кристалл-корпус» (Рт кр-к)
Определение теплового сопротивления является одним из методов контроля правильности выбора конструкции или технологического процесса изготовления ППИ. Известно, что из наиболее существенных причин отказов мощных полупроводниковых приборов является повышение теплового сопротивления «кристалл-корпус», приводящего к выходу приборов из строя вследствие теплового пробоя.
В технологии производства ППИ используют четыре основных метода измерения теплового сопротивления: оптический, химический, физический и электрохимический.
Оптический метод заключается в инфракрасном сканировании поверхности полупроводниковой пластины; химический представляет собой процесс измерения, состоящий в нанесении на поверхность полупроводниковой пластины тонкого слоя иницирующе-го температуру вещества (жидкого кристалла); при физическом монтируют термопару (или датчик температуры) непосредственно на поверхность полупроводниковой пластины; электрический заключается в использовании предварительно прокалиброванного и чувствительного к температуре параметра испытуемого прибора. Широкое применение на практике нашли только оптический и электрический методы измерения температуры перехода.
При электрическом методе тепловое сопротивление полупроводникового прибора определяется путем использования последовательности импульсов напряжения и тока как для нагрева прибора, так и для измерения перепада температуры перехода. Чувствительным к температуре является такой параметр, как падение напряжения на открытом диоде, через который пропускается небольшой ток постоянной величины.
Известные методы измерения теплового сопротивления и температуры в полупроводниковом приборе можно разделить на две основные группы.
В первой группе используется импульсный режим измерения избранного температурно-зависимого параметра. При этом испытуемый прибор разогревается за счет подаваемой мощности в течение времени, составляющего основную долю периода, затем разогревающий режим снимается и на прибор подается измерительный режим. В течение этого времени измеряется температурно-зависимый параметр, а по предварительно снятой градуировочной кривой (зависимость параметра от температуры) определяется температура.
Во второй группе измерение температурно-зависимого параметра осуществляется в непрерывном режиме, то есть в том же режиме, в котором задается мощность, разогревающая измеряемый полупроводниковый прибор.
При изготовлении мощных приборов качество монтажа кристаллов проверяют, измеряя тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом и сравнивая его с тепловым сопротивлением эталонного образца. Разница значений более 20% свидетельствует
о низком качестве пайки (наличие воздушных прослоек, оксидных пленок, непропаи и т. п.). Повышение теплового сопротивления «кристалл-корпус» обусловлено, в основном, низким качеством присоединения кристалла. Участки локального повышения температуры кристалла могут привести к отказу, так как развитие теплового пробоя способствует ускорению протекания диффузионных процессов на границе раздела «металлическая
пленка - полупроводник» и электромиграции в тонких металлических пленках.
Тепловое сопротивление Rт — это параметр полупроводникового прибора, характеризующий его способность отводить выделяющееся тепло в теплоотвод или во внешнюю среду. Для маломощных приборов (не имеющих специального теплоотвода) Rт определяется участком «р-п-переход - окружающая среда» [14]:
RT п-ср = (Тп-Тср)/Р>
где Тп — температура перехода; Тср — температура среды; Р — мощность, выделяющаяся в приборе.
Для мощных приборов (имеющих специальный теплоотвод) Rт определяется участком «р-п-переход - корпус»:
RT п-к = (Тя-Тк)/Р,
где Тк — температура корпуса.
Тепловое сопротивление зависит от конструкции прибора (сечение и протяженность теплопроводящих участков) и теплопроводности элементов, составляющих данный прибор, например, 6 °С/Вт для кристалла величиной 1 мм2 и 0,7 °С/Вт для 9-мм мощного кристалла [15].
Разработан [16] экспресс-метод измерения теплового сопротивления «переход - корпус СПП» в корпусном исполнении, при котором полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды, а затем измеряют в процессе нагревания значение его температурного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле.
Для упрощения и повышения точности определения теплового сопротивления транзистора Дарлингтона разработан способ [17], заключающийся в выборе термочувствительного параметра и диапазона времени его измерения. В качестве термочувствительного параметра используется напряжение «коллектор - эмиттер транзистора», а время его измерения после отключения греющей мощности определяется временем выключения транзистора и тепловой постоянной транзисторной структуры.
С целью уменьшения времени измерения, снижения затрат при реализации способа и повышения эффективности технологического процесса контроля способ [16] усовершенствован следующим образом [18]: на интервале нагревания дополнительно измеряют температуру основания корпуса Тк прибора в выбранной точке, запоминают эти значения, получая их зависимость от времени; затем прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении температуры Тк заданного значения и в режиме естественного охлаждения подают на кристалл короткие измерительные импульсы тока с заданной амплитудой и скважностью, не влияющие
Сопротивление сток-исток в открытом СОСТОЯНИИ, Ом
&
£
а
£
Пробивное напряжение диода, В
100
80
60
40
20
0
И
206 207 208 209 210 211 212
Пробивное напряжение диода, В
Рис. 1. Интегральные распределения транзисторов КП767В по параметрам:
а) сопротивление сток-исток в открытом состоянии RCИ' отк (изи = 10 В, 1С = 11 А,хи< 300 мкс);
б) пороговое напряжение изи (исИ = иЗИ, 1с = 250 мкА);
в) постоянное прямое напряжение диода иИс (И = 16 А, изИ = 0 В, хи< 300 мкс);
г) пробивное напряжение диода иси (изИ = 0 В, С = 10 мА, ти < 500 мкс) при напайке кристаллов в водороде на основания корпусов КТ-28-2 (графики слева)
и в формир-газе на основания корпусов КТ-43В (графики справа) с использованием припоев:
1 - ВПр6 (390 °С); 2 - 87,0-89^п/9,0-11,0В^0,8-1^Ь (300 °С);
3 - 95^п/3,8Дд/0,7Си (300 °С); 4 - ПОС10+1%Ад (390 °С)
Примечание. В скобках указана температура пайки.
на тепловое равновесие прибора. После этого измеряют и фиксируют значения термочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая зависимости ип(^) и Тп(^ уже на интервале охлаждения. Длительность интервала охлаждения выбирают из условия выполнения соотношения t >> 3т, где т — наибольшая тепловая постоянная конструкции прибора. Зная момент динамического равновесия на интервале нагрева, по полученным зависимостям вычисляют тепловое сопротивление «переход -корпус» в заданной точке.
Допустимая максимальная температура эксплуатации многих кремниевых ППИ колеблется от 125 до 175 °С. Повышение температуры может повредить элементы гибридной схемы, а также вызвать кратковременное или длительное изменение ее параметров [15, 19]. Конструктор микроэлектронных устройств, а также потребитель должны знать повышенную предельную температуру ППИ, которая зависит от конструкции корпуса и способов отвода тепла от приборов [20, 21].
Большое значение при проектировании ППИ имеет моделирование тепловых режимов. В работах [22, 23] излагаются методы расчета температурных полей на различных конструктивных уровнях элементов РЭА: микросхемы и микросборки, ячейки на печатных платах, блоки.
Типичные значения предельных температур (Ттах, °С) некоторых типов транзисторов приведены в таблице [14, 24].
Таблица. Температура нагрева ППИ
Типы транзисторов Температуры нагрева приборов Гтах, °С
Биполярные кремниевые 200
Биполярные германиевые 85-100
Полевые МДП 150
Полевые с управляющим переходом 125-175
Результаты измерения электрических параметров
Измерения электрических параметров ППИ служат для определения их эксплута-ционных возможностей, а также позволяют косвенным образом судить о внутренних свойствах и особенностях приборов. Эти измерения — составная часть процесса производства ППИ.
Контроль электрических параметров ППИ позволяет решать следующие задачи [25]: контролировать технологические процессы; отбраковывать на ранней стадии производства дефектные приборы; разбраковывать весь выпуск на группы с относительно узкими диапазонами граничных значений основных параметров.
Для исследования влияния качества паяных соединений кристалла с основанием корпуса на электрические параметры транзисторов КП767В пайку проводили в водороде и в фор-мир-газе (смесь газов Н2 и N в соотноше-
нии 15:85) при режимах, обеспечивающих необходимое качество паяных соединений. В качестве припоев использовали (вес. %): ВПр6 (83-86Sn/7,5-8,5Ag/6-8Sb) (температура полного расплавления Тпр = 250 °С); 87,0-89ДОп/9,0-11,0В]/0,8-1^Ь (Т„р = 230 °С); 95^п/ 3,8Ag/0,7Cu (Тпр = 220 °С); П0С10+1% Ag (88-89РЬ/^п/^) (Тпр = 299 °С). При пайке в водороде и формир-газе припои использовались в виде фольги, которая размещалась между кристаллом и основанием корпуса, а ВПр6 — в виде проволоки, только при пайке кристаллов на основания корпусов КТ-43В в формир-газе.
Выбор составов припоев осуществляли из следующих соображений:
• ВПр6 и П0С10 + 1% Ag в настоящее время используются в серийном производстве различных типов СПП и были использованы для сравнения с разработанным новым бессвинцовым припоем состава 87,0-89^п/9,0-11,0ВШ,8-1^Ь (вес. %).
• 95,5Sn/3,8Ag/0,7Cu обладает хорошими паяемыми характеристиками и обеспечивает высокое качество паяных соединений в производстве изделий микроэлектроники (по утверждению отечественной и зарубежной литературы).
Пайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов КТ-28-2 (аналог Т0-220) проводилась в конвейерной водородной печи 105А-72М. Температура в зоне пайки подде-
рживалась в пределах 300 ±5 и 390 ±5 °С в течение 3-4,5 мин (в зависимости от скорости движения кассеты с собранными приборами). Для напайки кристаллов на основания корпусов КТ-43В (аналог ТО-247) в формир-газе использовалась установка ЭМ-4085-14М, которая позволяет осуществлять полную автоматизацию всех операций, включая подачу корпусов, выбор годных кристаллов с полупроводниковой пластины и присоединение кристаллов. Температура в зоне пайки поддерживалась в пределах 300 ±5 °С и 390 ±5 °С в течение 5-10 с. Для экспериментов было изготовлено 8 партий приборов по 20 штук в каждой партии.
После напайки кристаллов внутренние выводы присоединялись ультразвуковой сваркой на установке УС.ИММ-61 при режимах, обеспечивающих получение максимальной прочности микросоединений. В качестве вывода истока использовали проволоку марки А0ЦПоМ-400 (ТУ 6365-051-46594157-2004), в качестве вывода затвора — проволоку марки АК 0,9 ПМ-100 (ТУ 6365-051-46594157-2004).
Испытания на воздействие изменения температуры среды (термоциклирование) проводились в камере тепла (125 ±5 °С) и холода (-60 ±3 °С): количество циклов — 5; время воздействия температуры в каждой из камер для каждого цикла — 30 мин; время переноса из камеры в камеру — не более 2 мин. Устойчивость к энергоциклам проверялась согласно ГОСТ В 28146-89 на режиме тока истока 1И = 3 А.
На транзисторах после проведения сборки, термоциклирования и энергоциклов замерялись следующие электрические параметры: сопротивление сток-исток в открытом состоянии (Rca отК), пороговое напряжение ( иш пор), постоянное прямое напряжение диода (ияс), пробивное напряжение диода (ися).
На рис. 1 представлены результаты измерений электрических параметров транзисторов КП767В (после 10 000 энергоциклов), пайку кристаллов в которых проводили в водороде и в формир-газе с использованием различных припоев и корпусов.
Установлено, что способы и режимы напайки кристаллов на основания корпусов КТ-28-2 и КТ-43В практически не влияют на электрические параметры транзисторов КП767В. Все исследуемые приборы (после сборки, термоцик-лирования и 10 000 энергоциклов) имеют электрические параметры в пределах допустимых значений (согласно ТУ). Некоторое изменение электрических параметров связано, по-видимому, с процессами, происходящими в кристалле.
Таким образом, рассмотренные выше электрические параметры транзисторов нельзя однозначно использовать при оценке качества напайки кристаллов к основаниям корпусов. В практике производства ППИ одним из основных параметров оценки качества напайки кристалла к основанию корпуса является определение теплового сопротивления «кристалл-корпус».
Результаты измерения Рт кр-к
При решении вопроса о надежности паяных соединений, наряду с выбором припоев, способов и режимов пайки, необходимо учитывать состав и свойства паяемых покрытий. К покрытиям предъявляются следующие основные требования: они должны обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами; сохранять способность к пайке и сварке при заданном сроке хранения; обеспечивать антикоррозионную защиту; не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации [26].
При сборке транзисторов типа КП767В на паяемую поверхность кристалла напылялась пленка Ag толщиной 0,2 мкм, а на корпуса из медных сплавов наносилось никелевое покрытие толщиной 3-4 мкм.
Основной целью никелирования является защита основного металла от коррозии и повышение поверхностной твердости. Для покрытия корпусов приборов (в случае пайки кристаллов в защитной среде) используется химическое никелирование. Химические никелевые покрытия намного тверже электрохимических. Повышенная твердость покрытий во многом зависит от содержания фосфора в осажденных никелевых сплавах и режимов осаждения.
Химическое никелирование осуществлялось на медные корпуса из следующего раствора (г/л): никель двухлористый — 20; натрий фосфорноватистокислый — 25; кислота аминоуксусная — 15; натрий уксуснокислый — 10. Время осаждения покрытия толщиной 4 мкм составляло 40-50 мин при температуре раствора 82.85 °С.
Был проведен рентгеноспектральный микроанализ поверхностного слоя толщиной 600 А никелевых покрытий, нанесенных на медные корпуса, на трех образцах после отжига в водороде при температуре 390 ±20 °С в течение трех минут (режимы пайки кристаллов на основания корпусов в конвейерной печи). Количественный анализ распределения химических элементов (вес. %) на поверхности никелевого покрытия показал следующие результаты: образец № 1 — 88,1№/8,3Р/3,6Си; образец № 2 — 88,8№/8,3Р/2,9Си; образец № 3 — 89,4№/7,8Р/2,8Си.
В работе [27] утверждается, что содержание фосфора в никелевых покрытиях в количестве 5-7 % ухудшает образование паяных соединений. Этот вопрос является спорным, так как автор не приводит сведения паяе-мости данных никелевых покрытий в зависимости от способов пайки, марки припоя, методов подготовки паяемых поверхностей к операции пайки.
В настоящее время корпуса с никелевыми покрытиями широко используются в производстве СПП при пайке кристаллов различными способами с использованием бессвин-
цовых припоев (ВПр6 и др.) и припоев, содержащих свинец (П0С40, ПОС10+ 1%Ag и др.)
Проведенные нами исследования паяе-мости корпусов с никелевым покрытием припоями П0С40, ПОС10+1%Ag, ВПр6 в водороде, вакууме и формир-газе показали хорошее смачивание. Кроме того, УЗС алюминиевой проволоки с данным покрытием на траверсах корпусов обеспечивает высокое качество соединений (при оценке прочности соединений А1-№ методом натяжения вывода разрушение происходит по проволоке или по участку перехода сварного соединения в проволоку («по шейке»)).
В то же время фосфор в определенных концентрациях улучшает смачиваемость паяемой поверхности припоем при температуре пайки (фосфор является добавкой при изготовлении самофлюсующихся припоев). В связи с этим, выбор оптимального количества фосфора на паяемых никелевых покрытиях, обеспечивающего необходимое качество соединений при пайке в контролируемых средах с использованием различных припоев, требует дополнительных исследований.
Для определения теплового сопротивления «кристалл-корпус» ^т к-к) монтаж кристаллов транзисторов КП767В к основаниям корпусов КТ-28-2 и КТ-43В осуществляли различными способами (пайка в водороде и формир-газе) с использованием четырех типов припоев:
1 — ВПр6; 2 — 87,0-89Д>п/9,0-11,0В]/0,8-1^Ь; 3 — 95^п/3,8А^0,7Си; 4 — П0С10 + 1% А&
При анализе качества паяных соединений использовался метод рентгеновской дефектоскопии (после сборки, термоциклирова-ния и 10 000 энергоциклов) и по поперечным шлифам (после 10 000 энергоциклов).
Контроль теплового сопротивления транзисторов в различных корпусах проводился с помощью измерительного стенда ОМ.006.307.
Исследования качества напайки кристаллов на основания корпусов осуществлялись методами рентгеновской дефектоскопии на установке типа РУП-150/300 с использованием пленки Р5. Для изготовления поперечных сечений паяных соединений кристалла с основанием корпуса применяли специальное приспособление. Металлографические исследования шлифов паяных соединений осуществлялись на микроскопе Neophot 21.
На рис. 2 представлены результаты измерений тепловое сопротивление «кристалл-корпус» Rт кр_к транзисторов КП767В, пайку кристаллов в которых проводили в водороде и в формир-газе с использованием различных припоев.
На графиках (рис. 2) видно, что все исследуемые приборы по параметру Rт кр_к находятся в пределах допустимых значений (согласно ТУ).
Среднее значение теплового сопротивления «кристалл-корпус» Rт кр_к приборов, изготовленных с использованием разработанного припоя 87,0-89деп/9,0-11,0В]/0,8-1^Ь (вес. %) [28], составило:
Тепловое сопротивление «кристалл-корпус», °С/Вт
100 4 100-1
as / /
m 80 80-
О. / 3 /
\о £ 60 / 60-
/
S 40- / 40-
« /
5 О 20 / / 20-
/
о- / 0-
0,7 0,8 0,9 1,0
Тепловое сопротивление «кристалл—корпус», °С/Вт
0
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Тепловое сопротивление «кристалл-корпус», *С/Вт
Рис. 2. Интегральные распределения транзисторов КП7б7В по параметру тепловое сопротивление «кристалл-корпус» Rt^-k при напайке кристаллов: графики слева — в водороде на основания корпусов КТ-28-2; графики справа — в формир-газе на основания корпусов КТ-43В с использованием припоев: 1 — ВПрб (39O 0С);
2 - 87,O-89,OSn/9,O-11,OBi/O,8-1,2Sb (3OO 0С); 3 - 95,5Sn/3,8Ag/O,7Cu (3OO 0С); 4 - nCdO+1%Ag (39O 0С); а) после сборки и термоциклирования; б) после 1O OOO энергоциклов
Установлено, что приборы, изготовленные с использованием нового припоя 87,0-89^п/ 9,0-11,0ВУ0,8-1^Ь (вес. %), по всем параметрам соответствуют нормам ТУ. Среднее значение теплового сопротивления «кристалл-корпус» составило 0,84 °С/Вт после сборки и 1,04 °С/Вт после 10 000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-28-2; 0,59 °С/Вт после сборки и 0,64 °С/Вт после 10 000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-43В. Незначительное увеличение теплового сопротивления «кристалл-корпус» ^т кр-к) после 10 000 энергоциклов свидетельствует о пластичности паяных соединений, что повышает надежность приборов в целом.
На этапе разработки технологии сборки новых изделий, а также на стадии серийного производства приборов с целью управляемости технологическим процессом пайки кристаллов к корпусам необходимо проводить измерения теплового сопротивления контактов с одновременным анализом рентгенограмм паяных швов исследуемых приборов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 08-08-99033.
• 0,84 °С/Вт после сборки и 1,04 °С/Вт после 10 000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-28-2;
• 0,59 °С/Вт после сборки и 0,64 °С/Вт после 10 000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-43В.
Незначительное увеличение теплового сопротивления «кристалл-корпус» кр_к)
после 10 000 энергоциклов свидетельствует о пластичности паяных соединений, что повышает надежность СПП в целом (рис. 3).
На рис. 4 представлены рентгенограммы паяных соединений кристаллов (5,2х4,6 мм2) транзисторов КП767В с основаниями корпусов КТ-28-2 и КТ-43В.
Анализ полученных результатов и выводы
Проанализировано влияние способов и режимов напайки кристаллов на электрические параметры транзисторов КП767В, собранных в корпусах КТ-28-2 и КТ-43В. Установлено, что способы и режимы напайки кристаллов на основания корпусов КТ-28-2 и КТ-43В практически не влияют на электрические параметры транзисторов КП767В. Все исследуемые приборы (после сборки, термоциклирования и 10 000 энергоциклов) имеют электрические параметры в пределах допустимых значений (согласно ТУ). Некоторое изменение электрических параметров связано, по-видимому, с процессами, происходящими в кристалле.
Анализ результатов измерений электрических параметров данных транзисторов показал, что эти параметры нельзя однозначно использовать при оценке качества напайки кристаллов на основания корпусов. В производстве СПП одним из основных параметров оценки качества напайки кристалла на основание кор-
пуса является определение теплового сопротивления «кристалл-корпус» (Rt rp_r).
Rtrp-r транзисторов КП767В, собранных в корпуса КТ-28-2 и КТ-4ЗВ с использованием рассматриваемых припоев в водороде и фор-мир-газе, находится в пределах допускаемых значений по ТУ. Однако площадь непропаев в паяных швах больше у транзисторов, пайка которых осуществлялась в водороде (корпус КТ-28-2), по сравнению с пайкой кристаллов в формир-газе (корпус КТ-4ЗВ). Кроме того, анализ поперечных шлифов соединений кристалла с корпусом показал, что пайка в фор-мир-газе обеспечивает одинаковую толщину паяного шва по всей площади кристалла.
Очевидно пайка кристаллов в корпуса КТ-28-2 в формир-газе (с притиркой кристалла к основанию корпуса) должна снизить Rt rp_r. Это предположение требует проведения дополнительных исследований.
Литература
1. Колпаков А. О термоциклах и термоциклирова-нии // Силовая электроника. 2006. № 2.
2. Горлов М. И., Королев С. Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1995.
3. Золотухина О. М., Жучкова В. В. Дефекты в зоне пайки — причина разрушения кристаллов БИС // Электронная промышленность. 1994. № 4-5.
4. Золотухина О. М., Жучкова В. В., Колбенков А. А. Прогнозирование надежности сборки БИС // Электронная промышленность. 1994. № 4-5.
5. Горлов М. И., Коваленко П. Ю. Отбраковочные технологические испытания как средство повышения надежности выпускаемых партий интегральных схем // Петербургский журнал электроники. 1999. № 3.
6. Петрунин И. Е., Лоцманов С. Н., Николаев Г. А. Пайка металлов. М.: Металлургия, 1973.
Тепловое сопротивление «кристалл-корпус», ‘С/Вт
Рис. 3. Интегральное распределение транзисторов КП7б7В по параметру тепловое сопротивление «кристалл-корпус», Rr^ при различных способах напайки кристаллов с использованием припоя 87,O-89,OSn/9,O-11,OBi/O,8-1,2Sb (3OO 0С):
1 — в формир-газе на основания корпусов КТ-43В (после сборки и термоциклирования);
2 — в формир-газе на основания корпусов КТ-43В (после 1O OOO энергоциклов);
3 — в водороде на основания корпусов КТ-28-2 (после сборки и термоциклирования);
4 — в водороде на основания корпусов КТ-28-2 (после 1O OOO энергоциклов)
Рис. 4. Рентгенограммы паяных соединений кристаллов транзисторов КП767В с основаниями
корпусов КТ-28-2 (слева — пайка в водороде) и КТ-43В (справа — пайка в формир-газе) с использованием припоев:
а) ВПр6 (390 °С); б) 87,0-89^п/9,0-11,0Ві/0,8-1^Ь (300 °С);
в) 95^п/3,8Ад/0,7Си (300 °С); г) ПОС10+1%Ад (390 °С)
Примечание. На рентгенограммах указаны значения кр.к (°С/Вт) после сборки и термоциклирования/после 10 000 энергоциклов.
7. Козлов Ю. И. Влияние толщины сплавного шва в соединении кремниевого диска с термокомпенсатором на стойкость вентиля в режиме перегрузки импульсов прямого тока // Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника. 1971. № 20.
8. Горлов М. И. Тренировка изделий электронной техники и блоков с их применением. Воронеж: Препринт НИИБВ, 1991.
9. Горлов М. И., Коваленко П. Ю. Тренировка ИЭТ и электронных блоков с их применением // Петербургский журнал электроники. 2001. № 2.
10. Баюков А. В. Полупроводниковые приборы в пластмассовых корпусах // Зарубежная электронная техника. 1979. № 7.
11. Колпаков А. Новые технологии расширяют горизонты силовой электроники // Компоненты и технологии. 2007. № 4.
12. Колпаков А. Новые технологии силовой электроники // Компоненты и технологии. 2007. № 5.
13. Зигель Б. Электрический метод быстрой проверки качества напайки кристалла // Электроника. 1979. № 8.
14. Тугов Н. М., Глебов Б. А., Чарыков Н. А. Полупроводниковые приборы / Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.
15. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление / Пер. с англ. М.: Мир, 1985.
16. Гарцбейн В. М. Экспресс-метод определения теплового сопротивления силовых модулей // Электроника. 2000. № 12.
17. Авт. св. 1681283 СССР, МКИ5 G 01 R 31/26. Способ определения теплового сопротивления транзистора Дарлингтона / Г. М. Семенов, А. В. Матанов, Ю. П. Сидоренко. Опубл. 30.09.91. Бюл. № 36.
18. Патент № 2240573 RU, G01R 31/26. Экспресс-метод измерения теплового сопротивления переход - корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении / С. Н. Флоренцев, В. М. Гарцбейн, С. В. Иванов, Н. Ф. Марамыгин, Л. В. Романовская. Опубл. 20.11.2004. Бюл. № 35.
19. Захаров А. Л., Асвадурова Е. И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: метод эквивалентов. М.: Радио и связь, 1983.
20. Скопенко А. И. Упругопластические деформации в многослойных паяных соединениях полупроводниковых приборов при циклических тепло-сменах // Автоматическая сварка. 1974. № 3.
21. Ловцов Д. П. Влияние качества контактов на циклостойкость и тепловое сопротивление силовых полупроводниковых приборов // Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника. 1975. № 5.
22. Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сигалов А. В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990.
23. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высшая школа, 1984.
24. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств / Справочник. М.: Радио и связь, 1991.
25. Аронов В. Л., Федотов Я. А. Испытание и исследование полупроводниковых приборов / Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1975.
26. Тюхин А. А., Чернышов А. А., Лындаева Л. И. Требования к покрытиям корпусов ИС и ПП в зарубежной технике // Сб. матер. науч.-техн. семинара «Перспективные покрытия электрических соединений и корпусов для ИС и НИ», 1991.
27. Манко Говард Г. Пайка и припои. М.: Машиностроение, 1968.
28. Решение на выдачу патента РФ на изобретение. Бессвинцовый припой для пайки изделий микроэлектроники / В. В. Зенин, Д. И. Бокарев, А. Н. Кастрюлев, А. С. Ткаченко, О. В. Хишко. Заявка № 2007140019/02 (043810) от 29.10.2007.
