МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ЛЕНТА ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО МОНТАЖА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Предлагаемая заявка на полезную модель относится к материалам, используемым для монтажа внутренних соединений кристалла с корпусом в производстве силовых полупроводниковых приборов (СПП).
Устойчивость полупроводниковых изделий к воздействию проникающей радиации в значительной степени зависит от материалов кристаллов, корпусов, внутренних выводов и технологии сборочных операций.
Повреждение металлических соединений происходит вследствие поглощения рентгеновского и гамма-излучения. При этом образуются различные дефекты в виде оплавления и разрушения контактов до полного испарения металла. Поэтому при сборке полупроводниковых приборов, особенно силовых, для формирования межсоединений используют металлы с атомным номером не выше, чем у кремния. С этой точки зрения наиболее стойким к радиации является алюминий.
В производстве СПП для внутреннего монтажа используется большая номенклатура многослойных металлических лент [1]. Основной недостаток данных материалов недостаточная радиационная стойкость.
Для ультразвуковой сварки (УЗС) внутренних выводов СПП рекомендуется [2] алюминиевая лента шириной от 2 мм и толщиной порядка 300 мкм.
Недостатком УЗС такой ленты является тройная интегральная энергия, приложенная к сварному соединению (повышенные давление сварочного инструмента, мощность ультразвукового генератора установки и время сварки).
Кроме того, большая разница коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) материалов алюминия и кремния может привести при термоциклировании к образованию трещин вдоль поверхности раздела ленты с алюминиевой металлизацией контактной площадки. Данный фактор снижает надежность внутренних соединений СПП, особенно в автомобильной электронике и спецтехнике.
Наиболее близким по технической сущности заявляемого патента на полезную модель являются алюминиевые ленточные выводы для монтажа мощных полупроводниковых приборов с использованием УЗ-систем повышенной частоты до 110 кГц [3].
В качестве недостатка следует отметить, что при УЗС ленты в зоне контакта «лента-алюминиевая металлизация» наблюдаются дефекты в вине несплошностей (пор). Следует отметить, что при УЗС (сварка в твердой фазе) такие дефекты являются характерными и могут составлять 50-60% от площади сварного соединения.
Полезная модель направлена на повышение надежности внутренних соединений алюминиевой ленты с алюминиевыми контактными площадками кристалла/корпуса СПП. Технический результат достигается тем, что для внутреннего монтажа СПП используется металлическая лента, состоящая из чистого алюминия, с целью повышения надежности внутренних соединений алюминиевой ленты с алюминиевыми контактными площадками кристалла/корпуса СПП на поверхность алюминиевой ленты, контактирующей при сборке с алюминиевыми контактными площадками кристалла/корпуса, наносят цинковое покрытие.
Внутренний монтаж СПП такой лентой осуществляют следующим образом. На сборку поступают готовые кристаллы с алюминиевой металлизацией на контактных площадках. Кристаллы в ориентированном положении относительно траверс корпуса любым известным способом закрепляют на монтажную площадку корпуса. При этом на траверсах корпуса уже сформирована алюминиевая металлизация.
Предварительно на поверхность алюминиевой ленты, которая контактирует при сборке с алюминиевыми контактными площадками кристалла/корпуса, наносят цинковое покрытие определенной толщины. В случае нанесения цинкового покрытия на обе поверхности ленты происходит при сборке взаимодействие расплавленного цинка с рабочей площадкой электрода. Данное обстоятельство снижает стойкость электрода, так как требуется периодическая зачистка его рабочей площадки.
2
2
После совмещения ленты с алюминиевой контактной площадкой кристалла осуществляют локальный нагрев зоны соединения любым известным способом (расщепленный электрод, V-образный электрод и т.д.) до температуры 419-440°С в защитной среде, например, формир-газе (15% Н + 85% N). При данной температуре расплавленный цинк смачивает паяемую поверхность алюминиевой контактной площадки кристалла, что способствует образованию паяных эвтектических соединений Al-Zn (температура эвтектики 382°С) как со стороны алюминиевой ленты, так и со стороны алюминиевой контактной площадки кристалла.
Нагрев при пайке в интервале температур 419-440°С способствует расплавлению цинка (температура плавления Zn 419°С) и лучшему смачиванию им паяемых поверхностей ленты и кристалла. Нагрев при температуре выше 440°С может вызвать необратимые процессы в структуре кристалла, например, кремния.
При соответствующих технологических приемах, например, воздействии на электрод ультразвуковых или низкочастотных колебаний, возможно формировать паяные соединения без пор, т.е. площадь паяного шва получать соизмеримой с площадью соединения ленты с алюминиевой контактной площадкой кристалла. Отсутствие в соединении «лента-кристалл» дефектов в виде пор улучшает теплоотвод от кристалла к корпусу, что повышает надежность внутренних соединений СПП при эксплуатации.
После пайки ленты к кристаллу она перемещается на позицию пайки на траверсе корпуса.
При завершении процесса пайки зона паяного соединения алюминиевой ленты с кристаллом/корпусом представляет собой структуру, состоящую из эвтектических соединений Al-Zn на границе ленты с кристаллом/корпусом и чистого Zn в центре шва.
Известно, что Zn наряду с Au, Ag и Sn обладает особой пластичностью, поэтому наличие Zn в центре паяного шва ленты с алюминиевыми контактными площадками кристалла/корпуса при термоциклировании способствует релаксации напряжений в зоне соединения.
Таким образом, образование трещин вдоль поверхности раздела соединяемых материалов не произойдет, что способствует повышению надежности внутренних соединений СПП.
Следует отметить, что данные паяные соединения на кристалле/корпусе повышают (до 382°С) температуру эксплуатации СПП. Это особенно важно для радиационно-стойких СПП, например, на основе карбида кремния.
Предлагаемая алюминиевая лента с цинковым покрытием позволит повысить надежность внутренних соединений на кристалле/корпусе СПП.
Источники информации
1. И.С. Болгов. Металлические материалы для электроники // Электронная промышленность, 1996, №3, с. 89.
2. Сергей Валев. Ультразвуковая сварка силовых приборов плоской алюминиевой лентой (HARB): эффективность, производительность и некоторые проблемы // Силовая электроника, 2007, №3, с. 133.
3. Владимир Ланин, Сергей Волкенштейн, Игорь Петухов, Александр Хмыль. Монтаж ленточными перемычками мощных полупроводниковых приборов // Компоненты и технологии, 2009, №1, с. 122, 123.