Источник АО «Протон-Электротекс»
В статье обсуждаются аспекты повышения надежности силовых полупроводниковых приборов с диаметром полупроводникового кристалла 80 мм и более за счет применения технологии низкотемпературного соединения кремниевых кристаллов и молибденовых дисков с использованием наночастиц серебра. Исследована связь пористости получаемого соединительного шва и циклостойкости экспериментальных образцов, определена область оптимальных давлений и температур технологического процесса соединения.
Введение
Технология низкотемпературного спекания (синтеринга) в настоящее время активно применяется в полупроводниковой силовой электронике [1, 4]. Одним из перспективных направлений является использование этой технологии для соединения полупроводникового кристалла, молибденовых дисков тиристоров и диодов высокой и сверх-высокой мощности, имеющих характерный размер кремниевого кристалла 80–150 мм.
Опыт применения технологии синтеринга в производстве мощных однокристальных тиристоров и диодов показывает наличие преимуществ у этой технологии, к которым относится повышенная циклостойкость [3–4], меньшее тепловое сопротивление [2–4], а также большие значения ударного тока [1]. Кроме того, важным преимуществом этой технологии является отсутствие растворения поверхностных слоев кремниевого кристалла и меньший разброс коэффициента инжекции эмиттерного слоя по площади [6]. В настоящее время наблюдается тенденция перехода на серебросодержащие материалы на основе наночастиц. Применение этих материалов позволяет уменьшить давление и температуру в процессе синтеринга за счет большей свободной энергии у наночастиц. В свою очередь, большое значение свободной энергии может приводить к внутренним механическим напряжениям при спекании, которые можно уменьшить, повышая пористость шва, однако это порождает ряд других проблем, рассматриваемых ниже.
Таким образом, для производства силовых полупроводниковых приборов с полупроводниковым кристаллом 80 мм и более важно найти баланс между минимальными значениями давления и температуры в процессе синтеринга и пористостью получаемого соединения.
Механизм синтеринга
Технология синтеринга основана на принципах диффузионной сварки и пластической деформации частиц серебра. При этом движущей силой синтеринга является запас свободной энергии на поверхности частиц серебра. Основной моделью синтеринга является модель Mackenzie Shuttleworth [5]:
где γ – свободная поверхностная энергия; r0 – начальный радиус сферической поры; ρ0 – начальная пористость; η(T) – зависимость вязкости шва от температуры.
При этом с уменьшением размеров частиц серебра увеличивается значение их свободной энергии (см. табл.).
Увеличение свободной энергии позволяет снизить температуру в процессе синтеринга. В свою очередь, уменьшение температуры положительно сказывается на величине остаточных деформаций в кремниевой структуре. Однако за счет очень высокой свободной энергии спекание происходит весьма интенсивно, что может привести к внутренним механическим напряжениям при спекании и растрескиванию шва. Предотвратить это нежелательное последствие можно, повысив пористость соединения, т. к. при этом повышается его эластичность (уменьшается модуль Юнга). Но повышение пористости соединения ухудшает теплопроводность шва, что может негативно сказаться на тепловом сопротивлении прибора.
Существует еще один негативный эффект, специфичный только для тиристоров и диодов с кристаллом большой площади, которые монтируются в таблеточные корпусы. При термоциклировании таких приборов тангенциальные механические усилия передаются от верхнего и нижнего медных оснований на полупроводниковый элемент посредством сил трения. При этом молибденовый термокомпенсатор, который является составной частью полупроводникового элемента, компенсирует эти воздействия. Однако уменьшение модуля Юнга соединения приводит к тому, что молибденовый термокомпенсатор перестает выполнять свою функцию и кремниевая пластина разрушается.
Применительно к полупроводниковым приборам с диаметром кремниевого кристалла более 80 мм требуется обеспечить такую пористость соединения, при которой исключено возникновение внутренних напряжений при спекании, но критически не ухудшается тепловое сопротивление и механическая прочность шва.
Экспериментальные образцы
Для получения зависимости циклостойкости от пористости соединения и определения области оптимальных температур и давлений процесса синтеринга были изготовлены экспериментальные образцы тиристоров TFI393–2500–28 с полупроводниковым элементом диаметром до 100 мм, рассчитанные на повторяющееся обратное напряжение 2800 В и средний ток 2500 А. В качестве синтерматериала использовались серебросодержащие пленки на основе наночастиц серебра. Образцы изготавливались в следующих режимах синтеринга: диапазон температур 195–235°C и диапазон давлений 5–20 МПа.
Повышение надежности силовых биполярных приборов
На рисунке 1 представлена полученная нами зависимость пористости соединения от режимов низкотемпературного соединения.
На экспериментальных приборах были проведены испытания стойкости к термоциклам в следующем режиме: перепад температуры 25–150°C (125°C), количество циклов – 100. Были получены следующие результаты (см. рис. 2):
– циклостойкость образцов, изготовленных при температуре менее 220°C, не превышала 10–15 циклов, т. е. пористость полученного соединения была явно избыточна;
– циклостойкость образцов, изготовленных при температурах 220–235°C и давлении не более 10 МПа, также не превышала 10–15 циклов;
– увеличение давления в процессе синтеринга свыше 12 МПа приводит к резкому росту циклостойкости;
– для образцов, изготовленных в режимах 20 МПа/235°C, не наблюдалось разрушение и деградация характеристик после циклирования.
Полученные результаты удается достаточно хорошо совместить с изменениями пористости шва, образованного при разных режимах синтеринга (см. рис. 3). Из этого рисунка видно, что для приемлемой циклостойкости пористость шва не должна превышать 7%.
Эти результаты позволяют сделать прогноз относительно области давлений и температур, где синтеринг использованного наноматериала обеспечивает циклостойкое соединение кремний–молибден для элементов тиристоров и диодов с большой площадью кристалла (см. рис. 4).
Выводы
Исследовано влияние режима синтеринга с использованием наночастиц серебра на пористость и циклостойкость шва, получаемого при соединении кремниевых кристаллов большой площади с молибденовыми дисками. Показана связь циклостойкости полученных экспериментальных образцов с пористостью шва. Кроме того, показано, что необходимым требованием для обеспечения циклостойкости тиристоров и диодов с кристаллом большой площади, смонтированных в таблеточные корпусы, является пористость шва не более 7%. Определена область температур и давлений при синтеринге серебросодержащих материалов на основе наночастиц, где можно прогнозировать высокую циклостойкость шва в применении к описанным выше приборам.