A sinterização de chips/substratos é obtida utilizando partículas especiais de prata que, sob certas condições, produzem ligações sinterizadas, resultando numa ligação fiável entre as peças. A Figura 1 mostra as partículas de prata antes e depois do processo de sinterização. É importante referir que cada uma destas partículas está envolvida por uma camada de um material especial. O processo de ligação é simples, sendo apenas necessário um número suficiente de partículas para atingir a espessura desejada da camada de ligação e a aplicação da temperatura e pressão adequadas durante um período de tempo específico. O resultado é uma ligação muito estável. No entanto, este processo básico precisa de ser melhorado para aplicação industrial.
Nos últimos anos, os esforços têm-se centrado na industrialização desta tecnologia. Foi desenvolvida uma pasta para utilização como material inicial na sinterização. Além disso, foram desenvolvidas as ferramentas necessárias para sinterizar substratos cerâmicos multi-chip (DCBs) no formato 5" x 7". A prensa utilizada no processo de sinterização foi concebida para suportar diferentes pressões de carga, dependendo do processo de sinterização.
Além disso, o pessoal responsável pelo processo recebeu formação e foram implementadas medidas de melhoria contínua.

 

A resistência da ligação de contacto obtida com a camada sinterizada entre os chips e o substrato é excecionalmente elevada. As juntas sinterizadas demonstram uma elevada resistência aos ciclos de carga em testes de fiabilidade. Outra vantagem da tecnologia de sinterização é a precisão significativamente maior, na ordem dos 50 µm, na posição dos chips em relação ao substrato. Em comparação, a tecnologia de soldadura atual atinge uma precisão posicional de apenas 400 µm.
Considerando a espessura da camada sinterizada, esta é quatro a cinco vezes mais fina que a camada soldada e apresenta uma condutividade térmica quatro vezes superior. O resultado é que a junta sinterizada apresenta excelentes propriedades térmicas. As camadas sinterizadas também apresentam um melhor desempenho sob ciclos de carga porque o ponto de fusão do material de prata utilizado na sinterização é quatro vezes superior ao ponto de fusão do material de enchimento utilizado no processo de soldadura (ver Tabela 1). A estabilidade a altas temperaturas da junta sinterizada indica que a junta não se deteriora com o tempo.

Aplicação da Tecnologia de Sinterização:
A tecnologia de sinterização foi empregue nos módulos IGBT SKiM®, utilizados em aplicações que vão desde os 22 kW até aos 150 kW. O SKiM® possui uma resistência a ciclos térmicos até cinco vezes superior aos módulos convencionais com terminais de cobre e solda. Em vez de soldar o substrato cerâmico, necessário para isolar o módulo, ao terminal de cobre, este foi eliminado utilizando-se a tecnologia de contacto por pressão na fixação do módulo ao dissipador de calor (ver Figura 3). A pressão é aplicada em vários pontos junto a cada chip, garantindo uma distribuição uniforme da pressão por toda a superfície do substrato cerâmico. A eliminação do terminal de cobre resulta num melhor desempenho em ciclos térmicos e numa menor resistência térmica. A Figura 3 mostra uma secção transversal da carcaça do módulo, o sistema de contacto por pressão e os contactos de mola para as ligações de controlo.
A eliminação de todas as ligações soldadas faz da família de módulos SKiM o primeiro módulo 100% sem solda disponível no mercado. A combinação da tecnologia de sinterização, da tecnologia de contacto por pressão e de um design sem soldadura de cobre garante uma capacidade de ciclagem térmica cinco vezes superior à dos módulos soldados com bases de cobre.

Nos últimos 15 anos, as temperaturas de funcionamento permitidas para os chips têm vindo a aumentar constantemente. Atualmente, os módulos que incorporam a mais recente tecnologia de chips, como o IGBT4/CAL4, podem operar a temperaturas máximas até 175 °C. No futuro, a utilização de carboneto de silício apresentará maiores desafios para a obtenção de junções estáveis ​​e resistentes a ciclos térmicos, dado que a temperatura de funcionamento dos componentes baseados em carboneto de silício pode atingir os 300 °C.
É por isso que a tecnologia de sinterização desenvolvida pela Semikron é perfeitamente adequada a estas elevadas gamas de temperatura de funcionamento. Isto porque o ponto de fusão da junção sinterizada é de 961 °C, aproximadamente 740 °C superior ao da junção soldada habitualmente utilizada atualmente.
Esta estabilidade da junção a altas temperaturas impede a degradação. Diversos testes de fiabilidade e de vida útil demonstraram a robustez da junção sinterizada.
Ao longo do tempo, as áreas de aplicação para os semicondutores de potência mudaram drasticamente. No passado, os módulos semicondutores eram utilizados apenas em locais acessíveis, montados dentro de armários onde o ambiente era altamente controlado.

 

 

Atualmente, os módulos semicondutores são utilizados em aplicações móveis, por exemplo, em veículos com condições ambientais extremas, temperaturas superiores a 110 °C, etc. O desafio atual é garantir que o módulo semicondutor possa operar de forma fiável nestas condições adversas.

 

 

 

 

 

O Futuro da Sinterização:
A tecnologia de sinterização desenvolvida pela SEMIKRON é fundamental para o fabrico de módulos de potência mais potentes, fiáveis ​​e com maior vida útil. Os mesmos princípios aplicados no fabrico do módulo SKiM – eliminação da camada de cobre, sistema de contacto por pressão e tecnologia de sinterização – foram aplicados ao desenvolvimento da 4ª geração do módulo de potência inteligente SKiiP, utilizado na geração de energia eólica e solar, tração de autocarros, metros e outras aplicações.

Os benefícios da tecnologia de sinterização também se aplicam à 4ª geração do SKiiP: capacidade de ciclagem térmica cinco vezes superior à dos módulos convencionais, ligação estável entre o chip e o substrato cerâmico e o dobro da capacidade de ciclos de carga dos módulos standard.