Спекание микросхем и подложек достигается с помощью специальных частиц серебра, которые при определенных условиях образуют спеченные соединения, обеспечивающие надежное соединение между деталями. На рисунке 1 показаны частицы серебра до и после процесса спекания. Важно отметить, что каждая из этих частиц окружена слоем специального материала. Процесс спекания прост и требует лишь достаточного количества частиц для достижения желаемой толщины связующего слоя, а также применения соответствующей температуры и давления в течение определенного периода времени. В результате получается очень стабильное соединение. Однако этот базовый процесс нуждается в усовершенствовании для промышленного применения.
В последние годы усилия были сосредоточены на индустриализации этой технологии. Была разработана паста для использования в качестве исходного материала при спекании. Кроме того, были разработаны необходимые инструменты для спекания многокристальных керамических подложек (DCB) формата 5" x 7". Пресс, используемый в процессе спекания, был разработан таким образом, чтобы выдерживать различное давление нагрузки в зависимости от процесса спекания.
Кроме того, персонал, ответственный за этот процесс, прошел обучение, и были внедрены меры по постоянному совершенствованию.

 

Прочность контактного соединения, достигаемая с помощью спеченного слоя между чипами и подложкой, исключительно высока. Спеченные соединения демонстрируют высокую устойчивость к циклам нагрузки в испытаниях на надежность. Еще одним преимуществом технологии спекания является значительно большая точность, порядка 50 мкм, в положении чипов относительно подложки. Для сравнения, современная технология пайки обеспечивает точность позиционирования всего 400 мкм.
Учитывая толщину спеченного слоя, он в четыре-пять раз тоньше паяного слоя и обладает в четыре раза лучшей теплопроводностью. В результате спеченное соединение демонстрирует превосходные тепловые свойства. Спеченные слои также лучше работают при циклах нагрузки, поскольку температура плавления используемого при спекании серебра в четыре раза выше, чем температура плавления припоя, используемого в процессе пайки (см. Таблицу 1). Высокотемпературная стабильность спеченного соединения указывает на то, что соединение не ухудшается со временем.

Применение технологии спекания:
Технология спекания использована в модулях SKiM® IGBT, применяемых в системах мощностью от 22 кВт до 150 кВт. Модули SKiM® обладают термоциклической стойкостью до пяти раз большей, чем обычные модули с медными контактными площадками и припоем. Вместо пайки керамической подложки, необходимой для изоляции модуля, к медной контактной площадке, последняя была исключена благодаря использованию технологии контактного прижима при креплении модуля к радиатору (см. рис. 3). Давление прикладывается в многочисленных точках, расположенных близко к каждому чипу, обеспечивая равномерное распределение давления по всей поверхности керамической подложки. Исключение медной контактной площадки приводит к улучшению характеристик термоциклической стойкости и снижению теплового сопротивления. На рис. 3 показано поперечное сечение корпуса модуля, системы контактного прижима и пружинных контактов для управляющих соединений.
Исключение всех паяных соединений делает семейство модулей SKiM первым на рынке модулем, полностью изготовленным без пайки. Сочетание технологии спекания, технологии контактного давления и конструкции без медного припоя обеспечивает в пять раз большую устойчивость к термическим циклам по сравнению с модулями, припаянными с медными контактами.

За последние 15 лет допустимые рабочие температуры микросхем неуклонно росли. В настоящее время модули, использующие новейшие технологии, такие как IGBT4/CAL4, могут работать при максимальных температурах до 175 °C. В будущем использование карбида кремния создаст дополнительные сложности в достижении стабильных переходов, устойчивых к термическим циклам, поскольку рабочая температура компонентов на основе карбида кремния может достигать 300 °C.
Именно поэтому технология спекания, разработанная компанией Semikron, идеально подходит для таких высоких диапазонов рабочих температур. Это связано с тем, что температура плавления спеченного перехода составляет 961 °C, что примерно на 740 °C выше, чем у паяного перехода, обычно используемого сегодня.
Такая стабильность перехода при высоких температурах предотвращает деградацию. Различные испытания на надежность и срок службы продемонстрировали прочность спеченного перехода.
Со временем области применения силовых полупроводников претерпели значительные изменения. В прошлом полупроводниковые модули использовались только в доступных местах, монтировались внутри шкафов, где условия окружающей среды строго контролировались.

 

 

Сегодня полупроводниковые модули используются в мобильных приложениях, например, в транспортных средствах, работающих в экстремальных условиях окружающей среды, при температурах выше 110 °C и т. д. Основная задача сейчас — обеспечить надежную работу полупроводникового модуля в таких жестких условиях.

 

 

 

 

 

Будущее спекания:
Технология спекания, разработанная компанией SEMIKRON, является ключевой технологией, позволяющей производить более мощные и надежные силовые модули с более длительным сроком службы. Те же принципы, которые применялись при производстве модуля SKiM — отказ от медной подложки, системы контактного давления и технологии спекания — были использованы при разработке интеллектуального силового модуля SKiiP 4-го поколения, используемого в ветро- и солнечной энергетике, автобусных тягах, метрополитене и других областях применения.

Преимущества технологии спекания также применимы к модулям SKiiP 4-го поколения: в пять раз большая устойчивость к термическим циклам, чем у обычных модулей, стабильное соединение между чипом и керамической подложкой, а также вдвое большая циклическая нагрузка по сравнению со стандартными модулями.