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采用烧结技术降低大电流晶闸管失效率

Orel State大学Dmitry Titushkin,Alexey Surma等 2019-06-05

研究了烧结/合金化方案与标准阴极层或蒸发保护界面钼阴极层的VTO/rT、Rthjc、ITAV、ITSM与安装力之间的比较关系,选择了最佳的设计方案,以减少现场早期故障的发生。本文探讨了几种减少半导体芯片直流功率半导体晶闸管退化和早期故障的方法。80毫米以上采用低温烧结硅片和钼片。作者研究了VTO/rT、Rthjc、ITAV、ITSM与烧结/合金化选择的安装力以及带有蒸发保护界面的标准阴极层或钼阴极层之间的比较关系,并选择最佳设计以最小化该领域早期失败的人数。IXE电子头条

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由于不断增加的在线故障成本,领先的功率半导体制造商倾向于关注转换设备及其组件的可靠性。这里的失败意味着退化失败。降解失败是不可避免的,因为它们是由自然老化和结构和材料磨损引起的。因此,功率半导体制造商不断改进其工程解决方案,以最大限度地降低降级失败的可能性。例如,在单芯片功率半导体晶闸管,二极管[1,6]和IGBT器件[2,4,5,10]的生产中使用烧结技术有助于降低在运行的最后阶段降级失败的可能性并改善其使用寿命[3,4,8-10]。最小化退化失败主要通过半导体芯片和钼盘之间的结的高循环电阻以及较低的结壳热阻[3,4,6,7]来实现,从而导致更高的最大浪涌电流[1]。IXE电子头条

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然而,除了在正常操作期间的退化失败之外,客户还可能在由生产和验收质量控制未识别的缺陷导致的磨合期期间经历早期故障。同时,制造商在操作条件下执行磨合期在经济上是不切实际的。因此,只有通过降低潜在有缺陷的设备的可能性,才能最大限度地减少早期故障的数量。IXE电子头条

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功率半导体晶闸管和二极管的主要部分是“低成本”产品,其中硅芯片通过合金化技术与硅铝焊接合金与钼盘连接。该方法的特征在于,由于焊接中的熔合不充分以及在连接过程之后半导体芯片的较高变形,在表面区域上的热阻高度分散。该问题与半导体芯片面积等于或大于50cm 2的晶闸管和二极管特别相关。优化硅芯片和钼盘之间的接合轮廓允许减少不充分的熔合和变形轮廓。除温度曲线外,熔合不足的程度也受连接表面粗糙度,部件清洁质量等因素的影响。因此,使用烧结技术生产功率半导体不仅减少了退化故障的数量并提高了使用寿命,而且还使磨合期间的早期故障最小化。IXE电子头条

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实验样品IXE电子头条

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我们的实验样品是具有半导体芯片直径的晶闸管TF173-2000-18。80毫米,硅片和钼盘通过烧结和合金化技术连接在一起。这些选项中的每一个都具有两种阴极层变体:标准阴极层和具有蒸发保护界面的钼层。IXE电子头条

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研究计划包括以下内容:IXE电子头条

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•测量半导体元件的比较变形曲线;IXE电子头条

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•测量导通状态阈值电压和电阻(V TO / rT)和安装力在30 kN至50 kN范围内的比较关系;IXE电子头条

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•测量结壳热阻(Rthjc)与安装力在30kN至50kN范围内的比较关系;IXE电子头条

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•计算通态电流(I TAV)与安装力在30 kN至50 kN范围内的比较关系;IXE电子头条

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•找到破坏性浪涌通态电流值(I TSM)。IXE电子头条

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半导体元件的变形IXE电子头条

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变形曲线如图1所示。IXE电子头条

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图1.半导体元件变形曲线(左侧烧结,右侧合金化)IXE电子头条

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图1表明烧结半导体元件的变形曲线比在硅铝焊接合金上合金化的半导体元件更平滑。合金化半导体元件的残余弯曲为11μm。烧结半导体元件的残余弯曲为45μm。IXE电子头条

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电气特性IXE电子头条

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V TO / r T,R thjc,I TAV和安装力的平均值之间的关系如图2-5所示。IXE电子头条

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图2. V TO和安装力之间的关系IXE电子头条

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图3. rT和安装力之间的关系IXE电子头条

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图4:R thjc和安装力之间的关系IXE电子头条

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图5:I TAV和安装力之间的关系IXE电子头条

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该图表明,选项“烧结,М® 层”具有最低的V T0 / r T值(与标准选项“合金化,标准层”相比,分别为-5,8%和-11.2%  )。然而,选项“烧结,标准层”具有最低的热阻R thjc(与标准选项相比为-9,7%)和计算出的平均电流的最高结果(与标准选项相比为+ 12,8%)。还应注意,与合金选择相比,阳极热阻与烧结选项的安装力之间存在更高的关系。理论上,可以通过半导体元件的变形来解释,当合金选择开始形成不能用外部安装力完全拉直的三阶或更高阶的表面时。同时,烧结结构的特征在于圆顶形表面,其在较高的力下伸直。阳极热阻的绝对值也证实了这一点,烧结选项的绝对值较低。从破坏性浪涌电流的角度来看,与标准选项相比,“烧结,М® 层”和“烧结,标准层”选项的该值高出5-7%。IXE电子头条

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结论IXE电子头条

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本文探讨了V TO / r T,R thjc,I TAV,I TSM与烧结/合金化选择的安装力和具有蒸发保护界面的标准阴极层/钼阴极层之间的比较关系。结果表明,为了减少客户遇到的早期故障次数,最好使用选项“ 烧结,标准层 ”作为基本结构元件,因为该选项具有最低的热阻值和最高的通态电流。IXE电子头条

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参考IXE电子头条

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1.H. Schwarzbauer。一种改进功率器件性能的新型大面积连接技术。 - IEEE Transactions on Industrial Applications,27(1),1991,p。93-95。IXE电子头条

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2.M. Knoerr,S。Kraft,A。Schletz。功率半导体烧结纳米银模具附件的可靠性评估。 - IEEE电子封装技术会议,2010年12月,第7页。56-61。IXE电子头条

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3.U. Scheuermann,P.Wiedl。低温连接技术 - 焊接触点的高可靠性替代方案。 - 功能性金属陶瓷复合材料研讨会,维也纳,1997年,第181-192页。IXE电子头条

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4.C.Göbl,P。Beckedahl,H。Braml。低温烧结技术用于汽车电力电子应用的芯片附件。 - Proc。汽车电力电子,巴黎,2006年。IXE电子头条

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5.JG Bai,GQ Lu。低温烧结银模具附着SiC功率器件组件的热机械可靠性。 - IEEE Transactions on Device and Materials Reliability,6(3),2006,p。436-441。IXE电子头条

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6.A. Chernikov,A。Stavtsev,A。Surma。晶圆的特点 - 通过烧结大面积硅器件的银浆Mo连接。 - Proc。EPE'2013,里尔,2013年IXE电子头条

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7.Dmitriy Titushkin,Alexey Suma。«生产快速功率晶闸管的新方法» - Bodo的Power Systems 08,2015,p。28-29。IXE电子头条

 IXE电子头条

8.J. Steger。随着烧结技术的发展,汽车应用的功率模块具有更高的可靠性。 - 欧洲电力电子,2012年第2期,p。28-31。IXE电子头条

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9.R. AMRo,J。Lutz,J。Rudzki,M。Thoben,A,Lindeman。高温动力循环能力的双面低温连接技术 - Proc。EPE'2005,德累斯顿,2005年。IXE电子头条

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10.C.Göbl,J。Faltenbacher。低温烧结技术用于电力电子应用的芯片附件。 - Proc。CIPS 2010,纽伦堡,2010年。IXE电子头条