Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
- TAGS
- cmax
- mount
- www.power-e.ru
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2009<br />
Технологии<br />
—·Óapple͇ ÏÓ˘Ì˚ı ·ÂÒÍÓappleÔÛÒÌ˚ı<br />
MOSFET-Úapple‡ÌÁËÒÚÓappleÓ‚<br />
‰Îˇ ÔÓ‚ÂappleıÌÓÒÚÌÓ„Ó ÏÓÌڇʇ<br />
Исследо<strong>в</strong>аны способы сборки мощных бескорпусных MOSFET-транзисторо<strong>в</strong>,<br />
предназначенных для по<strong>в</strong>ерхностного монтажа электронных модулей сило<strong>в</strong>ой<br />
электроники.<br />
Владимир Ланин, д. т. н.,<br />
профессор<br />
vlanin@bsuir.by<br />
Анатолий Керенце<strong>в</strong><br />
akerentsev@transistor.com.by<br />
а<br />
Варианты технологий<br />
по<strong>в</strong>ерхностного монтажа<br />
Рис. 1. Конструкции транзисторных корпусо<strong>в</strong>: а) SОТ-23; б) SОТ-89<br />
б<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя по<strong>в</strong>ерхностный монтаж электронных<br />
компоненто<strong>в</strong> на платы — одно из перспекти<strong>в</strong>ных<br />
напра<strong>в</strong>лений сборки блоко<strong>в</strong> РЭА, к которым<br />
предъя<strong>в</strong>ляются требо<strong>в</strong>ания миниатюрности и не<strong>в</strong>осприимчи<strong>в</strong>ости<br />
к низкочастотной <strong>в</strong>ибрации. В технологии<br />
по<strong>в</strong>ерхностного монтажа <strong>в</strong>ыделяют д<strong>в</strong>а осно<strong>в</strong>ных<br />
напра<strong>в</strong>ления [1]: монтаж <strong>в</strong> плоских корпусах с планарным<br />
расположением <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одо<strong>в</strong> на печатной плате<br />
(Surface Mount Technology, SMT) и со<strong>в</strong>мещенный монтаж<br />
корпусиро<strong>в</strong>анных и бескорпусных кристалло<strong>в</strong><br />
на плате (Chip on Board, COB). В пер<strong>в</strong>ом случае <strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е<br />
акти<strong>в</strong>ных электронных компоненто<strong>в</strong> широко<br />
применяются транзисторы <strong>в</strong> пластмассо<strong>в</strong>ых корпусах<br />
типа SOT-23, SOT-223, D-Pak, D2-Pak (SMD-220). Перспекти<strong>в</strong>ны<br />
<strong>в</strong> этом случае и изделия <strong>в</strong> герметичных металлокерамических<br />
корпусах типа SMD-0,5, SMD-1,<br />
SMD-2, которые поз<strong>в</strong>оляют осущест<strong>в</strong>лять дальнейшую<br />
микроминиатюризацию, уменьшение <strong>в</strong>еса при <strong>в</strong>ысокой<br />
рассеи<strong>в</strong>аемой мощности и сохранение герметичности<br />
после длительных термоциклических нагрузок [2].<br />
Технология со<strong>в</strong>мещенного монтажа корпусиро<strong>в</strong>анных<br />
и бескорпусных кристалло<strong>в</strong>, а также монтажа<br />
бескорпусного кристалла на коммутационной плате<br />
(Chip-and-Wire Technology, CWT) использует про<strong>в</strong>одное<br />
соединение непосредст<strong>в</strong>енно прикрепленного<br />
к плате кристалла с печатными про<strong>в</strong>одниками платы.<br />
Электрические соединения <strong>в</strong>ыполняются про<strong>в</strong>одниками<br />
из золота или алюминия ультраз<strong>в</strong>уко<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>аркой. Занимаемая кристаллами область зали<strong>в</strong>ается<br />
эпоксидной смолой. Преимущест<strong>в</strong>а по сра<strong>в</strong>нению<br />
с технологией по<strong>в</strong>ерхностного монтажа: компактность<br />
(за счет экономии места) и экономичность (нет<br />
пластико<strong>в</strong>ого корпуса).<br />
Выбор типа корпуса за<strong>в</strong>исит от мощности, рассеи<strong>в</strong>аемой<br />
прибором, и реального размера полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ого<br />
кристалла. SОТ-23 применяют для корпусиро<strong>в</strong>ания<br />
кристалло<strong>в</strong> площадью до 1,0 мм 2 и рассеи<strong>в</strong>аемой<br />
мощностью до 500 мВт, SОТ-89 рассчитан<br />
на кристаллы площадью 3,0 мм 2 и мощность до 1 Вт,<br />
а корпуса типа SMD — 150 Вт [3]. Транзисторные<br />
корпуса имеют простую конструкцию с тремя <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одами:<br />
у SОТ-23 центральный <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>од расположен<br />
с одной стороны корпуса, а д<strong>в</strong>а других <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>ода —<br />
с другой, <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя как у SОТ-89 они находятся<br />
по одну и ту же сторону корпуса, а центральный<br />
<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>од имеет у<strong>в</strong>еличенный размер для лучшего от<strong>в</strong>ода<br />
тепла (рис. 1). Корпус типа SOT герметизируют<br />
методом литье<strong>в</strong>ого прессо<strong>в</strong>ания с применением<br />
пресс-материала (например, ST7100DSA — Корея,<br />
MG-40F — Германия), а SMD-05-(2) — шо<strong>в</strong>ной ролико<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>аркой.<br />
Корпуса SОТ-23 и SОТ-89 относятся к XIV группе,<br />
к которым согласно ГОСТ 20.39.405-84 предъя<strong>в</strong>ляются<br />
жесткие требо<strong>в</strong>ания по технологическим <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>иям:<br />
1. Конструкция изделий должна обеспечи<strong>в</strong>ать трехкратное<br />
<strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ие группо<strong>в</strong>ой пайки и лужения<br />
<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одо<strong>в</strong> горячим способом без применения теплоот<strong>в</strong>ода<br />
и соединение при температуре группо<strong>в</strong>ой<br />
пайки не <strong>в</strong>ыше 265 °С <strong>в</strong> течение до 4 с.<br />
2. Вы<strong>в</strong>оды и контактные площадки изделий должны<br />
иметь гарантиро<strong>в</strong>анную паяемость с использо<strong>в</strong>анием<br />
спирто-канифольных неакти<strong>в</strong>иро<strong>в</strong>анных<br />
и слабоакти<strong>в</strong>иро<strong>в</strong>анных флюсо<strong>в</strong> (не более 25% канифоли)<br />
без дополнительной подгото<strong>в</strong>ки <strong>в</strong> течение<br />
12 месяце<strong>в</strong> с момента изгото<strong>в</strong>ления.<br />
3. Изделия должны <strong>в</strong>ыдержи<strong>в</strong>ать трехкратный нагре<strong>в</strong><br />
по режиму: температура не <strong>в</strong>ыше 150 °С, длительность<br />
однократного <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ия — не более<br />
10 мин.<br />
4. Конструкция изделий должна обеспечи<strong>в</strong>ать применение<br />
группо<strong>в</strong>ых методо<strong>в</strong> пайки. Опла<strong>в</strong>ление припойной<br />
пасты про<strong>в</strong>одят при следующих режимах:<br />
нагре<strong>в</strong> до температуры 190 °С не более 30 с; последующий<br />
нагре<strong>в</strong> до температуры не <strong>в</strong>ыше 230 °С не бо-<br />
76 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2009<br />
лее 15 с; нагре<strong>в</strong> группо<strong>в</strong>ым паяльником при<br />
температуре пайки не <strong>в</strong>ыше 265 °С не более 4 с.<br />
Для обеспечения максимальной мощности<br />
<strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е материала <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одной рамки используют<br />
железо-никеле<strong>в</strong>ый спла<strong>в</strong> 42Н и медный<br />
спла<strong>в</strong> БрХСр, с толщиной кристаллодержателя<br />
0,1 мм. На по<strong>в</strong>ерхность рамки наносят полосу<br />
серебра шириной 9 мм и толщиной<br />
5 мкм. Так как спла<strong>в</strong> БрХСр обладает <strong>в</strong>ысоким<br />
уро<strong>в</strong>нем ТКЛР (1810 –6 1/°С, что <strong>в</strong> 6 раза<br />
<strong>в</strong>ыше Si), то <strong>в</strong> процессе пайки <strong>в</strong> кремние<strong>в</strong>ом<br />
кристалле <strong>в</strong>озникают механические напряжения<br />
и деформации. Для снижения <strong>в</strong>нутренних<br />
напряжений необходимо пра<strong>в</strong>ильно <strong>в</strong>ыбрать<br />
припой и оптимизиро<strong>в</strong>ать технологические<br />
режимы монтажа, поз<strong>в</strong>оляющие уменьшить<br />
градиент температур, дейст<strong>в</strong>ующих на кристалл.<br />
На непланарную по<strong>в</strong>ерхность кристалло<strong>в</strong><br />
наносят систему металлизации: Ti-Au,<br />
V-Au толщиной 1,0–1,75 мкм — для монтажа<br />
на э<strong>в</strong>тектику; Ti-NiV-Ag-Sn-Pb-Snтолщиной<br />
5,0–12,0 мкм — для монтажа на припой.<br />
Исследо<strong>в</strong>ано <strong>в</strong>лияние способа сборки мощных<br />
MOSFET-транзисторо<strong>в</strong> <strong>в</strong> д<strong>в</strong>ух <strong>в</strong>ариантах<br />
бескорпусного исполнения: 1 — на металлическом<br />
кристаллодержателе без <strong>в</strong>нешних <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одо<strong>в</strong><br />
(рис. 2а); 2 — на металлокерамическом<br />
или керамическом держателе с <strong>в</strong>нешними <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одами<br />
(рис. 2б) на уро<strong>в</strong>ень их предельных параметро<strong>в</strong>.<br />
Выбор технологии<br />
сборки кристалло<strong>в</strong><br />
При изгото<strong>в</strong>лении приборо<strong>в</strong> по пер<strong>в</strong>ому <strong>в</strong>арианту<br />
исполнения присоединение кристалла<br />
к молибдено<strong>в</strong>ому кристаллодержателю осущест<strong>в</strong>ляли<br />
методом контактно-реакти<strong>в</strong>ной э<strong>в</strong>тектической<br />
пайки с образо<strong>в</strong>анием э<strong>в</strong>тектики<br />
Au-Si при использо<strong>в</strong>ании дополнительной золотой<br />
прокладки размером 4,04,00,016 мм.<br />
Для сра<strong>в</strong>нения напайка кристалло<strong>в</strong> про<strong>в</strong>одилась<br />
на д<strong>в</strong>ух устано<strong>в</strong>ках: ручной типа ЭМ-415<br />
и а<strong>в</strong>томатической типа ЭМ-4085. Монтаж<br />
кристалло<strong>в</strong> на устано<strong>в</strong>ке ЭМ-415 <strong>в</strong>ели при следующих<br />
режимах Т = 420ѕ450 °С, максимальная<br />
<strong>в</strong>ибрация <strong>в</strong>доль короткой стороны кристалла,<br />
<strong>в</strong>ремя <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ия <strong>в</strong>ибрации — 10 с,<br />
да<strong>в</strong>ление на инструмент — 0,40–1,10 Н, подогре<strong>в</strong><br />
инструмента — до 250 °С. Для обеспечения<br />
плоскостности торца инструмента с по<strong>в</strong>ерхностью<br />
кристаллодержателя про<strong>в</strong>одилась<br />
регулиро<strong>в</strong>ка с последующей про<strong>в</strong>еркой качест<strong>в</strong>а<br />
отпечатка инструмента на алюминие<strong>в</strong>ой<br />
фольге. После настройки отпечаток торца инструмента<br />
имел оттиск ра<strong>в</strong>ной контрастности<br />
по четырем сторонам.<br />
В процессе монтажа было <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>лено <strong>в</strong>лияние<br />
технологических режимо<strong>в</strong> на качест<strong>в</strong>о<br />
присоединения кристалло<strong>в</strong>. Так, при у<strong>в</strong>еличении<br />
нагрузки на инструмент до 1,10 Н происходит<br />
резкое затухание амплитуды колебаний<br />
присоединяемого кристалла, что способст<strong>в</strong>ует<br />
формиро<strong>в</strong>анию дефекто<strong>в</strong> <strong>в</strong> э<strong>в</strong>тектическом<br />
слое <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде несплошностей и пустот. Наличие<br />
таких дефекто<strong>в</strong> для мощных приборо<strong>в</strong> недопустимо,<br />
так как <strong>в</strong> процессе эксплуатации будет<br />
происходить перегре<strong>в</strong> акти<strong>в</strong>ной структуры.<br />
Поэтому напайка кристалло<strong>в</strong> про<strong>в</strong>одилась<br />
при да<strong>в</strong>лении на инструмент <strong>в</strong> пределах<br />
www.power-e.ru<br />
а<br />
0,40–0,45 Н, при котором еще осущест<strong>в</strong>ляются<br />
колебательные д<strong>в</strong>ижения кристалла.<br />
Устано<strong>в</strong>лено <strong>в</strong>лияние температуры процесса.<br />
При 420 °С отмечалось недостаточное растекание<br />
э<strong>в</strong>тектики по периметру кристалла.<br />
Формиро<strong>в</strong>ание э<strong>в</strong>тектики с требуемым уро<strong>в</strong>нем<br />
качест<strong>в</strong>а получено при температуре<br />
430ѕ450 °С. Для эффекти<strong>в</strong>ного образо<strong>в</strong>ания<br />
э<strong>в</strong>тектики требо<strong>в</strong>алось про<strong>в</strong>едение дополнительной<br />
акти<strong>в</strong>ации процесса путем колебания<br />
столика <strong>в</strong>ручную на начальной стадии образо<strong>в</strong>ания<br />
э<strong>в</strong>тектики, причем кристалл удержи<strong>в</strong>ается<br />
<strong>в</strong> положении пайки <strong>в</strong> течение <strong>в</strong>сего <strong>в</strong>ремени<br />
<strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ия <strong>в</strong>ибрации инструмента.<br />
Монтаж кристалло<strong>в</strong> на а<strong>в</strong>томате ЭМ-4085<br />
по<strong>в</strong>ышает эффекти<strong>в</strong>ность образо<strong>в</strong>ания э<strong>в</strong>тектики<br />
Au-Si за счет акти<strong>в</strong>ации процесса присоединения<br />
<strong>в</strong> результате принудительного д<strong>в</strong>ижения<br />
кристалло<strong>в</strong> по кри<strong>в</strong>олинейной замкнутой<br />
траектории, обеспечи<strong>в</strong>аемой программируемыми<br />
параметрами <strong>в</strong>ибрации [4]. При амплитуде<br />
колебаний кристалла более 250 мкм за 8–10 периодо<strong>в</strong><br />
колебаний происходит эффекти<strong>в</strong>ное<br />
удаление оксидных пленок и шлако<strong>в</strong> за пределы<br />
акти<strong>в</strong>ной зоны, при этом обеспечи<strong>в</strong>ается<br />
ра<strong>в</strong>номерная толщина э<strong>в</strong>тектики <strong>в</strong> соединении.<br />
Кристаллодержатель фиксиро<strong>в</strong>ался <strong>в</strong> ленточной<br />
кассете с помощью трех фиксаторо<strong>в</strong>,<br />
<strong>в</strong>ыступающих над по<strong>в</strong>ерхностью кассеты и располагаемых<br />
по периметру от<strong>в</strong>ерстия. Для по<strong>в</strong>ышения<br />
эффекти<strong>в</strong>ности а<strong>в</strong>томатического процесса<br />
присоединения кристалло<strong>в</strong> и быстрого<br />
прогре<strong>в</strong>а соединяемых деталей была доработана<br />
конструкция нагре<strong>в</strong>ательного столика устано<strong>в</strong>ки<br />
<strong>в</strong> части <strong>в</strong><strong>в</strong>едения дополнительных по<strong>в</strong>торяющихся<br />
<strong>в</strong>ыступо<strong>в</strong> диаметром 7,5 мм<br />
и <strong>в</strong>ысотой до 1,5 мм. Пайка про<strong>в</strong>одилась при следующих<br />
режимах: температура Т = 450–460 °С;<br />
количест<strong>в</strong>о периодо<strong>в</strong> колебаний — 12; амплитуда<br />
д<strong>в</strong>ухкоординатных колебаний по осям Х,<br />
У — 250–500 мкм; пауза — 70; усилие нагружения<br />
— 1,45 Н.<br />
При изгото<strong>в</strong>лении приборо<strong>в</strong> по <strong>в</strong>торому<br />
<strong>в</strong>арианту исполнения присоединение кристалла<br />
к кристаллодержателю осущест<strong>в</strong>ляли<br />
пайкой легкопла<strong>в</strong>ким припоем ПОС-10 <strong>в</strong> кон<strong>в</strong>ейерной<br />
<strong>в</strong>одородной печи ЖК4007А при<br />
Т макс = 400 °С, V к = 80 мм/мин с использо<strong>в</strong>анием<br />
кассетной технологии сборки. Данный<br />
метод образо<strong>в</strong>ания паяного соединения, я<strong>в</strong>ляясь<br />
пасси<strong>в</strong>ным, характеризуется по<strong>в</strong>ышенным<br />
дефектообразо<strong>в</strong>анием <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде пустот и непропае<strong>в</strong><br />
под кристаллом [3]. Поэтому с целью<br />
снижения дефектности <strong>в</strong> паяном соединении<br />
на кристаллодержатель из псе<strong>в</strong>доспла<strong>в</strong>а MD-40<br />
пред<strong>в</strong>арительно наносилось покрытие хим.<br />
Н3,Зл.2, а на непланарную по<strong>в</strong>ерхность кристалла<br />
— металлизация Ti-NiV-Ag. Указанные<br />
покрытия обеспечи<strong>в</strong>али эффекти<strong>в</strong>ное смачи<strong>в</strong>ание<br />
распла<strong>в</strong>ом припоя, как по<strong>в</strong>ерхности<br />
Технологии<br />
Рис. 2. Мощный MOSFET-транзистор <strong>в</strong> бескорпусном исполнении: а) на без<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одном металлическом<br />
держателе; б) с <strong>в</strong>нешними <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одами на металлокерамическом или керамическом держателе<br />
б<br />
кристалла, так и кристаллодержателя. При<br />
пайке к кристаллу приклады<strong>в</strong>алась статическая<br />
нагрузка.<br />
Раз<strong>в</strong>арка межсоединений осущест<strong>в</strong>лялась<br />
на устано<strong>в</strong>ке АВТ-2 про<strong>в</strong>олокой АОЦПоМ250А<br />
по следующей схеме: зат<strong>в</strong>ор — 1 перемычка,<br />
исток — 3 перемычки. Про<strong>в</strong>едены операции<br />
термо<strong>в</strong>ыдержки (Т = 150 °С, t = 24 ч) и защиты<br />
кристалла компаундом СИЭЛ159-322Б.<br />
Присоединение керамической крышки к металлокерамическому<br />
держателю осущест<strong>в</strong>ляли<br />
клеем ВТ10.<br />
Исследо<strong>в</strong>ание<br />
качест<strong>в</strong>а монтажа кристалло<strong>в</strong><br />
Исследо<strong>в</strong>ание качест<strong>в</strong>а монтажа кристалло<strong>в</strong><br />
осущест<strong>в</strong>лялось методом оптического контроля<br />
<strong>в</strong>нешнего <strong>в</strong>ида с использо<strong>в</strong>анием МБС-10<br />
при 16–32 и ММУ-3 при 50–100. Устано<strong>в</strong>лено,<br />
что присоединение кристалло<strong>в</strong> по пер<strong>в</strong>ому<br />
и <strong>в</strong>торому <strong>в</strong>ариантам исполнения <strong>в</strong> оптимальных<br />
режимах поз<strong>в</strong>оляет получить ро<strong>в</strong>ное<br />
растекание э<strong>в</strong>тектики/припоя со <strong>в</strong>сех<br />
четырех сторон кристалла без пор и непропае<strong>в</strong>.<br />
В отдельных случаях для пер<strong>в</strong>ого <strong>в</strong>арианта<br />
исполнения <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>лены утяжки э<strong>в</strong>тектики<br />
из-за имеющихся микросколо<strong>в</strong> <strong>в</strong> нижней грани<br />
кристалла, которые <strong>в</strong>озникли <strong>в</strong> процессе<br />
диско<strong>в</strong>ой резки пластины на кристаллы. В целом<br />
качест<strong>в</strong>о присоединения кристалло<strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует<br />
требо<strong>в</strong>аниям нормати<strong>в</strong>ных документо<strong>в</strong>.<br />
Прочность крепления кристалло<strong>в</strong> про<strong>в</strong>еряли<br />
путем <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ия сд<strong>в</strong>игающей<br />
нагрузки, созда<strong>в</strong>аемой динамометром 7800-<br />
6380-03. При нагрузке 30 Н разрушения кристалло<strong>в</strong><br />
не происходило.<br />
Для исследо<strong>в</strong>ания качест<strong>в</strong>а соединений использо<strong>в</strong>аны<br />
следующие диагностические методы<br />
анализа:<br />
а) рентгенотеле<strong>в</strong>изионное диагностиро<strong>в</strong>ание<br />
<strong>в</strong>нутренних микродефекто<strong>в</strong> (несплошностей,<br />
пористости, неоднородностей, инородных<br />
<strong>в</strong>ключений и т. д.) <strong>в</strong> паяном соединении;<br />
б)лазерная микроинтерферометрия и фотоакустическая<br />
диагностика качест<strong>в</strong>а монтажа<br />
и оценки напряженно-деформиро<strong>в</strong>анного<br />
состояния кристалло<strong>в</strong>.<br />
Результаты анализа регистриро<strong>в</strong>ались при<br />
помощи цифро<strong>в</strong>ой фотокамеры НР912 с экрано<strong>в</strong><br />
мониторо<strong>в</strong> аналитических приборо<strong>в</strong>:<br />
рентгенотеле<strong>в</strong>изионного микроскопа МТР-7,<br />
лазерного фотоакустического микроскопа ФМ-<br />
3М и лазерного микроинтерферометра.<br />
Для приборо<strong>в</strong> пер<strong>в</strong>ого <strong>в</strong>арианта исполнения<br />
методом рентгенотеле<strong>в</strong>изионной дефектоскопии<br />
я<strong>в</strong>ных несплошностей <strong>в</strong> э<strong>в</strong>тектике под<br />
кристаллом не обнаружено. Выя<strong>в</strong>лены отдельные<br />
неоднородности <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде разноконтрастных<br />
участко<strong>в</strong> проекции рентгено<strong>в</strong>ского тене<strong>в</strong>ого<br />
77
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2009<br />
Технологии<br />
(1)<br />
где<br />
(2)<br />
Рис. 3. Рентгенограмма паяного соединения под кристаллом: а) пайка через прокладку припоя<br />
<strong>в</strong> кон<strong>в</strong>ейерной печи; б) э<strong>в</strong>тектическая пайка и д<strong>в</strong>ухкоординатное перемещение на ЭМ-4085<br />
изображения Au прокладки, частично прореагиро<strong>в</strong>а<strong>в</strong>шей<br />
по толщине <strong>в</strong> пределах 60% площади<br />
кристалла <strong>в</strong> с<strong>в</strong>язи с неполным раст<strong>в</strong>орением<br />
прокладки, что обусло<strong>в</strong>лено режимом<br />
однокоординатного перемещения кристалла<br />
<strong>в</strong> процессе монтажа. Для приборо<strong>в</strong> <strong>в</strong>торого <strong>в</strong>арианта<br />
исполнения <strong>в</strong> паяном соединении <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>лены<br />
локальные несплошности, имеющие<br />
линейный размер до 10 мкм (рис. 3а).<br />
Д<strong>в</strong>ухкоординатное перемещение кристалло<strong>в</strong><br />
относительно подложки по замкнутому<br />
контуру <strong>в</strong> процессе монтажа на а<strong>в</strong>томате<br />
ЭМ-4085 я<strong>в</strong>ляется оптимальным способом<br />
присоединения кристалло<strong>в</strong> больших размеро<strong>в</strong>.<br />
В этом случае дефекто<strong>в</strong> <strong>в</strong> паяном соединении<br />
не <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>лено (рис. 3б). Методом лазерной микроинтерферометрии<br />
определен уро<strong>в</strong>ень напряженно-деформиро<strong>в</strong>анного<br />
состояния кристалло<strong>в</strong>,<br />
который соста<strong>в</strong>ляет 60–72 МПа для пер<strong>в</strong>ого<br />
<strong>в</strong>арианта исполнения и 28–45 МПа — для<br />
<strong>в</strong>торого <strong>в</strong>арианта исполнения.<br />
Предельные параметры<br />
транзисторо<strong>в</strong><br />
Контроль статических параметро<strong>в</strong> про<strong>в</strong>одился<br />
на измерителе «Гамма 153-04М». Измерения<br />
тепло<strong>в</strong>ого сопроти<strong>в</strong>ления «p-n-переходкорпус»<br />
R тпк <strong>в</strong>ыполнены на СИС-24. Измерение<br />
параметро<strong>в</strong> приборо<strong>в</strong> пер<strong>в</strong>ого <strong>в</strong>арианта<br />
исполнения осущест<strong>в</strong>лялось на зондо<strong>в</strong>ой устано<strong>в</strong>ке,<br />
подключенной к измерителю. Для про<strong>в</strong>ерки<br />
предельных параметро<strong>в</strong> — R t , I cmax ,<br />
R cи — изгото<strong>в</strong>ленных транзисторо<strong>в</strong> про<strong>в</strong>одилась<br />
<strong>в</strong>ыборочная сборка <strong>в</strong> усло<strong>в</strong>ную микросхему<br />
<strong>в</strong> корпусе ТО-3. Для этого использо<strong>в</strong>алась<br />
ножка, на фланце которой отсутст<strong>в</strong>ует медный<br />
держатель, а <strong>в</strong>нешние <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>оды <strong>в</strong>ыполнены<br />
Таблица. Параметры мощных MOSFET-транзисторо<strong>в</strong><br />
Тип<br />
кристалла<br />
КП771А-6<br />
КП771А-6,<br />
КП723А<br />
КП723А<br />
Вариант<br />
исполнения<br />
1 <strong>в</strong>ариант<br />
(э<strong>в</strong>тектика Au-Si,<br />
пайка на ЭМ-415)<br />
1 <strong>в</strong>ариант<br />
(э<strong>в</strong>тектика Au-Si,<br />
пайка на ЭМ-4085)<br />
2 <strong>в</strong>ариант<br />
(кристаллодержатель<br />
керамический,<br />
пайка на припой)<br />
2 <strong>в</strong>ариант<br />
(кристаллодержатель<br />
из спла<strong>в</strong>а MD-40,<br />
пайка на припой)<br />
а<br />
из материала МК (медь-ко<strong>в</strong>ар). Диско<strong>в</strong>ый кристаллодержатель<br />
с напаянным кристаллом приклеи<strong>в</strong>ался<br />
на по<strong>в</strong>ерхность фланца ножки с помощью<br />
изолирующего компаунда типа ЭП-91.<br />
Использо<strong>в</strong>ание изолирующего компаунда поз<strong>в</strong>олило<br />
уменьшить <strong>в</strong>лияние корпуса ТО-3 при<br />
измерении предельных параметро<strong>в</strong>. После сушки<br />
компаунда <strong>в</strong>ыполнялась раз<strong>в</strong>арка <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одо<strong>в</strong><br />
про<strong>в</strong>олокой АОЦПоМ по следующей схеме: зат<strong>в</strong>ор<br />
— 1 перемычка (про<strong>в</strong>олока 150 мкм), исток<br />
— 2 перемычки (про<strong>в</strong>олока 250 мкм)<br />
и кристаллодержатель – фланец ножки — 2 перемычки<br />
(про<strong>в</strong>олока 250 мкм).<br />
При испытаниях по определению предельной<br />
мощности приборы размещались на медном<br />
<strong>в</strong>одоохлаждаемом теплоот<strong>в</strong>оде, обеспечи<strong>в</strong>ающем<br />
Т корп = 25 °С при токе I c = 10 А<br />
и U си = V ar . Результаты контроля предельных<br />
параметро<strong>в</strong> предста<strong>в</strong>лены <strong>в</strong> таблице.<br />
Как следует из таблицы, максимальная мощность<br />
транзисторо<strong>в</strong> бескорпусного исполнения<br />
фактически соста<strong>в</strong>ляет 100–150 Вт при<br />
усло<strong>в</strong>ии монтажа кристалло<strong>в</strong> на металлический<br />
кристаллоноситель. Сопроти<strong>в</strong>ление R си<br />
<strong>в</strong> цепи сток-исток находится <strong>в</strong> допустимых<br />
пределах, <strong>в</strong>еличина которого определяется используемым<br />
типом кристалла и кристаллоносителя.<br />
При эксплуатации бескорпусной транзистор<br />
на плате под<strong>в</strong>ергается циклическому <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ию<br />
электрической мощности, <strong>в</strong>ызы<strong>в</strong>ающей<br />
периодический нагре<strong>в</strong> кристалла, кристаллодержателя<br />
и паяного соединения. Из-за<br />
различия <strong>в</strong> коэффициентах термического линейного<br />
расширения (КТЛР) кристалла, припоя<br />
и подложки <strong>в</strong> паяном ш<strong>в</strong>е <strong>в</strong>озникает деформация<br />
сд<strong>в</strong>ига γ, определяемая <strong>в</strong>ыражением<br />
[5]:<br />
R тпк , °С/Вт R си , мОм I сmax , А<br />
1,45<br />
(U си = 10 В, I c = 15 А)<br />
1,4<br />
(U си = 10 В, I c = 15 А)<br />
1,8<br />
(U си = 10 В, I c = 10 А)<br />
1,0<br />
(U си = 10 В, I c = 10 А)<br />
40<br />
(I c = 20 А, U зи = 10 В)<br />
40<br />
(I c = 20 А, U зи = 10 В)<br />
32<br />
(I c = 31 А, U зи = 10 В)<br />
26,0<br />
(I c = 31 А, U зи = 10 В)<br />
б<br />
Предельная мощность<br />
P cmax , Вт<br />
39 95<br />
41 100<br />
66 80<br />
75 150<br />
Здесь h — общая толщина соединения<br />
(кристаллодержателя, паяного ш<strong>в</strong>а и платы);<br />
L — расстояние от центра паяного соединения<br />
до максимально удаленной точки галтели<br />
паяного ш<strong>в</strong>а; ρ — радиус кри<strong>в</strong>изны;<br />
m = h п /h к , где h п , h к — толщина платы и кристаллодержателя;<br />
y = Е п /Е к , где Е п , Е к — модули<br />
упругости платы и кристаллодержателя;<br />
Т, Т 0 — температура <strong>в</strong> процессе испытания<br />
и до испытания соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>енно<br />
В усло<strong>в</strong>иях <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ия энергоцикло<strong>в</strong> и <strong>в</strong>озникающего<br />
градиента температур сущест<strong>в</strong>енно<br />
<strong>в</strong>озрастает деформация сд<strong>в</strong>ига для несогласо<strong>в</strong>анных<br />
по КТЛР спае<strong>в</strong>, что <strong>в</strong>ызы<strong>в</strong>ает снижение<br />
термоусталостного ресурса, поя<strong>в</strong>ление<br />
межзеренного растрески<strong>в</strong>ания и образо<strong>в</strong>ание<br />
пустот <strong>в</strong> легкопла<strong>в</strong>ком припое [6]. Эти причины<br />
при<strong>в</strong>одят к росту переходного тепло<strong>в</strong>ого<br />
сопроти<strong>в</strong>ления и последующему перегре<strong>в</strong>у<br />
кристалла, что <strong>в</strong>ызы<strong>в</strong>ает деградацию прибора.<br />
На рис. 4 показано изменение уро<strong>в</strong>ня<br />
тепло<strong>в</strong>ого сопроти<strong>в</strong>ления при <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ии<br />
термоударо<strong>в</strong> –60…+200 °С.<br />
Рис. 4. За<strong>в</strong>исимость деградации тепло<strong>в</strong>ого<br />
сопроти<strong>в</strong>ления после термоударо<strong>в</strong><br />
при монтаже кристалло<strong>в</strong>: 1 — на э<strong>в</strong>тектику Au-Si;<br />
2 — на легкопла<strong>в</strong>кий припой<br />
В процессе испытаний не <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>лено изменения<br />
уро<strong>в</strong>ня тепло<strong>в</strong>ого сопроти<strong>в</strong>ления<br />
<strong>в</strong> пределах погрешности измерения для приборо<strong>в</strong>,<br />
монтаж кристалло<strong>в</strong> которых <strong>в</strong>ыполнен<br />
контактно-реакти<strong>в</strong>ной пайкой. В то же<br />
<strong>в</strong>ремя приборы, у которых кристалл напаян<br />
на легкопла<strong>в</strong>кий припой ПОС-10, имеют положительную<br />
динамику изменения тепло<strong>в</strong>ого<br />
сопроти<strong>в</strong>ления.<br />
Вы<strong>в</strong>оды<br />
Разработана конструкция бескорпусных мощных<br />
MOSFET-транзисторо<strong>в</strong> д<strong>в</strong>ух исполнений:<br />
• 1 — на без<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одном молибдено<strong>в</strong>ом кристаллодержателе;<br />
• 2 — с <strong>в</strong>нешними <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одами на металлокерамическом<br />
держателе (изолиро<strong>в</strong>анный<br />
78 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2009<br />
Технологии<br />
кристаллодержатель из керамики ВК-94 либо металлический<br />
из спла<strong>в</strong>а MD-40).<br />
Анализ экспериментальных результато<strong>в</strong> показы<strong>в</strong>ает, что монтаж<br />
кристалло<strong>в</strong> на э<strong>в</strong>тектику Au-Si поз<strong>в</strong>оляет значительно по<strong>в</strong>ысить<br />
устойчи<strong>в</strong>ость мощных транзисторо<strong>в</strong> к циклическому изменению<br />
температуры. Для получения качест<strong>в</strong>енного присоединения монтаж<br />
кристалло<strong>в</strong> необходимо <strong>в</strong>ыполнять на оборудо<strong>в</strong>ании, обеспечи<strong>в</strong>ающем<br />
<strong>в</strong>ибрационную пайку с д<strong>в</strong>ухкоординатным перемещением кристалла.<br />
Литература<br />
1. Кундас С. П., Достанко А. П., Ануфрие<strong>в</strong> Л. П. Технология по<strong>в</strong>ерхностного<br />
монтажа. Минск: Армита — Маркетинг, Менеджмент, 2000.<br />
2. Керенце<strong>в</strong> А. Ф., Ланин В. Л. Конструкти<strong>в</strong>но-технологические особенности<br />
MOSFET-транзисторо<strong>в</strong> // Сило<strong>в</strong>ая <strong>электроника</strong>. 2008. № 1.<br />
3. Рубце<strong>в</strong>ич И. И., Ануфрие<strong>в</strong> Л. П., Керенце<strong>в</strong> А. Ф. Исследо<strong>в</strong>ание<br />
MOSFET-транзисторо<strong>в</strong> <strong>в</strong> различных герметичных корпусах для<br />
по<strong>в</strong>ерхностного монтажа // Технология и конструиро<strong>в</strong>ание<br />
<strong>в</strong> электронной аппаратуре. 2004. № 5.<br />
4. Ануфрие<strong>в</strong> Л. П., Керенце<strong>в</strong> А. Ф., Ланин В. Л.А<strong>в</strong>томатизиро<strong>в</strong>анный<br />
монтаж кристалло<strong>в</strong> транзисторо<strong>в</strong> <strong>в</strong>ибрационной пайкой // Технологии<br />
<strong>в</strong> электронной промышленности. 2006. № 3.<br />
5. Цыкин А. В., Яко<strong>в</strong>ле<strong>в</strong> Г. А. По<strong>в</strong>ышение надежности несогласо<strong>в</strong>анных<br />
микрополоско<strong>в</strong>ых плат с корпусами СВЧ-модулей при циклических<br />
температурных <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>иях. Обзоры по электронной<br />
технике. Сер. 7. Вып. 12 (1476). М.: ЦНИИ «Электроника», 1989.<br />
6. Кузин А. Г., Лучко<strong>в</strong> Е. Н., Рыбало<strong>в</strong> Е. И. Малоцикло<strong>в</strong>ая термоусталость<br />
паяных соединений микроэлектронных компоненто<strong>в</strong> при по<strong>в</strong>ерхностном<br />
монтаже // Обзоры по электронной технике. Сер. 10. Вып. 1 (1335).<br />
М.: ЦНИИ «Электроника», 1988.<br />
www.power-e.ru<br />
79
Change language