Способность периодически передавать мощность

Эта способность на частотах ниже приблизительно 3 кГц, особенно при рабочем цикле, преимущественно в пусковых, тяговых и импульсных применениях, будет подвергать температурной циркуляции внутренние соединения модуля, такими соединениями будут:

• соединения проводов,
• нижняя пайка кристаллов,
• пайка DCB и основной пластины,

а также покрытие подложки (Cu на Al2O3 или AIN).

Разные коэффициенты расширения слоев вызовут температурные перегрузки при изготовлении и работе, что приведет к старению и износу материала; срок службы модуля (число возможных коммутаций) будет уменьшен, если амплитуда перепадов температуры кристалла возрастет при этих циклах.

Процесс испытаний рассмотрен в п.2.7; корреляция срока службы модуля и амплитуды перепадов температуры будет разъяснена в п. 3.2.3.

Ни рис.1.54а показаны детали структуры модуля IGBT которые имеют отношение к его сроку службы.

Из рис.1.54 ясно, что пайка подложки к медной пластине имеет большое значение, так как это наибольшее соединение - обеспечивается средний перепад коэффициентов расширения соседних материалов. Следовательно, нужно использовать высококачественные припои и сложный процесс пайки для избежания деформации и разрушения подложки также в случае больших амплитуд перепадов температуры.

Рис. 1.54. Температурное расширение в силовом модуле
а) стандартная сборка модуля с основной пластиной
b) коэффициент температурного расширения
с) сравнение: сборка с и без медной основной пластины; Al₂O₃-подложка
d) сравнение: сборка с и без медной/AlSiC пластины; AIN-подложка

Кроме того, часто DCB-подложки разделяют для сохранения по возможности минимальной абсолютной разницы коэффициентов расширения с помощью уменьшения площадей пайки. В других, позже разработанных типах модуля, медь заменена материалом с малым коэффициентом расширения (такой как AlSiC), см п. 1.5.4 и [206].

Также показано на рис.1.54, что модули с AIN-DCB особенно чувствительны, так как коэффициент расширения AIN очень похож на коэффициент кристалла кремния, но имеет большее отличие от меди по сравнению с Al₂O₃. Следовательно, сегодняшние модули с AINDCB и медными пластинами не могут полностью использовать реальные параметры материала из соответствующих технических данных.

Становится очевидным, что одну из основных причин износа и старения можно устранить при исключении основной пластины и пайки к ней, до тех пор, пока обеспечена передача тепла от подложки к радиатору и компенсирован недостаток распространения тепла. Это реализовано в технологиях SKiiP, MiniSKiiP, SEMITOP и SKiM (см. п. 1.5).

Улучшить теплопередачу пайки кристалла к подложке можно при помощи

• использования AIN-подложек с меньшим отклонением коэффициента расширения от кремния, чем Al₂O₃,
• заменой пайки низкотемпературными соединениями; соединение кристаллов с подложкой выполнено спеканием серебряным порошком при сравнительно низких температурах (150-200°С), что минимизирует температурный перепад между материалами при изготовлении.

Внутренние соединения. Также на срок службы соединений внутренних проводов и кристалла непосредственно влияет разница коэффициентов температурного расширения. У кремния относительно малое продольное расширение (4.7 ·10^-6/К). Однако Al-металлизация контактов эмиттера и затвора, которая подвержена тем же перепадам температуры, показывает значительно большее относительное продольное расширение (23·10^-6/К). Перегрузки внутри металлизации вызваны этой разницей в расширениях и перестановкой атомов кристалла. Этот процесс называется «реконструкцией». Реконструкция - хорошо заметна на светорассеивающих поверхностях - приводит к разрушению внутренних связей [304]. Реконструкцию Al-металлизированных контактов можно уменьшить полиимидным покрытием.

Срок службы соединений внутренних проводов на контактной поверхности кристалла значительно возрастет при использовании покрытий проводов. Однако при этом возникает другая проблема. Механическая деформация внутренних проводов при разных температурных перепадах, которая вызвана разницей коэффициентов температурного расширения подложки и Al-проводов, приведет к их надломам возле узлов с печатной стороны соединения, так как узел механически закреплен полиимидным покрытием.

Разрушения проводов часто происходят при испытаниях срока службы, потому что разрушение на самом деле вызвано старением слоя припоя. Температурное сопротивление растет из-за трещин в припое, поэтому растет температура кристалла, и большим температурным перепадам подвергаются внутренние соединения и слой припоя кристалла. В конце концов, эта обратная связь приведет к поломке модуля.

В любом случае старение паяного соединения нужно исследовать при анализе отказов. Используя современные технологии пайки, добиваются почти одинакового срока службы при высокотемпературных перепадах (DT 100 К).

На современном испытательном оборудовании измерены и записаны падение напряжения и температурное сопротивление силовых приборов. Так что можно наблюдать изменения в слое припоя и внутренних соединениях.

Соединения внутренних проводов в IGBT и диодах можно заменить на контакты под давлением с высокотемпературными характеристиками благодаря их технологии. Процесс освоения этой технологии применительно к силовым модулям все еще разрабатывается.