Введение к работе
Актуальность темы. Внедрение энергосберегающих технологий неразрывно связано с достижениями в области силовой электроники. При монтаже мощных полупроводниковых приборов, таких как MOSFET и IGBT, одним из наиболее распространенных способов электрического соединения между контактными площадками кристалла и выводами корпуса является ультразвуковая сварка (УЗС) с помощью проволочных выводов диаметром 0,25 – 0,5 мм или ленточных перемычек. Этот вид монтажа остается одним из основных при сборке полупроводниковых приборов, что объясняется высокой автоматизацией процесса, универсальностью по отношению к различным технологическим вариантам производства и геометрическим размерам изделий.
В последнее время в печати появляются сообщения о перспективности сборки силовых полупроводниковых приборов (СПП) УЗС с использованием алюминиевой ленты. Данная технология получила название HARB (Heavy Aluminum Ribbon Bonding). Присоединение одной ленты шириной 2,0 мм и толщиной 0,3 мм эквивалентно трем петлям из проволоки диаметром 0,5 мм. Учитывая конструктивные и технологические особенности изготовления металлизации контактных площадок на кристаллах СПП, производитель может столкнуться с рядом ограничений на HARB-процесс. Нельзя полностью согласиться с утверждением, что «физические основы HARB и традиционной сварки толстой алюминиевой проволоки настолько близки, что для выполнения сварки лентой подойдет обычная установка УЗС, лишь немного модернизированная под HARB-процесс».
Известно, что в производстве СПП качество соединений на траверсах корпусов выше, чем на контактных площадках кристаллов. Для обеспечения высокого качества и воспроизводимости соединений на кристаллах СПП, полученных УЗС, необходимо проведение следующих исследований и разработок: свойств поверхности контактных площадок; оптимизация технологических режимов УЗС методом математического моделирования; разработка новых способов сварки, в том числе и сварочного инструмента с активацией процесса физико-химического взаимодействия контактирующих металлов (вывод – пленочная металлизация).
При разработке новых способов сварки необходимо учитывать традиционно сложившиеся подходы и методики конструирования и технологии производства СПП. Поэтому вопросы совершенствования процесса монтажа проволочных и ленточных выводов к кристаллам СПП являются актуальными как в научном, так и в прикладном плане.
Диссертация выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках госбюджетных программ ГБ-04.34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, A3B5 и др.), приборов и технологии их изготовления», номер гос. регистрации 0120.0412888 и ГБ-2010.34 «Физические основы технологии и проектирования полупроводниковых изделий микроэлектроники».
Цель и задачи работы. Целью работы является решение научно-технической задачи по повышению качества контактов алюминиевых проволочных и ленточных выводов с двухслойной алюминиевой металлизацией кристаллов силовых полупроводниковых приборов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
анализ способов монтажа внутренних выводов на кристаллах СПП;
исследование свойств поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов с нижним слоем, легированным 1% Ni или 1% Ti;
установление влияния двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов на качество сварных соединений с алюминиевыми выводами;
оценка коррозионной устойчивости, удельного и поверхностного сопротивлений, микротвердости двухслойной алюминиевой металлизации;
определение переходного сопротивления контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизации кристаллов;
выбор оптимальных режимов УЗС проволочных и ленточных алюминиевых выводов к контактным площадкам кристаллов СПП;
зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов;
расчет параметров конического ультразвукового концентратора для ультразвукового сварочного устройства;
расчет рабочего вылета инструмента в установке для УЗС выводов в корпусах с глубоким расположением кристалла;
разработка нового способа сварки ленточных выводов к кристаллам СПП импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний.
Методы исследований. При выполнении экспериментов использованы современные методы и оборудование. Напайка кристаллов с использованием припоя ВПр6 на основания корпусов осуществлялась на полуавтоматической установке ЭМ–4085–14М. Для УЗС проволочных/ленточных выводов использовалась установка УСИММ-61.
Коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевой металлизации изучали потенциодинамическим методом на потенциостате П-5827М с автоматической записью на потенциометре КСП.
При выполнении экспериментов использовались электронный микроанализ и растровая электронная микроскопия.
Научная новизна работы. Получены следующие новые научные и технические результаты:
впервые установлено влияние легирования нижнего слоя 1% Ni или 1% Ti на свойства (химический состав, микротвердость, коррозионная устойчивость, поверхностное и удельное сопротивления) поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов и на качество (прочность и сопротивление) контактов на кристаллах СПП;
методом планирования многофакторных экспериментов определены оптимальные режимы УЗС проволочных и ленточных алюминиевых выводов к кристаллам с двухслойной алюминиевой металлизацией СПП, обеспечивающие высокое качество контактов;
впервые установлена зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов. Показано, что при сборке СПП с использованием алюминиевой ленты сечением 1,35х0,145 мм2 требуется удельное давление сварочного инструмента на кристалл в 7 раз меньше, чем при УЗС проволоки диаметром 0,025 мм;
разработан новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, отличающийся от известных тем, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний;
Реализация результатов работы, практическая значимость.
Проведен анализ способов монтажа внутренних выводов на кристаллах СПП. Показана перспектива использования ленточных выводов (HARB–технология) в производстве СПП.
Исследованы свойства поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов с нижним слоем, легированным 1% Ni или 1% Ti, и их влияние на качество сварных соединений с алюминиевыми выводами СПП.
Проведена оценка коррозионной устойчивости, удельного и поверхностного сопротивлений, микротвердости двухслойной алюминиевой металлизации. Существенное влияние на коррозионную устойчивость двухслойной алюминиевой металлизации оказывает температурный отжиг и легирование нижнего слоя алюминиевой металлизации кремнием.
Определено переходное сопротивление контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией кристаллов. Установлено, что величина переходного сопротивления контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией уменьшается с ростом толщины металлизации, а также при напылении алюминия на SiO2-основу по сравнению с напылением на чистый кремний.
На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований определены оптимальные режимы УЗС проволоки диаметром 0,4 мм и ленты сечением 1,35х0,145 мм2 к двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов, обеспечивающие высокое качество контактов.
Установлена зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов. При сборке СПП с использованием алюминиевой ленты сечением 1,35х0,145 мм2 требуется удельное давление на контактные площадки кристаллов в 7 раз меньше, чем проволоки диаметром 0,025 мм. Утверждение производителей СПП о том, что при использовании HARB – процесса возможно повреждение кристалла, не обосновано.
Проведены расчеты параметров конического ультразвукового концентратора для ультразвукового сварочного устройства и рабочего вылета инструмента в установке для УЗС выводов в корпусах с глубоким расположением кристалла.
Разработан новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, заключающийся в том, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний. Для данного способа приведены стадии формирования сварных контактов и разработана циклограмма процесса сварки.
Основные положения, выносимые на защиту.
Установленную зависимость влияния легирования нижнего слоя 1% Ni или 1% Ti на свойства (химический состав, микротвердость, коррозионная устойчивость, поверхностное и удельное сопротивления) поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов и на качество (прочность и сопротивление) контактов на кристаллах СПП.
Выбор оптимальных режимов УЗС проволочных и ленточных алюминиевых выводов к кристаллам с двухслойной алюминиевой металлизацией СПП, обеспечивающие высокое качество контактов «вывод - пленочная» металлизация.
Расчетную зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов.
Новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, заключающийся в том, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических семинарах: семинаре-презентации «Элементная база силовой электроники, СБИС и ПЛИС специального назначения», (Воронеж, 2008); XV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2008» (Москва, 2008); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (Воронеж, 2007 – 2010); Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – анализ свойств алюминиевой металлизации на кристаллах, [2 – 4, 6, 7, 8, 9, 12, 16, 18] – исследование свойств двухслойной алюминиевой металлизации и их влияние на качество соединений с алюминиевыми выводами, [10, 11, 13] – оптимизация режимов УЗС проволоки и ленты из алюминия к кристаллам СПП, [5, 7, 14, 15, 17] – расчеты концентратора и инструмента для установки УЗС, [1 – 18] – обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 141 наименования. Основная часть работы изложена на 158 страницах, содержит 62 рисунка и 15 таблиц.
