Автоматизированный монтаж кристаллов силовых диодов

Введение

В выпрямителях бортовых генераторов переменного тока автотранспортных средств (АТС) используются силовые выпрямительные и лавинные выпрямительные диоды. Вторые имеют на обратной ветви вольт-­амперной характеристики участок лавинного пробоя, обеспечивающий ограничение обратного напряжения на диоде на уровне напряжения лавинного пробоя в течение ограниченного промежутка времени. Выпрямительные блоки, выполненные на лавинных диодах, создают защиту для бортовой сети АТС (электронные системы управления двигательной установкой, АБС, диагностики, сигнализации и др.) от переходных процессов, вызываемых функционированием мощных потребителей в этой сети. Энергия переходных процессов достаточно велика и в худшем случае может достигать мощности генераторной установки. Вот почему диоды, используемые в выпрямителях бортовых генераторных установок, должны быть достаточно мощными и выдерживать импульсные нагрузки, многократно превышающие номинальные режимы.

Современные требования к надежности электронных компонентов генераторных установок допускают уровень отказов не более 100 ppm (100 отказов на 1 млн находящихся в эксплуатации компонентов, например выпрямительных блоков) в гарантийный период (включая процесс производства генераторов и автомобиля). Это чрезвычайно жесткие требования.

Надежность силовых выпрямительных диодов определяется качеством и исправностью не только полупроводникового кристалла, но и сборки диода. Монтаж кристаллов при изготовлении силовых диодов должен обеспечить высокую механическую прочность соединений корпус-­кристалл, кристалл­-вывод при температурных и механических воздействиях, а также низкое тепловое и электрическое сопротивление.

Сегодня назрела необходимость создания оборудования автоматизированного монтажа кристаллов, отвечающего современным требованиям надежности, и разработка такого оборудования позволяет обеспечить прецизионное присоединение кристаллов с необходимой точностью и надлежащим качеством.

Анализ факторов, влияющих на процесс сборки диодов

Силовые диоды в выпрямительных блоках генераторных установок АТС обычно монтируются в полюсные пластины выпрямителя путем запрессовки, что обеспечивает хороший отвод тепла от корпуса диода и низкое электрическое сопротивление соединения корпуса и полюсной пластины.

В связи с этим диоды должны допускать запрессовку в отверстия полюсной пластины (теплоотвода) с усилием до 5000 Н с натягом, достаточным для обеспечения усилия выпрессовки не менее 600 Н. Вывод диода должен выдерживать воздействие растягивающей силы, направленной вдоль оси вывода, величиной 20 Н.

Диод должен выдерживать не менее 4000 циклов изменения температуры корпуса от +40 до +125 °C (до +165 °C p‑n‑перехода) за счет разогрева протекающим циклическим током и воздействие механических факторов согласно ГОСТ 20859.1, номенклатура и значение которых приведены в таблице 1.

В соответствии с требованиями ГОСТ 20859.1 диод должен быть стойким к воздействию климатических факторов, номенклатура и значение которых приведены в таблице 2, а также к влиянию топливно­смазочных материалов, соляного тумана и к плесневым грибам. Вероятность безотказного функционирования за время наработки в течение 10 000 ч не менее 0,99. Гамма­процентный срок службы диода при g = 90% не менее 10 лет.

Диоды должны выдерживать максимально допустимый средний прямой ток 25–45 А, импульсное прямое напряжение не более 1,25 В, ударный неповторяющийся ток не менее 300–400 А и иметь тепловое сопротивление переход-­корпус 0,6–0,9 °C/Вт.

Диод состоит из корпуса, вывода и полупроводникового кристалла (рис. 1). Корпус изготовлен из прутка диаметром 12 мм медного сплава М1 холодной штамповки. Корпус и вывод имеют никелевое покрытие (5–7 мкм), нанесенное гальваническим способом. Для монтажа полупроводникового кристалла корпус имеет тарельчатую площадку. Полупроводниковый кристалл монтируется в корпус пайкой. Вывод монтируется на верхнюю поверхность кристалла пайкой. После сборки арматуры диода внутренняя полость корпуса заполняется заливочным компаундом, который обеспечивает герметизацию диода и дополнительное механическое закрепление вывода.

Рис. 1. Конструкция лавинного выпрямительного диода:
1 — корпус;
2 — кристалл;
3 — вывод;
4, 5 — припой;
6 — герметизирующий компаунд

В настоящее время сборка силовых выпрямительных и силовых лавинных выпрямительных диодов базируется на ручной сборке элементов арматуры диода в групповые кассеты и групповой кассетной пайке арматур в туннельных печах в среде водорода. Однако такой способ не обеспечивает высокой сплошности и надежного паяного шва даже у диодов, удовлетворяющих требованиям к электрическим параметрам (рис. 2).

Рис. 2. Вид паяного шва кристалл-вывод годных по электрическим параметрам и выдержавших испытание на устойчивость к воздействию растягивающих усилий 20 Н арматур диода

Наличие подобных дефектов выявляют и с помощью рентгеновского излучения (рис. 3).

Рис. 3. Рентгенограммы паяных соединений диодов

Практика показывает, что даже при сплошности паяных швов, достигающих 75%, при проведении приемо-­сдаточных испытаний (ПСИ) диод имеет значения электрических параметров, удовлетворяющие требованиям технических условий. Показатели надежности при проведении ПСИ оценить практически невозможно, в связи с этим существует вероятность отказа в процессе эксплуатации.

Выбор типа бессвинцовых припоев

Принятие директивы Совета Европы по экологической безопасности RoHS (ограничение на использование опасных веществ) стало причиной многих проблем для фирм, занимающихся процессами пайки в электронике традиционными методами с использованием свинцовых припоев, поскольку на европейском рынке свинец запрещен к применению в электронном оборудовании начиная с июля 2006 года [1].

Теплопроводность паяных соединений в значительной степени определяется теплопроводностью припоя, особенно при его слабом химическом сродстве с паяемым металлом. В случае образования между ними твердых растворов теплопроводность паяных соединений может снижаться по сравнению с теплопроводностью припоя. Теплопроводность припоев и паяных соединений является важным параметром для силовых полупроводниковых приборов, в которых интенсивный теплообмен служит определяющей характеристикой надежности. Особенно важна высокая теплопроводность припоев с целью обеспечения высокого качества паяных соединений для деталей с различными коэффициентами теплопроводности, например кремниевого кристалла с медным корпусом. Качество припоя зависит от доли вредных примесей в сплаве, которые снижают прочность паяного соединения.

При выборе припоя следует учитывать растворимость компонентов основного металла в расплавленном припое, так как в процессе пайки его состав и температура плавления могут существенно изменяться — это приводит к тому, что припой или не заполнит зазор, или будет растворять основной металл [2]. Оценка вариантов бессвинцовой технологии сборки должна проводиться по следующим критериям [3]: способность к пайке, надежность паяных соединений, чувствительность к образованию нитевидных кристаллов, совместимость процессов пайки без свинца и пайки припоем Sn­Pb, переходное сопротивление контактов, коррозионное истирание, коэффициент трения, технология нанесения покрытия, стоимость. При разработке паяных конструкций в силовых приборах принимают во внимание физико-­механические свойства припоев и их совместимость их с паяемыми покрытиями: температуру плавления, пределы прочности на растяжение, срез, предел текучести, относительное удлинение, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности, удельное электросопротивление и т. д.

Два бессвинцовых сплава достаточно исследованы с точки зрения их использования на операции напайки кристаллов в изделиях микроэлектроники. Сплав 96,2Sn/2,5Ag/0,8Cu/0,5Sb, получивший название CASTIN, имеет температуру плавления +215…+217 °C. Он легирован сурьмой, что заметно улучшает его свойства, а именно в нем не растут кристаллы интерметаллических соединений при температуре до +125 °C. Известно, что в соответствии с требованиями военных стандартов Sb добавляется в количестве 0,2–0,5% в оловянно-­свинцовые припои для улучшения их стойкости при термоциклировании [4].

Эвтектический сплав 96,5Sn/3,5Ag с температурой плавления +221 °C при испытаниях на термоциклирование показал более высокую надежность по сравнению с Sn/Pb. Данный припой годы применяется в специальной аппаратуре и имеет более высокую смачиваемость по сравнению с Sn/Pb.

Способность паяемых покрытий при режимах пайки смачиваться припоем определяет качество пайки. Смачиваемость покрытий припоем относится к технологическим факторам, позволяющим проводить экспресс­-анализ пайки как способа соединения элементов. Проведен анализ растекания бессвинцовых припоев по никелевым покрытиям корпусов и серебряным покрытиям кристаллов. Лучшие результаты смачивания при температурах нагрева в различных средах показал припой состава (вес. %) 87–89Sn/9–11Bi/0,8–1,2Sb. Смачивание и растекание данного припоя по паяемым поверхностям кристалла и корпуса хорошее (Кр составляет 1,1–1,15) в водороде, формир-­газе (смесь газов H₂ и N₂ в соотношении 15:85) и вакууме. Содержание в припое 87–89% олова обеспечивает высокий коэффициент теплопроводности и хорошую смачиваемость покрытий кристалла и основания корпуса; 9–11% висмута снижает температуру плавления припоя до +230…+240 °C; 0,8–1,2% сурьмы улучшает сопротивление сплава термической усталости.

При анализе растекания припоев по различным покрытиям отмечены участки, не смачиваемые припоем, что свидетельствует о плохом качестве подготовки поверхности перед пайкой (рис. 4, образцы 2б, в). Такое явление недопустимо при пайке кристаллов к основаниям корпусов в производстве силовых приборов, когда площадь спая должна быть не менее 95% от площади кристалла. Наличие зазора или пустот между кристаллом и поверхностью, на которую он крепится, при эксплуатации приводит к увеличению температуры активной части полупроводниковой структуры и в конечном итоге к ухудшению электрических характеристик.

Рис. 4. Внешний вид растекания припоя 87–89Sn/9–11Bi/0,8–1,2Sb (вес. %) по серебряному покрытию кристалла (1) и по никелевому покрытию корпуса (2) при нагреве в различных средах:
а) в водороде;
б) в формир-газе; в) в вакууме

Для пайки силовых диодов выбрана бессвинцовая паяльная паста 798LF, содержащая флюс, разработанный специально для высокотемпературных процессов поверхностного монтажа в воздушной среде. Остатки флюса удаляются после пайки теплой деионизированной водой.

Автоматизированный монтаж кристаллов

Операция присоединения кристаллов наряду с операцией монтажа выводов является наиболее трудоемкой в сборочном цикле производства полупроводниковых приборов, в том числе и интегральных схем. В современных автоматах присоединения кристаллов кристалл захватывается инструментом с адгезионного носителя или из кассеты, переносится на позицию присоединения и присоединяется с помощью вибрации или без нее, с нагревом или без, в зависимости от назначения приборов [5].

Метод присоединения кристаллов на легкоплавкий припой обеспечивает высокие тепло­ и электропроводность соединений, механическую прочность, хорошее согласование по ТКЛР, а при необходимости и демонтаж кристаллов. В этом случае наблюдается низкое тепловое сопротивление между кристаллом и держателем и вследствие низких механических напряжений повышается устойчивость работы изделий при циклических теплосменах. В то же время относительно низкая температура плавления припоев ограничивает технологическую температуру на последующих операциях присоединения выводов и герметизации корпуса. Благодаря высокой теплопроводности и малой теплоемкости припоев время для плавления и получения соединения достаточно мало, что делает целесообразным выполнение этих операций с высоким уровнем автоматизации.

Процесс монтажа кристаллов состоит в автоматизированном размещении кристалла (с использованием вибрации инструмента) на дозированной капле жидкого припоя на кристаллодержателе (выводная рамка), которая может быть получена дозированием проволочного припоя формированием капли. Кристаллодержатель (выводная рамка) транспортируется через нагреватель, где происходит контролируемый нагрев до +300…+450 °C. В зону монтажа кристаллов подается защитный формир­-газ для снижения окисления припоя, контактной металлизации кристалла и кристаллодержателя.

Автоматизированный процесс монтажа кристаллов на припой на автомате присоединения кристаллов ЭМ‑4085 обладает рядом особенностей, позволяющих осуществлять монтаж на выводные рамки из медного сплава, покрытые никелем. Нагреватель в автомате туннельного типа содержит 12 зон контролируемого и регулируемого нагрева до +450 °C; блок формирования защитно-восстановительной атмосферы смешивает поступающие газы H₂ и N₂ в смесь в соотношении 10–20% и 80–90% (формир-­газ) для активирующего воздействия на процесс монтажа кристаллов.

Программно управляемый процесс монтажа кристаллов предусматривает автоматизированное размещение кристалла по заданной траектории с определенной амплитудой на дозированной капле жидкого припоя на кристаллодержателе (выводной рамке), которая может быть получена дозированием проволочного припоя. Кристаллодержатель (выводная рамка) транспортируется через нагреватель, где происходит контролируемый нагрев до +300…+400 °C. Описанный способ монтажа хорошо себя зарекомендовал многолетней эксплуатацией [6].

Однако для приборов, у которых в процессе сборки необходимо создать два паяных шва — основание-­кристалл и кристалл­-вывод, требуется два припоя с разницей температур плавления не менее 40 °C, чтобы обеспечить неподвижность кристалла при присоединении вывода. Это существенно усложняет и процесс сборки, и оборудование, позволяющее выполнять сборку в автоматическом режиме [7].

Отличие пайки с помощью паяльной пасты заключается в простоте ее нанесения и содержании флюса, который не только надежно очищает спаиваемые поверхности и припой, содержащийся в пасте, улучшая тем самым условия смачивания спаиваемых поверхностей расплавленным припоем, но и защищает их от окисления в процессе пайки. Кроме того, при использовании паяльных паст легче получить два паяных шва: основание-­кристалл и кристалл-­вывод. Пайка обоих швов производится одновременно при одной и той же температуре. При пайке с применением паяльных паст не требуется восстановительная среда, достаточно защитной атмосферы — азота.

Рис. 5. Автомат сборки диодов ЭМ‑4085 Д1

В автоматах сборки диодов ЭМ‑4085Д и ЭМ‑4085Д1 (рис. 5) вместо дозатора проволочного припоя установлены два пневматических дозатора паяльной пасты, позволяющих получать стабильные дозы пасты объемом от 0,5 до 5 мкл (табл. 3). Объем дозы пасты устанавливается в зависимости от размера (площади) кристалла, чтобы создать припойный шов необходимой толщины.

Опытным путем установлено, что при толщине шва 35–45 мкм обеспечиваются сплошность швов не хуже 95%; тепловое сопротивление для размера кристалла 4,2×4,2 мм не более 0,8 °C/Вт; импульсное прямое напряжение 1,06–1,14 В.

Пневматические дозаторы, примененные в автоматах ЭМ‑4085Д и ЭМ‑4085Д1, имеют программное управление временем дозирования, установкой зазора между дозирующей иглой и поверхностью кристалла, причем зазор устанавливается с помощью специального алгоритма поиска поверхности с последующим подъемом иглы на заданную высоту. Температура подогрева шприца с паяльной пастой и давление корректируются специальными регуляторами. Все это обеспечивает высокую точность и повторяемость дозирования.

Для подбора режимов дозирования и пайки и оценки характеристик диодов, собранных с использованием паяльных паст, было изготовлено несколько опытных партий диодов. Схема технологического процесса производства диодов приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема технологического процесса сборки силовых лавинных выпрямительных диодов

В центр монтажной площадки корпуса диода наносилась доза паяльной пасты пневматическим дозатором с диаметром канала 0,83 мм, при давлении 3 МПа, с длительностью импульса 300 мс. Вакуумным пинцетом с незначительным давлением кристаллы укладывались на паяльную пасту в центр монтажной площадки. Давление необходимо для горизонтального выравнивания поверхности кристалла, при этом выдавливание пасты из-­под кристалла не допускалось. В центр полупроводникового кристалла наносилась доза паяльной пасты пневматическим дозатором с диаметром канала 0,83 мм, при давлении 0,3 МПа, с длительностью импульса 240 мс. С незначительным давлением вывод с помощью пинцета устанавливался в центр полупроводникового кристалла поверх дозы припоя, при этом выдавливание пасты из-­под кристалла и вывода не допускалось.

Установлены оптимальные режимы дозирования пасты 798LF для получения массы дозы припоя 5,3 мг: давление — 0,045 МПа, время дозирования на кристалл — 360 мс, время дозирования на вывод — 320 мс. Опытным путем уточнены режимы пайки арматур: температура на поверхности нагревательного столика +250 °C; время пайки 180 с.

После пайки арматуры снимались с нагревательного столика и устанавливались на теплоизолирующую подставку до охлаждения (8–10 мин). После охлаждения арматуры погружались в ванну с теплой (+40…+50 °C) деионизированной водой для растворения остатков флюса на время 30–40 мин. Последующая отмывка арматуры производилась в ванне с теплой (+40…+50 °C) деионизованной водой в течение 25–30 мин с воздействием ультразвука. После извлечения из ванны арматуры продувались сжатым воздухом, а затем высушивались в тепловой камере при температуре +165 °C в течение 1,5 ч.

Заливка арматур выполнялась компаундом ЭТАЛ 4500Т вручную с использованием медицинских шприцев непосредственно после извлечения из тепловой камеры. После полимеризации компаунда проводилась проверка электрических параметров диодов. Сборка и проведенные исследования и испытания опытной партии диодов показали, что использование паяльных паст возможно для изготовления силовых диодов. Параметры и характеристики опытных диодов не уступают соответствующим параметрам и характеристикам диодов, изготавливаемых по существующей технологии.

Сплошность паяных швов, полученных с использованием паяльной пасты 798LF, увеличилась (рис. 7).

Рис. 7. Паяные швы корпус-кристалл и кристалл-вывод

Дополнительно с помощью акусто­оптического метода проведена оценка сплошности паяного шва корпус-­кристалл (рис. 8), которая показала, что шов обладает сплошностью на уровне 90–95%.

Рис. 8. Фотограмма паяного шва корпус-кристалл

Выводы

Разработан автоматизированный процесс монтажа кристаллов силовых диодов и установлены оптимальные режимы дозирования пасты и пайки. Проверка опытной партии показала, что параметры и характеристики диодов, пайкой монтируемых на пасту, не уступают соответствующим параметрам и характеристикам диодов, изготавливаемых по существующей технологии. Модернизация оборудования привела к повышению производительности процесса, улучшению качества изделий и экологической обстановки на производстве.