この記事では、最新のパワーモジュールIGBTおよびMOSFETモジュールの使用と組み立て、これらのモジュールの操作と組み立て中に発生する問題、およびこれらの問題の解決方法について説明します。
最新のパワー半導体デバイス
パワー半導体デバイスは、現代世界で非常に普及しています。 それらは、家電製品、電車、電気自動車、溶接機などに見られます。 ほとんどの場合、パワー半導体デバイスは、電圧コンバータおよび電気モータードライバーに使用されます。
今日、最も一般的なMOSFETおよびIGBTパワーモジュール。 さらに、MOSFETは小さな容量でより多く使用され、パワーエレクトロニクスはより頻繁にIGBTで使用されます。 IGBTとMOSFETのパワーモジュールを合わせると、パワー半導体デバイス市場の80％を占めます。 パワーエレクトロニクスを開始した従来のデバイス：ロック可能なもの（GTO）、バイポーラトランジスタ（BPT）を含むサイリスタ（SCR）は、近年、フィールド制御デバイスにますます置き換えられています。
IGBT（絶縁-ゲートバイポーラトランジスタ）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ （IGBT）-スイッチング電源、インバータ、および電気駆動制御システムで強力な電子スイッチとして主に使用される3電極パワーエレクトロニクスデバイスです。 IGBTのグラフィックシンボルを次の図に示します。 内部構造では、IGBTは2つの電子キーのカスケード接続です。電界効果トランジスタの入力キーは、バイポーラトランジスタの強力なターミナルキーを制御します。 制御電極は、電界効果トランジスタのようにゲートと呼ばれ、他の2つの電極は、バイポーラのようにエミッタとコレクタと呼ばれます。 このようなフィールドトランジスタとバイポーラトランジスタの複合包含により、1つのデバイスに両方のタイプの半導体デバイスの利点を組み合わせることができます現在、パワーIGBTモジュールは10〜2400 Aの電流と最大3.3 kVのスイッチング電圧で使用できます。 多くの場合、インテリジェントパワーモジュール（IPM-インテリジェントパワーモジュール）を見つけることができます。 インテリジェントパワーモジュール（IPM）モジュールは、センサー、保護ドライバー回路、および診断を含む制御ボードの存在によって区別されます。
MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）は MOS構造（金属酸化膜半導体）-最も広く使用されている電界効果トランジスタです。 この構造は、二酸化ケイ素（SiO2）の層で分離された金属と半導体で構成されています。 一般的な場合、構造はMIS（金属-誘電体-半導体）と呼ばれます。 MOS構造に基づくトランジスタは、電界効果またはMOSトランジスタと呼ばれます。 図に示されている記号。
IGBTおよびMOSFETパワーモジュールの例を下図に示します。
これらの電源モジュールは、DCBテクノロジー（直接銅ボンディング）を使用して作成されます。これは、文字通り銅への直接着陸として変換されます。 この図は、DCB電源モジュールのセクションを示しています。
鉛フリーはんだは、最新のパワーデバイスのはんだとして使用されており、デバイスの特性に多くの制限を課しています。 鉛フリーはんだの低融点（約250°C）は、100-120°Cの最大動作温度に制限を課します。これにより、200°Cを超える動作温度のヒ化ガリウムチップまたは炭化ケイ素を使用してDCB構造を組み立てることができなくなります。 。 また、はんだは熱サイクルに耐えられません-最高温度までの加熱とその後の冷却。 数千サイクル後、はんだに細孔が割れているように見えます。
異なる熱膨張係数（シリコンのKTP = 4μm/ mK、はんだのKTP = 25-30μm/ mK）により、トランジスタのさまざまな部分が異なって膨張し、構造が曲がります。 曲げが原因で、ラジエーターとの接触が悪化し、最悪の場合、シリコンチップが割れることがあります。 この現象はバイメタル効果と呼ばれます。 バイメタル効果のため、直径が100 mmを超えるシリコンチップで構造を組み立てることはできません。 鉛フリーはんだよりもはんだとしてCTEの低い材料を使用すると、この問題を解決できます。 このような材料は、ペーストシンター（KTP = 19-20μm/ mK）です。
焼結ペースト
焼結ペーストは、溶剤を含む銀粉です。 焼結ペーストの技術は非常に新しいため、ロシア語ではそれらを呼び出すことができる確立された用語はありません。 リテラル翻訳は、シンターパスタのように聞こえます。 焼結後、焼結ペーストは純銀になり、すべての溶媒が蒸発します。 構造を以下に示します。 粒子サイズは0.1〜1ミクロンです。 左側は実際のサンプルの写真、右側はヘラウスの焼結ペーストmAgic焼結ペーストのドキュメントからの図面です。 以下の表は、焼結ペーストと鉛フリーはんだを比較しています。 焼結ペーストの熱伝導率と電気伝導率が高く、KTP値が低いことがわかります。
焼結ペーストは2段階で焼結されます。 焼結の前に、焼結ペーストをスクリーン印刷で接続する表面に塗布します。 層の厚さは150ミクロンです。 最初の段階は、温度80°Cで15分間の予備乾燥です。 次に、30 MPaの圧力と270°Cの温度で5分間焼結します。 直径150 mmを超えるチップでは、圧力をかけずに焼結できます。
焼結ペーストの特性を研究するために、DCB構造モデルが使用されました。 DCBセラミックとして、厚さ2 mmの銅板を使用しました。 適用するとき、厚さ150μmのステンシルを使用し、そこに10×10mmの正方形の穴を開けた。 焼結ペーストの均一性を研究するために、サーモEMF法が使用されました。 このために、熱EMF測定ユニットが組み立てられました。 ヒーターとしては、Lukey 702はんだ付けステーションのはんだごてのヒーターを使用し、温度設定器は同じはんだ付けステーションでした。 ヒーターにタングステン針を取り付けました。 サーモEMFの値は、UT71Dマルチメーターで測定されました。 これらはすべて、マイクロメータテーブルとヒーターが取り付けられたスプリング式サスペンションを備えたPMT-3顕微鏡のベッドに取り付けられました。
さまざまな圧力（10、20、30、40、および50 MPa）で焼結したサンプルをこのセットアップで測定しました。 測定は1 mm単位で行われました。 ヒーター温度320°C 測定後、10 x 10の値のマトリックスが得られ、散乱パラメーターrが均一性の基準として選択されました。 次のように、サーモEMFの値から導出されます。
結果は表にまとめられ、焼結の圧力に対する均一性の依存性が構築されます。
結果から、圧力が増加すると均一性が増加すると結論付けることができますが、圧力が増加すると、接続された部品の平面平行度を観察することが難しくなり、シリコンチップの損傷につながる可能性があります。
焼結ペーストの多孔度の圧力依存性を調べるために、5つのサンプルを10〜50 MPaの圧力で焼結しました。 30 MPa以上の圧力で焼結した試験片では、鏡面光沢領域が見られます。これは、これらの領域で密度が銀の密度に近づくことを示しています。 焼結後、接点は純銀であるため、接点密度を計算し、銀密度と比較することにより、焼結ペーストの多孔性を調べることができます。 コンタクトを銅ベースから分離し、マイクロメーターで測定し、電子スケールで計量しました。 測定結果と計算結果は表にまとめられており、この表に従って、多孔度の焼結圧力依存性のグラフが作成されます。
焼結ペーストの接着性のコーティングへの依存性を調べるために、4つのサンプルを作成し、30 MPaの圧力で焼結しました。 金、銀、ニッケルのコーティングが使用されました。 最後のサンプルはコーティングされていません。 表からわかるように、金が最高であり、銅が最悪であることが証明されました。
おわりに
焼結ペーストは、鉛フリーはんだの代替としてパワー半導体モジュールでの使用に適しています。 熱と電気伝導率の最良の指標は、同じ寸法を維持しながらデバイスの電力を増加させることができます。 融点が高いと、200°C以上の温度で動作できる炭化ケイ素およびヒ化ガリウムチップを使用できます。 また、焼結ペーストは、熱サイクルの結果としてその特性を低下させず、デバイスの信頼性が向上します。