Сборка мощных бескорпусных MOSFET-транзисторов для поверхностного монтажа

Владимир Ланин

Анатолий Керенцев

Варианты технологий
поверхностного монтажа

В настоящее время поверхностный монтаж электронных компонентов на платы — одно из перспективных направлений сборки блоков РЭА, к которым
предъявляются требования миниатюрности и невосприимчивости к низкочастотной вибрации. В технологии поверхностного монтажа выделяют два основных направления [1]: монтаж в плоских корпусах с планарным расположением выводов на печатной плате
(Surface Mount Technology, SMT) и совмещенный монтаж корпусированных и бескорпусных кристаллов
на плате (Chip on Board, COB). В первом случае в качестве активных электронных компонентов широко
применяются транзисторы в пластмассовых корпусах
типа SOT-23, SOT-223, D-Pak, D2-Pak (SMD-220). Перспективны в этом случае и изделия в герметичных металлокерамических корпусах типа SMD-0,5, SMD-1,
SMD-2, которые позволяют осуществлять дальнейшую
микроминиатюризацию, уменьшение веса при высокой
рассеиваемой мощности и сохранение герметичности
после длительных термоциклических нагрузок [2].

Технология совмещенного монтажа корпусированных и бескорпусных кристаллов, а также монтажа
бескорпусного кристалла на коммутационной плате
(Chip-and-Wire Technology, CWT) использует проводное соединение непосредственно прикрепленного к плате кристалла с печатными проводниками платы. Электрические соединения выполняются проводниками из золота или алюминия ультразвуковой
сваркой. Занимаемая кристаллами область заливается эпоксидной смолой. Преимущества по сравнению
с технологией поверхностного монтажа: компактность (за счет экономии места) и экономичность (нет
пластикового корпуса).

Выбор типа корпуса зависит от мощности, рассеиваемой прибором, и реального размера полупроводникового кристалла. SОТ-23 применяют для корпусирования кристаллов площадью до 1,0 мм² и рассеиваемой мощностью до 500 мВт, SОТ-89 рассчитан
на кристаллы площадью 3,0 мм² и мощность до 1 Вт,
а корпуса типа SMD — 150 Вт [3]. Транзисторные
корпуса имеют простую конструкцию с тремя выводами: у SОТ-23 центральный вывод расположен
с одной стороны корпуса, а два других вывода —
с другой, в то время как у SОТ-89 они находятся
по одну и ту же сторону корпуса, а центральный
вывод имеет увеличенный размер для лучшего отвода тепла (рис. 1). Корпус типа SOT герметизируют методом литьевого прессования с применением
пресс-материала (например, ST7100DSA — Корея,
MG-40F — Германия), а SMD-05-(2) — шовной роликовой сваркой.

Корпуса SОТ-23 и SОТ-89 относятся к XIV группе,
к которым согласно ГОСТ 20.39.405-84 предъявляются жесткие требования по технологическим воздействиям:

1. Конструкция изделий должна обеспечивать трехкратное воздействие групповой пайки и лужения
   выводов горячим способом без применения теплоотвода и соединение при температуре групповой пайки не выше 265 °С в течение до 4 с.
2. Выводы и контактные площадки изделий должны
   иметь гарантированную паяемость с использова
   нием спирто-канифольных неактивированных
   и слабоактивированных флюсов (не более 25% канифоли) без дополнительной подготовки в течение 12 месяцев с момента изготовления.
3. Изделия должны выдерживать трехкратный нагрев по режиму: температура не выше 150 °С, длительность однократного воздействия — не более
   10 мин.
4. Конструкция изделий должна обеспечивать применение групповых методов пайки. Оплавление припойной пасты проводят при следующих режимах:
   нагрев до температуры 190 °С не более 30 с; последующий нагрев до температуры не выше 230 °С не более 15 с; нагрев групповым паяльником при
   температуре пайки не выше 265 °С не более 4 с.

Для обеспечения максимальной мощности
в качестве материала выводной рамки используют железо-никелевый сплав 42Н и медный
сплав БрХСр, с толщиной кристаллодержателя 0,1 мм. На поверхность рамки наносят полосу серебра шириной 9 мм и толщиной
5 мкм. Так как сплав БрХСр обладает высоким уровнем ТКЛР (18×10^–6 1/°С, что в 6 раза
выше Si), то в процессе пайки в кремниевом
кристалле возникают механические напряжения и деформации. Для снижения внутренних
напряжений необходимо правильно выбрать
припой и оптимизировать технологические
режимы монтажа, позволяющие уменьшить
градиент температур, действующих на кристалл. На непланарную поверхность кристаллов наносят систему металлизации: Ti-Au,
V-Au толщиной 1,0–1,75 мкм — для монтажа
на эвтектику; Ti-NiV-Ag-Sn-Pb-Snтолщиной
5,0–12,0 мкм — для монтажа на припой.

Исследовано влияние способа сборки мощных MOSFET-транзисторов в двух вариантах
бескорпусного исполнения: 1 — на металлическом кристаллодержателе без внешних выводов (рис. 2а); 2 — на металлокерамическом
или керамическом держателе с внешними выводами (рис. 2б) на уровень их предельных параметров.

Выбор технологии
сборки кристаллов

При изготовлении приборов по первому варианту исполнения присоединение кристалла к молибденовому кристаллодержателю осуществляли методом контактно-реактивной эвтектической пайки с образованием эвтектики
Au-Si при использовании дополнительной золотой прокладки размером 4,0×4,0×0,016 мм.
Для сравнения напайка кристаллов проводилась на двух установках: ручной типа ЭМ-415
и автоматической типа ЭМ-4085. Монтаж
кристаллов на установке ЭМ-415 вели при следующих режимах Т = 420…450 °С, максимальная вибрация вдоль короткой стороны кристалла, время воздействия вибрации — 10 с,
давление на инструмент — 0,40–1,10 Н, подогрев инструмента — до 250 °С. Для обеспечения плоскостности торца инструмента с поверхностью кристаллодержателя проводилась
регулировка с последующей проверкой качества отпечатка инструмента на алюминиевой
фольге. После настройки отпечаток торца инструмента имел оттиск равной контрастности по четырем сторонам.

В процессе монтажа было выявлено влияние технологических режимов на качество
присоединения кристаллов. Так, при увеличении нагрузки на инструмент до 1,10 Н происходит резкое затухание амплитуды колебаний
присоединяемого кристалла, что способствует формированию дефектов в эвтектическом
слое в виде несплошностей и пустот. Наличие
таких дефектов для мощных приборов недопустимо, так как в процессе эксплуатации будет происходить перегрев активной структуры. Поэтому напайка кристаллов проводилась
при давлении на инструмент в пределах
0,40–0,45 Н, при котором еще осуществляются колебательные движения кристалла.

Установлено влияние температуры процесса. При 420 °С отмечалось недостаточное растекание эвтектики по периметру кристалла.
Формирование эвтектики с требуемым уровнем качества получено при температуре
430…450 °С. Для эффективного образования
эвтектики требовалось проведение дополнительной активации процесса путем колебания
столика вручную на начальной стадии образования эвтектики, причем кристалл удерживается в положении пайки в течение всего времени воздействия вибрации инструмента.
Монтаж кристаллов на автомате ЭМ-4085
повышает эффективность образования эвтектики Au-Si за счет активации процесса присоединения в результате принудительного движения кристаллов по криволинейной замкнутой
траектории, обеспечиваемой программируемыми параметрами вибрации [4]. При амплитуде
колебаний кристалла более 250 мкм за 8–10 периодов колебаний происходит эффективное
удаление оксидных пленок и шлаков за пределы активной зоны, при этом обеспечивается
равномерная толщина эвтектики в соединении.
Кристаллодержатель фиксировался в ленточной кассете с помощью трех фиксаторов,
выступающих над поверхностью кассеты и располагаемых по периметру отверстия. Для повышения эффективности автоматического процесса присоединения кристаллов и быстрого
прогрева соединяемых деталей была доработана конструкция нагревательного столика установки в части введения дополнительных повторяющихся выступов диаметром 7,5 мм
и высотой до 1,5 мм. Пайка проводилась при следующих режимах: температура Т = 450–460 °С;
количество периодов колебаний — 12; амплитуда двухкоординатных колебаний по осям Х,
У— 250–500 мкм; пауза — 70; усилие нагружения — 1,45 Н.

При изготовлении приборов по второму
варианту исполнения присоединение кристалла к кристаллодержателю осуществляли
пайкой легкоплавким припоем ПОС-10 в конвейерной водородной печи ЖК4007А при
Т_макс = 400 °С, V_к = 80 мм/мин с использованием кассетной технологии сборки. Данный
метод образования паяного соединения, являясь пассивным, характеризуется повышенным дефектообразованием в виде пустот и непропаев под кристаллом [3]. Поэтому с целью
снижения дефектности в паяном соединении
на кристаллодержатель из псевдосплава MD-40
предварительно наносилось покрытие хим.
Н3,Зл.2, а на непланарную поверхность кристалла — металлизация Ti-NiV-Ag. Указанные
покрытия обеспечивали эффективное смачивание расплавом припоя, как поверхности
кристалла, так и кристаллодержателя. При
пайке к кристаллу прикладывалась статическая нагрузка.

Разварка межсоединений осуществлялась
на установке АВТ-2 проволокой АОЦПоМ250А
по следующей схеме: затвор — 1 перемычка,
исток — 3 перемычки. Проведены операции
термовыдержки (Т = 150 °С, t = 24 ч) и защиты кристалла компаундом СИЭЛ159-322Б.
Присоединение керамической крышки к металлокерамическому держателю осуществляли
клеем ВТ10.

Исследование
качества монтажа кристаллов

Исследование качества монтажа кристаллов
осуществлялось методом оптического контроля внешнего вида с использованием МБС-10
при ×16–32 и ММУ-3 при ×50–100. Установлено, что присоединение кристаллов по первому и второму вариантам исполнения в оптимальных режимах позволяет получить ровное растекание эвтектики/припоя со всех
четырех сторон кристалла без пор и непропаев. В отдельных случаях для первого варианта исполнения выявлены утяжки эвтектики
из-за имеющихся микросколов в нижней грани кристалла, которые возникли в процессе
дисковой резки пластины на кристаллы. В целом качество присоединения кристаллов соответствует требованиям нормативных документов. Прочность крепления кристаллов проверяли путем воздействия сдвигающей
нагрузки, создаваемой динамометром 7800-6380-03. При нагрузке 30 Н разрушения кристаллов не происходило.

Для исследования качества соединений использованы следующие диагностические методы анализа:

1. рентгенотелевизионное диагностирование
   внутренних микродефектов (несплошностей, пористости, неоднородностей, инородных включений и т. д.) в паяном соединении;
2. лазерная микроинтерферометрия и фотоакустическая диагностика качества монтажа и оценки напряженно-деформированного состояния кристаллов.

Результаты анализа регистрировались при
помощи цифровой фотокамеры НР912 с экранов мониторов аналитических приборов:
рентгенотелевизионного микроскопа МТР-7,
лазерного фотоакустического микроскопа ФМ-3М и лазерного микроинтерферометра.

Для приборов первого варианта исполнения
методом рентгенотелевизионной дефектоскопии явных несплошностей в эвтектике под
кристаллом не обнаружено. Выявлены отдельные неоднородности в виде разноконтрастных
участков проекции рентгеновского теневого
изображения Au прокладки, частично прореагировавшей по толщине в пределах 60% площади кристалла в связи с неполным растворением прокладки, что обусловлено режимом
однокоординатного перемещения кристалла
в процессе монтажа. Для приборов второго варианта исполнения в паяном соединении выявлены локальные несплошности, имеющие
линейный размер до 10 мкм (рис. 3а).

Двухкоординатное перемещение кристаллов относительно подложки по замкнутому
контуру в процессе монтажа на автомате
ЭМ-4085 является оптимальным способом
присоединения кристаллов больших размеров.
В этом случае дефектов в паяном соединении
не выявлено (рис. 3б). Методом лазерной микроинтерферометрии определен уровень напряженно-деформированного состояния кристаллов, который составляет 60–72 МПа для первого варианта исполнения и 28–45 МПа — для
второго варианта исполнения.

Предельные параметры
транзисторов

Контроль статических параметров проводился на измерителе «Гамма 153-04М». Измерения теплового сопротивления «p-n-переходкорпус» R_тпк выполнены на СИС-24. Измерение параметров приборов первого варианта
исполнения осуществлялось на зондовой установке, подключенной к измерителю. Для проверки предельных параметров — R_t, I_cmax,
R_cи — изготовленных транзисторов проводилась выборочная сборка в условную микросхему в корпусе ТО-3. Для этого использовалась
ножка, на фланце которой отсутствует медный
держатель, а внешние выводы выполнены
из материала МК (медь-ковар). Дисковый кристаллодержатель с напаянным кристаллом приклеивался на поверхность фланца ножки с помощью изолирующего компаунда типа ЭП-91.
Использование изолирующего компаунда позволило уменьшить влияние корпуса ТО-3 при
измерении предельных параметров. После сушки компаунда выполнялась разварка выводов
проволокой АОЦПоМ по следующей схеме: затвор — 1 перемычка (проволока 150 мкм), исток — 2 перемычки (проволока 250 мкм)
и кристаллодержатель – фланец ножки — 2 перемычки (проволока 250 мкм).

При испытаниях по определению предель
ной мощности приборы размещались на медном водоохлаждаемом теплоотводе, обеспечивающем Т_корп = 25 °С при токе I_c = 10 А
и U_си = V_ar. Результаты контроля предельных
параметров представлены в таблице.

Таблица. Параметры мощных MOSFET-транзисторов

Как следует из таблицы, максимальная мощность транзисторов бескорпусного исполнения фактически составляет 100–150 Вт при
условии монтажа кристаллов на металлический кристаллоноситель. Сопротивление R_си
в цепи сток-исток находится в допустимых
пределах, величина которого определяется используемым типом кристалла и кристаллоносителя.

При эксплуатации бескорпусной транзистор на плате подвергается циклическому воздействию электрической мощности, вызывающей периодический нагрев кристалла, кристаллодержателя и паяного соединения. Из-за
различия в коэффициентах термического линейного расширения (КТЛР) кристалла, припоя и подложки в паяном шве возникает деформация сдвига γ, определяемая выражением [5]:

где

Здесь h — общая толщина соединения
(кристаллодержателя, паяного шва и платы);
L — расстояние от центра паяного соединения до максимально удаленной точки галтели паяного шва; ρ — радиус кривизны;
m = h_п/h_к, где h_п, h_к — толщина платы и кристаллодержателя; y = Е_п/Е_к, где Е_п, Е_к — модули упругости платы и кристаллодержателя;
Т, Т₀ — температура в процессе испытания
и до испытания соответственно

В условиях воздействия энергоциклов и возникающего градиента температур существенно возрастает деформация сдвига для несогласованных по КТЛР спаев, что вызывает снижение термоусталостного ресурса, появление
межзеренного растрескивания и образование
пустот в легкоплавком припое [6]. Эти причины приводят к росту переходного теплового сопротивления и последующему перегреву кристалла, что вызывает деградацию прибора. На рис. 4 показано изменение уровня
теплового сопротивления при воздействии
термоударов –60…+200 °С.

В процессе испытаний не выявлено изменения уровня теплового сопротивления
в пределах погрешности измерения для приборов, монтаж кристаллов которых выполнен контактно-реактивной пайкой. В то же
время приборы, у которых кристалл напаян
на легкоплавкий припой ПОС-10, имеют положительную динамику изменения теплового сопротивления.

Выводы

Разработана конструкция бескорпусных мощных MOSFET-транзисторов двух исполнений:

• 1 — на безвыводном молибденовом кристаллодержателе;
• 2 — с внешними выводами на металлокерамическом держателе (изолированный
  кристаллодержатель из керамики ВК-94 либо металлический
  из сплава MD-40).

Анализ экспериментальных результатов показывает, что монтаж
кристаллов на эвтектику Au-Si позволяет значительно повысить
устойчивость мощных транзисторов к циклическому изменению
температуры. Для получения качественного присоединения монтаж
кристаллов необходимо выполнять на оборудовании, обеспечивающем вибрационную пайку с двухкоординатным перемещением кристалла.

Литература

1. Кундас С. П., Достанко А. П., Ануфриев Л. П. Технология поверхностного монтажа. Минск: Армита — Маркетинг, Менеджмент, 2000.
2. Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Конструктивно-технологические особенности MOSFET-транзисторов // Силовая электроника. 2008. № 1.
3. Рубцевич И. И., Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф. Исследование
   MOSFET-транзисторов в различных герметичных корпусах для
   поверхностного монтажа // Технология и конструирование
   в электронной аппаратуре. 2004. № 5.
4. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л.Автоматизированный
   монтаж кристаллов транзисторов вибрационной пайкой // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 3.
5. Цыкин А. В., Яковлев Г. А. Повышение надежности несогласованных микрополосковых плат с корпусами СВЧ-модулей при циклических температурных воздействиях. Обзоры по электронной
   технике. Сер. 7. Вып. 12 (1476). М.: ЦНИИ «Электроника», 1989.
6. Кузин А. Г., Лучков Е. Н., Рыбалов Е. И. Малоцикловая термоусталость
   паяных соединений микроэлектронных компонентов при поверхностном монтаже // Обзоры по электронной технике. Сер. 10. Вып. 1 (1335).
   М.: ЦНИИ «Электроника», 1988.