Создание современной технологической линии производства IGBT-модулей в «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС»

Мир стремительно меняется. Заметнее всего эти изменения отражает потребительская электроника: любой сможет отличить современный мобильный телефон или телевизор от аппарата 2000 г. выпуска. Прошедшие полтора десятилетия навсегда изменили наши привычки, график нашего рабочего времени и методы нашей работы. Изменилось восприятие информации мозгом и фундаментальная структура занятости в развитых странах. Теперь изменения в компонентной базе, исследования свойств материалов и развитие технологии готовят человечеству новый рывок — изменение уклада в энергетике, которое в конечном итоге должно привести к революционному по своему значению отказу от ископаемого топлива, как когда-то человечество отказалось от паровозов и печного отопления.

Согласно отчету IEA (International Energy Agency, или Международное энергетическое агентство, МЭА), первичная выработка энергии из возобновляемых источников в 2012 г. составила 13,2% мирового энергобаланса, а в 2013 г. — уже 22%. За первые шесть месяцев 2017 г. Германия увеличила долю первичной возобновляемой энергии в своем энергобалансе на 2% по отношению к первому полугодию 2016 г. — до 35% (данные BEE, немецкой Федерации возобновляемой энергетики). В эту долю входят ветро- и гидроэлектростанции, а также солнечная энергетика всех типов.

Такой бурный рост использования «чистой» энергии в совокупности с постоянной борьбой за снижение удельной энергоемкости в промышленности и домашнем хозяйстве подтолкнул огромный спрос на системы преобразования энергии и их составные части, прежде всего IGBT-модули. Они нашли свое применение в промышленных приводах и управляемых инверторах, оборудовании солнечных, приливных и ветряных станций, электротранспорте. Дальнейшее развитие альтернативных, энергосберегающих и высокоэффективных источников электроэнергии позволяет уверенно снижать долю ископаемых видов топлива и гарантирует рост компаниям, которые работают в сфере производства компонентов «новой энергетики». Разумеется, рынок оставит на сцене только производителей, гарантирующих стабильность поставок и качество своих продуктов, поскольку отказы приборов и систем энергоснабжения несут огромные риски.

Важно отметить, что огромные нагрузки и тяжелые режимы работы конечных устройств требуют современного парка оборудования и квалифицированного персонала. А тотальная интеграция производителей современной электроники в международные цепочки поставок комплектующих, проекты и рынки должна поддерживаться высоким уровнем представительства таких компаний в основных регионах сбыта. Всем этим требованиям соответствует лидер отечественной силовой электроники АО «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» (г. Орел). За последние три года компания провела полную модернизацию собственного производства IGBT-модулей, внедрила современную систему управления предприятием и разработала новое поколение приборов. Модули, выпускаемые «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС», находят применение в десятках стран мира благодаря тщательно выстроенной системе представительств и совместным проектам с мировыми лидерами отрасли. Присутствие компании на основных выставках и научных конференциях позволяет «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» следить за мировыми тенденциями в области силовых полупроводников и поставлять на рынок продукцию, качество которой гарантировано внедренными на производстве стандартами серии ISO 9001. На предприятии реализована полная производственная линия, соответствующая всем современным стандартам и расположенная в едином помещении с испытательным комплексом. Такая организация позволила улучшить ритмичность внутренней логистики и сократить цикл сборки приборов. Помещение было заново оснащено климатическим оборудованием, которое позволяет добиться температуры, влажности и давления, заданных стандартами для чистых помещений.

Рис. 1. Производственное помещение

Промышленный воздух соответствует DIN ISO 8573-1 класс чистоты 2.4.1 (рис. 1):

• В сжатом воздухе содержится не более 1 мг/м³ твердых частиц, а размер их не превышает 1 мкм.
• Давление сжатого воздуха поддерживается в диапазоне 5–8 бар.
• Сжатый воздух осушен до температуры точки росы не выше +3 °C.
• Остаточное содержание масла в сжатом воздухе не превышает 0,01мг/м³.

Первой фазой проекта развития «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» стало освоение в 2015–2016 гг. производства IGBT-модулей «классической» конструкции (рис. 2). После изобретения принципа работы IGBT в 1968 г. и появления первых опытных образцов в начале 80-х годов, усилиями крупных игроков (Infineon, IR, IXYS, ABB, Toshiba и пр.) постепенно сложился «стандартный ряд» габаритных размеров и типов этих приборов. В своем нынешнем виде IGBT-модули появились на мировом рынке более 15 лет назад, но до сих пор не потеряли своей актуальности благодаря огромному количеству стандартизированных посадочных мест и габаритов конечных устройств (выпрямителей, преобразователей), в которых они являются компонентом. Аналогично любым стандартизированным промышленным изделиям, IGBT-модули будут оставаться в своем нынешнем внешнем виде еще как минимум 15 лет. Рынок благосклонно воспринял появление новых игроков, предлагающих стандартные семейства этих приборов по конкурентной цене, и «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» занял там достойное место. Однако, как и во всем остальном, внешний вид не определяет наполнение. Несмотря на то, что классические габаритные размеры модулей сложились давно, их «начинка» непрерывно совершенствуется и оптимизируется с целью улучшения основных параметров прибора, снижения его себестоимости и повышения качества и ресурса. Если сравнить передовую технологию производства модулей классической конструкции 15 лет назад с современной, принятой в наши дни, то можно выделить ряд важных отличий и нововведений на каждом шаге технологической цепочки. Общими принципами развития можно считать следующие:

• уменьшение числа технологических операций;
• минимизация ручного труда и трудоемкости на единицу продукции;
• повышение воспроизводимости и контролируемости процесса;
• исключение и сокращение расхода промежуточных реагентов и материалов, например флюса, рабочего инструмента, оснастки;
• увеличение технологического окна («робастности») процесса.

Рис. 2. Модули «классической» конструкции производства «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС»

Результатом развития технологии должно быть повышение потребительских качеств приборов при снижении их себестоимости. В статье проанализированы решения, реализованные «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» в своем производстве и поддерживающие заданный вектор развития предприятия.

Вакуумная пайка

Качество конечного изделия закладывается с первого же шага технологического процесса. Первый шаг в процессе производства IGBT-модулей — это пайка. Паяный шов обеспечивает механическое соединение компонентов, требуемую электро- и теплопровод­ность, устойчивость к термоциклированию и, в конечном итоге, играет немаловажную роль в надежности изделия.

Классическая конвекционная пайка и пайка в паровой фазе с использованием паяльной пасты повсеместно уступают место вакуумной пайке. Причина этой тенденции — неравномерность прогрева массивных теплопроводящих элементов при парофазной и конвекционной пайке. Существуют также риски локального перегрева и высокий градиент температур при пайке крупных изделий в силу разницы теплоемкости элементов их конструкции. Соединение после конвекционной пайки, как правило, получается неоднородным и содержит дефекты. Использование в процессе пайки паяльной пасты или иных веществ–активаторов вынуждает прибегать к дополнительной влажной очистке, так как флюсы, содержащиеся в пасте, химически активны, и их остатки могут негативно сказаться на надежности прибора. Сложность подбора припоев с требуемой эластичностью и устойчивостью к термоциклированию также приводит к снижению ресурса модуля. Командой «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» этот процесс реализован другим, более современным методом — бесфлюсовой пайкой в вакууме с использованием преформ, кондуктивным нагревом и активацией поверхности в парах муравьиной кислоты. Данный подход применяется практически всеми известными производителями силовой электроники в России и мире и позволяет реализовать весь заложенный конструктивный ресурс и повысить надежность прибора за счет следующих особенностей:

• пайка всего изделия за один подход, следовательно, меньший тепловой стресс для чувствительных к перегреву компонентов;
• возможность выбора большой номенклатуры припоев из различных материалов с требуемой эластичностью и температурой плавления;
• высокая химическая чистота преформ в сравнении с пастой;
• отсутствие необходимости последующей влажной отмывки;
• высокое качество паяного шва благодаря вакууму и, как следствие, малое количество каверн и пустот в соединении;
• кондуктивный прогрев, при котором в первую очередь прогреваются компоненты с большой теплоемкостью — теплоотвод–основание и DCB, и лишь в последнюю — хрупкие кристаллы; как результат — минимальное воздействие высоких температур на полупроводниковую часть прибора;
• крайне гибкая настройка температурного профиля пайки и высокая повторяемость, воспроизводимость, что важно для бессвинцовых технологий;
• высокое качество соединения в металлургическом плане — более равномерная рекристаллизация припоя, с общей площадью дефектов, включая «холодную пайку», расслоения и каверны менее 3%.

Все вышеописанные особенности позволяют добиться низкого процента дефектов пайки IGBT-модулей, что является большим конкурентным преимуществом «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС». При выборе печи, как и всего остального оборудования первой фазы своего проекта, специалисты «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» ориентировались на предпочтения лидеров отрасли и выбрали среднюю по производительности двухкамерную вакуумную печь VADU 200XL производства PINK GmbH Thermosysteme (Германия). По существующему на рынке мнению, она обладает рядом преимуществ по сравнению с другими системами.

Запатентованная технология создания динамического зазора при нагреве и многокамерная конструкция с отдельной камерой принудительного охлаждения позволяют добиваться отличных результатов пайки за минимально возможное время. Уровень вакуума в ходе выполнения процесса в печи VADU также регулируемый и обеспечивает стабильный и повторяемый процесс, отсутствие всплесков и брызг припоя, независимо от начальных условий и термической массы загруженных изделий. Вакуум, плавно подаваемый непосредственно в момент образования жидкой фазы, практически полностью выводит пузыри из паяного соединения. Применение динамически регулируемого зазора, плавной регулировки вакуума и принудительного охлаждения позволяет выполнять термические профили по стандартам IPC/JEDEC, а также подстраивать их в широком технологическом коридоре под требования производителей силовых модулей.

Технические преимущества печей серии VADU довольно широко известны, и нет смысла подробно останавливаться на них. Важно, что, кроме конструктивных технологических преимуществ, процесс пайки в «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» проводится с применением оптимальной для силовых модулей оснастки. Вопрос оснастки и размещения изделий в камере является ключевым, а некоторые производители бывают вынуждены подстраиваться под габариты вакуумной камеры, причем, низкая тепловая мощность печей не позволяет им применять тару и оснастку надлежащего типа. Оснастка, разработанная VADU, недорога и стандартна, а ее конструкция связана со сложившимся рядом типоразмеров модулей.

То есть специалисты «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» получили рабочее решение процесса и сразу же приступили к работе без долгой фазы прикидок и отработки режимов. Такой подход отражает высокую вовлеченность PINK в работу с производителями силовой электроники и изначальное понимание нужд заказчика.

Плазменная очистка

Еще одним важным технологическим процессом, реализованным «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» с самого начала работы, является использование аргонно-кислородной плазмы для микроочистки и активации поверхностей. Это эффективный способ, который позволяет избежать использования опасных и ядовитых растворителей и стабилизировать параметры сварки, пайки и нанесения покрытий. Суть процесса в том, что молекулы ионизированного газа в наведенном поле тока высокой частоты и условиях разрежения (при давлении порядка 0,1 атм.) действуют на физическом и химическом микроуровне, и «счищают» загрязнения и очаги окисления с поверхности деталей, а также возбуждают атомы верхних слоев деталей поверхности, делая их более восприимчивыми к соединению с другими деталями, т. е. увеличивают адгезионные свойства очищаемых поверхностей. Этот эффект подтверждается улучшением смачиваемости поверхности (уменьшением силы поверхностного натяжения при контакте) (рис. 3). С помощью плазменной очистки специалистам «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» удалось быстро оптимизировать параметры ультразвуковой сварки и улучшить качество заливки модуля компаундом.

Рис. 3. Смачиваемость до и после очистки

При выборе оборудования в «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» было принято осознанное решение, продиктованное характером продукции. Оборудование плазменной очистки исторически пришло в сборочную технологию из полупроводникового производства. Там оно обычно применяется в агрессивных по отношению к поверхности операциях травления или снятия фоторезиста, и поэтому для генерации высокоэнергетической плазмы используются частоты 13,56 МГц или 2,54 ГГц. Соответственно, энергия, передаваемая плазме на такой частоте, может привести к перегреву поверхности и повлиять на физические характеристики поверхности, способствовать паразитным химическим реакциям и повредить чувствительные элементы полупровод­никовых кристаллов. Поэтому в установке, выбранной «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС», используется плазма, генерируемая при низкой частоте (40–50 кГц), которая имеет следующие преимущества:

• Более высокая плотность ионов. Низко­частотная плазма обеспечивает большую плотность энергии на квадратный сантиметр, чем высокочастотная очистка. Хотя это может показаться нелогичным, высокочастотные системы плазменной очистки фактически теряют значительную энергию за счет потерь тепла. Потери энергии плазмы частотой 13,56 МГц в 850 раз выше, чем при использовании системы частотой 40 кГц.
• Повышенная эффективность. Эффективность плазменной системы рассчитывается из отношения энергии, используемой при производстве плазмы, к энергии, рассеиваемой в тепло. Низкочастотная плазменная система действует как идеальный конденсатор с бесконечным емкостным сопротивлением или нулевой утечкой тока в режиме ожидания.
• Лучшая однородность. За счет ламинарного, а не факельного потока плазмы низкочастотные системы обеспечивают гораздо более равномерную обработку поверхности, а за счет горизонтальной подачи плазмы они не имеют «затенения», которое происходит, когда образцы на верхних полках образуют преграду для обработки образцов на нижних полках.

На производстве «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» задействована установка плазменной очистки G1000E компании Yield Engineering Systems, универсальная и популярная у производителей СВЧ-приборов, светодиодов и многокристальных модулей единица оборудования.

Ультразвуковое сканирование

Еще одним решением, позволившим быстро выйти на заданный уровень качества и сократить время отработки техпроцесса, было введение процесса проверки методом ультразвукового сканирования. Ультразвуковое (УЗ) сканирование — незаменимый при работе с массивными деталями метод неразрушающего контроля; он применяется как после процесса пайки, так и на других этапах производства модуля, таких как ультразвуковая сварка выводов.

Сканирование позволяет выявить брак на ранних этапах производства, обнаружить расслоения и дефекты, невидимые для любого иного метода контроля, и позволяет оперативно указать на причину дефектов в самом начале работы участка, не теряя таким образом ценных компонентов и времени (рис. 4).

Рис. 4. УЗ-сканирование паяного шва модуля MIFA. Микротрещина DBC-подложки. Диффузия в зоне УЗ-сварки

Специалисты «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» остановили свой выбор на установке УЗ-дефектоскопии и томографии SONIX ECHO TM. Этот недорогой и хорошо известный в отрасли сканирующий акустический микроскоп является универсальным инструментом контроля для разработки, производства и анализа отказов полупроводниковых приборов. Микроскоп способен обнаруживать воздушные прослойки толщиной от 0,05 мкм и определять дефекты линейными габаритами от 10 мкм. Особенно важно отметить возможность распознавания микротрещин в керамике, которые могут являться результатом производственного брака у производителя DBC-подложек, не распознанными в ходе выходного контроля.

УЗ-сварка

УЗ-сварка силовых выводов, управляющих выводов и соединений полупроводниковых кристаллов — критически важный процесс, пришедший на смену прижимным и паяным конструкциям (рис. 5). Современный подход к технологии производства IGBT-модулей классической конструкции состоит в минимизации количества сварных и паяных соединений, что уже привело к почти полному вытеснению пайки силовых выводов. Оборудование УЗ-сварки в «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» позволяет гибко подходить к топологии соединений внутри корпусов, применять проволоку, ленту, алюминиевые и медные проводники разного сечения для получения полной гаммы высококачественных приборов, способных конкурировать с аналогами от мировых лидеров. В производстве применяются сразу несколько установок УЗ-сварки: от полуавтоматов серии F&S Bondtec 5650, F&K Delvotec G5 66000 для приварки и тестирования алюминиевой и медной проволоки до Schunk DS20/35 для приварки силовых выводов модуля. Благодаря ультразвуковой сварке модули производства «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» не имеют ограничения срока службы, связанного с деградацией контактных (прижимных) и паяных соединений проводников внутри прибора, характерных для конструкции IGBT-модулей ранних серий. Возможно, упоминание УЗ-сварки как инновации выглядит странно, поскольку в традиционных дискретных приборах и интегральных схемах ее применение было единственным методом получения электрического соединения начиная с 60-х годов. Однако в силовой электронике УЗ-сварка получила свое распространение относительно недавно, а ряд приборов до сих пор выпускается с применением пайки, прижима или иного контактного соединения компонентов.

Рис. 5. УЗ-сварка

Установки УЗ-сварки F&S Bondtec 5650 и F&K Delvotec G5 66000 (рис. 6) в силу своих конструктивных особенностей позволяют реализовать максимальную надежность соединений. Обе установки имеют богатые возможности
по настройке и контролю параметров. Благодаря высокому уровню автоматизации они снижают влияние оператора на производственный процесс. Помимо всех прочих преимуществ, в автоматических установках УЗ-сварки реализованы обратная связь для контроля протекающих во время сварки процессов в реальном времени, элементы самодиагностики и самокалибровки, документирование процесса сварки, сбор и контроль статистических данных.

Прочность на срез соединения, полученного УЗ-сваркой, составляет 18,9 Н (среднее значение).

Рис. 6. Установка УЗ-сварки F&K Delvotec G5 66000

Все силовые токовыводы и соединения между кристаллами имеют нулевую дефектность по эффектам «ползучести» и отслаиваний при термоциклировании.

Важно отметить, что производительность установок применительно к толстой проволоке силовых модулей не является решающим фактором: предел производительности был достигнут много лет назад и связан с физическим временем, необходимым для образования диффузного соединения металлов. Поэтому преимущества установок сварки и критерии выбора системы в основном связаны с качеством и прогнозируемостью этого процесса. УЗ-сварка на установках F&S и F&K показала высокую воспроизводимость и широкое «окно» технологических параметров. Проведенные в «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» тесты показали, что процесс сварки толстой алюминиевой проволокой на установках F&K Delvotec хорошо контролируется благодаря возможности тонкой настройки параметров сварки и геометрии петли.

В общей сложности система управления G5 контролирует около 200 параметров сварки, это больше, чем в какой-либо иной установке. При этом в большинстве случаев создание программы и работа оператора проходят интуитивно и вовлекают минимум величин. Но в пограничных случаях F&K Delvotec всегда предлагает более тонкую настройку, что важно в условиях опытного и многономенклатурного производства «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС».

Благодаря работе системы BPC (Bond Process Control — управление технологическим процессом разварки) нового поколения, служащей для активного управления мощностью и длительностью импульсов сварки с использованием обратной связи в реальном времени, мы убедились в устойчивости управляющей системы установок к изменению свойств исходных компонентов, гибкой и требующей минимального вмешательства операторов благодаря интеллектуальной системе машинного зрения.

Ультразвуковая сварка силовых выводов

УЗ-сварка токовыводов (рис. 7) позволяет увеличить токонесущую способность и уменьшить потери проводимости. Это достигается отсутствием дополнительного слоя металла припоя, который имеет другое значение проводимости. В качестве индикатора такой повышенной надежности можно привести данные об отсутствии отказов соединений токовыводов после термоциклирования, то есть полностью исключается эффект «ползучести» под постоянной нагрузкой при электротермоциклировании, который часто возникает в паяных конструкциях.

Рис. 7. Модули производства «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» без корпуса

Контроль качества и испытания модулей на надежность

Огромное внимание при оснащении нового производства было уделено формализации и гармонизации методик испытаний и тестирования IGBT-модулей для отечественных и зарубежных заказчиков. Особенно важно, помимо приемо-сдаточных испытаний и исключения поставки дефектной продукции, обеспечить надежную и долговременную работу IGBT-модулей у заказчика. Командой разработчиков и технологов «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» был разработан комплекс оборудования, который позволяет проводить 100% измерений параметров изделий при комнатной и повышенной температурах.

Все IGBT-модули проходят периодические и квалификационные испытания, соответствующие ГОСТ 24461-80 и международному стандарту IEC 60747-9. При этом для контроля статических и динамических электрических параметров продукции в производстве используются индивидуально спроектированные по техническому заданию «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» комплексы Schuster на основе измерителей TPS 625 и DTS 758. Подобные комплексы применяют практически все производители силовой электроники в мире, что упрощает кооперацию и обсуждение наших задач с зарубежными заказчиками и партнерами.

В ходе запуска технологической и испытательной линии тщательно изучались и испытывались опытные образцы модулей в сравнении с аналогами, предлагаемыми на рынках России и Европы. Результаты испытаний и тестов в заводских и независимых лабораториях доказали правильность выбора оборудования и технологических параметров, а также высокую квалификацию и уровень подготовки инженерного и производственного персонала, поскольку параметры модулей производства «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» не уступают зарубежным аналогам. Перечислим некоторые особенности этих изделий:

• Основание модуля изолировано от токопроводящих элементов и выдерживает 4000 В.
• Испытания на электротермоциклирование дают результат около 40 000 циклов при DТ = +100 °С. И в этом показатели ТЦ и ЭТЦ не уступают показателям ведущих европейских производителей (рис. 8).
• Модули проходят высокотемпературное хранение в течение не менее 1000 ч при +180 °С с последующей проверкой изоляции.
• Испытания на ждущий режим в течение 1000 ч подтверждают сохранение блокирующих характеристик и тока утечки I _GES в пределах нормы.

Рис. 8. Электротермоциклирование

По результатам выполнения первой фазы перспективного плана развития «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» можно констатировать, что проект удался. Предварительные результаты освоения технологии производства IGBT-модулей представлены на рис. 9. На предприятии отработаны действительно универсальные технологические процессы с применением лучшего на сегодня комплекта оборудования, создан важный кадровый ресурс, налажен серийный выпуск продукции на конкурентный внешний и внутренний рынки. Взятый руководством компании курс на открытость и реальную конкурентоспособность, построение современной системы производства и маркетинга постепенно выводят «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» на позиции полноценного игрока отрасли. Производство уже работает в соответствии с мировыми стандартами и соответствует всем тенденциям развития силовой полупроводниковой техники. На предприятии создан конструкторский центр, позволяющий проектировать и производить модули, конкурирующие с лучшими аналогами.

Рис. 9. Производство IGBT-модулей «ПРОТОН–ЭЛЕКТРОТЕКС»

Кроме всего вышесказанного, «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» постоянно стремится к повышению качества выпускаемой продукции. Исследуются и развиваются такие направления, как синтеринг и улучшение тепловых свойств модулей.

Однако, помимо техники, наш проект имеет в основе человеческую составляющую. Задача, выполненная компанией всего за два года, имеет прочный фундамент отношений, доверия и честности с поставщиками и специалистами отрасли. Мы рады, что на пути выполнения наших задач получили и получаем искреннюю поддержку со стороны производителей оборудования и их представительств в России.