열 저항을 줄이고 신뢰성을 높이뿐만 아니라 실버 소결은 더 넓은 시스템 혜택을 위해 구형 실리콘 기반 기술에도 적용될 수 있습니다.

자동화 된 제조 솔더링 및 조립 PCB 보드의 납땜 인두 팁

전력 반도체 다이에서 그 사건으로의 열 저항을 최소화하는 것이 점점 더 중요합니다. 기술이 낮은 커패시턴스를위한 더 작은 다이의 끊임없이 낮은 전도와 동적 손실로 진행됨에 따라, 케이스 온도 차동에 대한 접합부는 온도 제한을 초과하지 않고 반도체에 의해 얼마나 많은 전력을 처리 할 수 ​​있는지에 대한 한계가되고 있습니다. 실버 소결을 사용하는 고급 다이 첨부 방법은 문제를 해결할 수있는 방법입니다.

다이 및 온도 제한

응력 및 조기 실패를 피하기 위해 반도체 다이는 초과해서는 안되는 최대 온도 한계가 있습니다. 전형적인 값은 175 ° C이지만 다이 부착 방법과 솔더 기반이 240 ° C의 낮은 것으로 리플 로우하고 저온에서 피로를 보여줄 수 있습니다. 다이 기판의 선천적 인 온도 등급은 훨씬 높을 수 있습니다. 예를 들어 실리콘 카바이드 (SiC)는이 값을 부당한 스트레스와 성능 저하없이 재료로 두 배 이상 견딜 수 있습니다. 그림 1은 전형적인 납 전력 반도체의 구성 및 열 경로를 보여줍니다.

패키징 된 전력 반도체의 경우 접합부로부터의 총 열 저항 (rθj-c)은 열 경로 및 통합 장치 제조업체의 재료의 개별 저항의 합이 일관되고 가능한 한 이러한 값을 일관성있게 만들기 위해 작동합니다. 전통적으로, 다이의 후방 금속 표면은 구리 리드 프레임에 납땜되며,이어서 절연 된 금속 기판 또는 대형 PCB 영역에 외부 방열판 또는 리플 로우 납땜에 기계적으로 고정된다. 이 배열에서 생성 된 열적 구배는 7- 리드 D2Pak 장치의 경우 그림 2에 나와 있습니다. 측면 단면도 (왼쪽)는 다이 탑 (TJ) (중간)상의 다른 지점에서 온도 프로빙 및 케이스 (TC)의 다른 점에서 온도 프로빙 (그림 2에서 볼 수 있음)을 보여줍니다.

표 1은 그림 2의 장치의 매개 변수를 보여줍니다. 0.756 ° C / W의 케이스 열 저항에 대한 총 접합부가 있습니다. 인터페이스의 내열성은 재료의 두께뿐만 아니라 모든 방향의 다른 속도로 다른 속도로 열이 펼쳐지므로 모든 방향으로 모든 방향으로 펼쳐지는 것에 따라 다릅니다.

실버 소결 대안

표 1에서 솔더 합금 다이 부착 재료는 열 전도도가 다이 기판의 열전도율이있는 주요 요소이고, 다이 기판의 열전도율이 3 분의 1의 구리 리드 프레임 값의 약 7 번째임을 나타낸다. 솔더는 저렴하고 쉽게 처리하기 쉽고 상대적으로 신뢰할 수 있으므로 수년 동안의 기본 솔루션이었습니다.

그러나, 실리콘보다 2 배 이상의 열전도율을 갖는 기판으로서의 SiC의 출현으로, 땜납의 제한 효과가 다이 부착 재료로서의 제한 효과가 더 뚜렷하다.

솔더링에 대한 대안은 소결 된 은색 분말 페이스트를 사용하여 재료가 액체 스테이지없이 분말로부터 고체 형태로 이동하여 우수한 전기 및 열 전도성을 갖는 공극이없는 강한 결합을 생성하도록 가열된다. 은 땜납보다 얇은 페이스트 층에 얇은 페이스트 층에 적용 할 수 있으며 더 나은 성능을 위해 압력 하에서 필름으로 적용 할 수 있습니다. 은색은 사용 된 전형적인 솔더 합금보다 적어도 3 배 이상 열전도를 갖습니다. 표 2는 상이한 실버 소결 샘플 및 일부 표준 솔더 합금의 상대적인 성능을 보여준다.

수백 개의 와트가 다이에서 방열판으로 옮겨지지 않는 경우의 고전력 응용 분야에서는은 소결의 낮은 열 저항이 낮아진 주변 온도에 대해 접합 온도가 크게 상승합니다. 이는 다이 제한이 초과되거나 동일한 다이 온도에 대한 주변 온도가 높은 전력에서 작동을 잠재적으로 허용합니다. 이러한 이점이 활용되지 않더라도 반도체는 실버의 훨씬 더 높은 융점으로 인한 절대 최대 접합 온도에 대한 안전 마진을 향상시켜 신뢰성을 증가시킵니다. 그림 3은 열 저항의 28 % 감소를 달성하는 후자의 솔더 및 소결 공정 간의 성능 차이를 보여줍니다.

실버 소결은 전력 반도체 다이 부착을위한 공통 기술이 아니지만 고성능 SiC 기판으로 자체적으로 제공됩니다. 열 성능, 마진 및 열 관리 유연성을 극대화하는 데 도움이됩니다. SIC 반도체는 비싼 웨이퍼로부터 수율을 극대화하고 더 높은 스위칭 속도를 위해 저 생성 된 커패시턴스를 활용하기 위해 실리콘 장치보다 작은 다이 면적을 갖는 경향이 있습니다. 이것은 인터페이스 열 저항을 증가시키는 경향이 있지만 SiC Die는 높은 임계 파괴 전압으로 인해 더 얇아 질 수 있으며, 이는 실버 소결과 결합되어 있으며, 이는 다른 전력 반도체와 적어도 비교할 수있는 접합력으로부터 열 저항을 초래합니다. 재료 기술. 순 효과는보다 높은 스위칭 속도를 높이는 장치이며 비용이 절감되고 최종 제품을 낮게 이끌어냅니다.

실버 소결 혜택은 전환 속도가 높지 않은 회로에 적용되는 IGBTS와 같은 실리콘 전력 장치에 대한 클리어 컷이 아닙니다. SIC의 이점이 발음되지 않았습니다. IGBTS는 리드 프레임에 낮은 열 저항이 적은 대형 다이 영역을 가지지 만 절연 열 전달 패드 및 시스템 방열판을 통한 주변의 전반적인 저항이 높아 작동 접합 온도에 미치는 영향을 지배 할 수 있습니다.

실버 강도

실버 소결은 실리콘 기반 설계에서 오늘날 주요 장점으로 보이지 않을 수도 있지만 SIC 와이드 밴드 갭 장치에만 예약되지만 미래에는 변경 될 수 있습니다. 모든 전원 반도체의 다이에 대한 솔더 합금 인터페이스는 약점이며, 수리 및 유지 보수를 포함한 전체 시스템 비용이 포함 된 총 시스템 비용이 증가 할 수있는 약점은 약한 지점입니다.

온도가 높은 절대 최대로부터 안전한 거리를 가질수록 솔더 합금의 반복적 인 열 사이클은 시간이 지남에 따라 소재의 가출력이 떨어지게합니다. 실버 소결은 녹지 않는 강한 결합입니다. 다른 온도 관련 오류가 발생한 후 실질적으로 잘 보이지 않는 온도에서 승화합니다.

또한, 히트 싱크 기술은 고성능 어플리케이션에서 일반적으로 액체 냉각을 제공하고, 낮은 수준에 대한 주변 열 저항에 대한 경우를 감소시킵니다. 이것은 초점이 반도체 장치와 내부 열 인터페이스의 성능으로 다시 돌아갑니다.

모든 전력 반도체는 실버 소결 공정의 수준으로 이익을 얻을 수 있지만 이익은 최신 넓은 밴드 갭 SIC 반도체에서 가장 보입니다. 여기서 열전도도 가보는 SiC 기술은 높은 신뢰성으로 높은 효율 전력 변환을 위해 최대한의 잠재력에 더 가깝게 도달 할 수 있습니다. 유나나티드는 모든 SIC 전력 반도체 제품에 실버 소결 표준을 만들고 있습니다.

저자 소개

Anup Bhalla, Unitedic.