Регистрация Вспомнить пароль
Задать вопрос специалисту
CAPTCHA

Отмывка в производстве силовых модулей

9 Апреля 2013
Как известно, в процессе изготовления силовых электронных модулей загрязнения, остающиеся на подложке и на поверхности кристалла, при последующей эксплуатации могут приводить к возникновению паразитных эффектов, таких как токи утечки и коррозия отдельных элементов. Следствием этого может стать преждевременный выход из строя силового прибора. Для обеспечения максимальной эксплуатационной надежности эти загрязнения необходимо удалять. Ранее, из-за отсутствия альтернативы для отмывки, использовались горючие растворители. В настоящее время стандартом является отмывка с использованием средств на водной основе.

Основные загрязнения, которые возникают при сборке силовых модулей, вносятся в процессе пайки (кристалла к подложке, подложки к радиатору). Остатки флюса и оксиды на поверхности металлизации (рис. 1) оказывают негативное влияние на качество последующих технологических операций, таких как монтаж проволочных соединений и заливка компаундом. С функциональной точки зрения, остатки флюса, допустимые на печатных платах, в силовых приборах обязательно должны удаляться, поскольку могут приводить к возникновению паразитных токов утечки и возникновению коррозионных процессов, ускоренных большими токами.

ŽРис. 1 Поверхность силового диода до (сверху) и после (снизу) отмывки

Наиболее действенным способом ухода от загрязнений во время пайки является использование бесфлюсовой пайки, но производительность данного метода ограничена, и в условиях массового производства использование паяльных паст является наиболее оптимальным вариантом. Поэтому разработка и внедрение специализированных процессов отмывки является важнейшей задачей.

Отмывка силовых модулей во многом схожа со стандартными процессами отмывки печатных узлов. Отличия заключаются лишь в специализированных отмывочных жидкостях, которые должны удовлетворять ряду требований, среди которых, прежде всего, необходимо отметить следующие:

Основная цель отмывки – обеспечение длительного срока эксплуатации модуля. В качестве метода оценки долговременной надежности или срока службы широко применяются циклические испытания под нагрузкой. Условия тестирования, как правило, подбираются исходя из области применения прибора и требуемой надёжности.

Загрязнения на поверхности кристалла и подложки являются важнейшей причиной отказов силовых электронных модулей в процессе испытаний и эксплуатации. Наиболее часто встречающимися дефектами являются отрыв проволочного соединения и возникновение паразитных токов утечки, вызванных проводимостью остатков флюса и низким качеством поверхности подложки в области контакта с заливочным компаундом. Многолетняя производственная практика компании Zestron подтвердила необходимость и преимущества оптимизированных процессов отмывки для обеспечения максимальной прочности микросварных соединении и надёжности заливки силовых модулей компаундами и гелями.

Отмывка и прочность микросварных соединений

На прочность проволочных соединений оказывают влияние два основных фактора. Во-первых, наличие остатков флюса после пайки на подложке и, особенно, на поверхности кристалла снижает прочность микросварного соединения. Приварка проволочных соединений на неочищенный кристалл требует чрезмерного увеличения мощности микросварки, что приводит к образованию трещин, разрушению кристалла или отрыву соединений из-за недостаточного сцепления. Во-вторых, в процессе пайки на воздухе происходит окисление открытых металлических поверхностей, что также негативно сказывается на качестве микросварного соединения и может снижать выход годных (рис. 2).

Рис. 2 Стеклянное защитное покрытие тиристора: воздействие несовместимой отмывочной жидкости (сверху); оптимальная отмывка (снизу)

Соответствующий процесс очистки должен обеспечивать полное удаление остатков флюса после пайки и активацию окисленных поверхностей (удаление окислов). В дополнение к этому современные промывочные жидкости после отмывки создают на поверхности тонкий защитный слой, который препятствует повторному окислению металлизации, но легко удаляется в процессе ультразвуковой микросварки. Процессы отмывки, разработанные специально для силовых модулей, позволяют создавать оптимальную поверхность для проволочной микросварки без загрязнений и окислов. Производственная практика компании Zestron подтвердила, что водорастворимые pH-нейтральные чистящие средства с технологией MPC, не содержащие ПАВ, такие как Vigon PM105 или Vigon N600, удовлетворяют указанным требованиям в отличие от многих используемых растворителей.

В ходе внутреннего исследования в компании Zestron был проведен анализ влияния процесса отмывки силовых модулей на прочность микросварного соединения на сдвиг. Результаты первой части исследования показали, что оптимизированный процесс отмывки ведет к значительному увеличению прочности на сдвиг по сравнению с неочищенными подложками (рис. 3). Во второй части исследования было проведено сравнение качества подготовки поверхностей к разварке проволочных соединений в зависимости от технологии очистки (MPC и ПАВ). Результаты показали, что отмывочные жидкости на водной основе класса MPC обеспечивают бóльшую прочность на сдвиг по сравнению с обычными ПАВ, поскольку они не оставляют осадка на поверхности после ополаскивания.

В зависимости от конфигурации технологического процесса использование соответствующих чистящих средств на водной основе позволяет в ряде случаев отказаться от плазменной обработки, которая обычно является обязательной. Таким образом, отмывка с помощью специализированных жидкостей на водной основе имеет значительный потенциал к снижению производственных расходов.

Рис. 3 Проволочные соединения на окисленной медной подложке, активированной путем отмывки жидкостью Vigon PM 105 (снизу)
Рис. 4 Прочность микросварного соединения на сдвиг: без отмывки (сверху); с отмывкой жидкостью Vigon PM 105 перед микросваркой

Отмывка и защита от воздействия окружающей среды

Процесс отмывки также оказывает влияние на качество защиты прибора от воздействия окружающей среды. При плохой адгезии силиконового компаунда или геля к подложке влага при эксплуатации изделия может проникать по границе раздела подложка-компаунд. Наличие остатков флюса на поверхности подложки после пайки уменьшает усилие сцепления заливки и может привести к расслоению. Загрязнения на поверхности модуля также могут вызывать электрохимическую миграцию под материалом заливки и последующий отказ изделия во время эксплуатации. В ходе выполнения нескольких проектов по отмывке силовых модулей было выявлено, что отмывка увеличивает усилие сцепления заливки с подложкой и снижает вероятность расслоения, что благотворно сказывается на общей надежности заливки.

Заключение

Таким образом, отмывка силовых модулей после процесса пайки является обязательным требованием для обеспечения длительного срока службы изделия. Использование специализированных отмывочных жидкостей, с одной стороны, позволяет достичь максимально возможной чистоты поверхности, с другой, получить пассивированную металлизацию для предотвращения повторного окисления. Эти два фактора в сильной степени определяют прочность микросварных соединений и качество заливки и способствуют повышению качества продукции.

Группа компаний Остек совместно со специалистами компании Zestron готова оказать полную технологическую поддержку в выборе и оптимизации процессов отмывки изделий силовой электроники.

Автор, должность:
Роман Кондратюк, начальник отдела
Отдел:
Отдел технической поддержки
Email:
materials@ostec-group.ru
Издание:
Степень интеграции № 9, 2013