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ENERGÍA EÓLICA
CHRISTIAN GÖBL
HEAD OF NEW TECHNOLOGIES, SEMIKRON
Tecnología de sinterización
aplicada en módulos de potencia
Las aplicaciones de altas potencias, como la automoción, generación eólica y solar, aplicaciones
industriales, etc., requieren módulos de potencia que cumplan los estrictos requisitos de fiabilidad
y robustez frente a los ciclos térmicos y de carga. Estos requisitos pueden cumplirse utilizando
novedosas tecnologías de encapsulamiento como la tecnología de contacto por presión y la
tecnología de contacto por muelles, además de la tecnología de sinterización. Los ingenieros
de desarrollo en el Área de Nuevas Tecnologías de Semikron en Nuremberg, Alemania, se han
planteado el reto de desarrollar, optimizar e industrializar esta nueva tecnología de sinterización
en el encapsulado de módulos de potencia.
L
a tecnología de sinterización con
compuesto de plata ha sido utilizada para unir los chips al sustrato
cerámico desde 1994. Desde ese momento, las propiedades de la unión sinterizada
y sus beneficios en términos de fiabilidad
fueron analizados en numerosos estudios
a nivel internacional. Sin embargo, en esa
época, este tipo de tecnología no estaba
lista para ser aplicada en la la industria de
la electrónica de forma masiva.
Las uniones sinterizadas chip/sustrato se
consiguen mediante partículas de plata
especiales que, en determinadas circunstancias, producen uniones sinterizadas que
dan lugar a una unión fiable entre las partes. La figura 1 muestra las partículas de
plata antes y después del proceso de sinterización. Es importante saber que cada
una de estas partículas está rodeada de una
capa de un material especial. El proceso de
unión es sencillo ya que solo es necesario
disponer de un número de partículas suficiente para conseguir el espesor deseado
Liquidus
Figura 1. La capa de material de plata antes (izda) y
después (dcha) del proceso de sinterización.
de la capa de unión y aplicar una temperatura y presión adecuadas durante un periodo determinado de tiempo. El resultado es
una unión muy estable. Sin embargo, este
proceso básico ha de ser refinado para poder ser aplicado de manera industrial.
En los últimos años, los esfuerzos se han
centrado en la industrialización de esta
tecnología. Se ha conseguido desarrollar
una pasta que se utiliza como material de
partida en la sinterización. Además, se han
desarrollado los útiles necesarios para poder sinterizar sustratos cerámicos (DCBs)
multi-chip en formato 5“*7“. La prensa
utilizada en el proceso de sinterización ha
Figura 2. Comportamiento frente a los ciclos de carga
de los chips sinterizados frente a los chips soldados.
sido diseñada para poder utilizar diferentes presiones de carga dependiendo del
proceso de sinterización. Además, el personal encargado del proceso ha sido formado y se han tomado acciones de mejora
continua del mismo.
La fuerza de unión de contacto que se
ha conseguido con la capa de sinterización
entre los chips y el sustrato es extraordinariamente elevada. Las uniones sinterizadas
muestran, en los tests de fiabilidad, una
alta capacidad de resistencia a los ciclos de
Ag pure silver
Ag sinter layer
SnAg solder layer
Factor
°C
961
961
221
4
Electric conductivity
MS/m
68
41
7,8
5
Thermal conductivity
W/mK
429
250
70
4
Density
gr / cm³
10,5
8,5
8,4
1
CTE
μm / mK
19,3
19
28
1
Tensile strength
Mpa
139
55
30
2
Tabla 1. Parámetros del material de plata utilizado en la sinterización frente al material de aportación usado en el proceso de soldadura.
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carga. Otra ventaja de la tecnología de sinterización es que se consigue una mayor
exactitud, del orden de 50 μm, de la posición de los chips en relación al sustrato. En
comparación, con la tecnología actual de
soldadura, sólo es posible conseguir una
exactitud en la posición de 400 μm.
Si se tiene en cuenta el espesor de la
capa sinterizada, ésta es entre 4 y 5 veces más fina que la capa soldada y tiene
una conductividad térmica 4 veces mejor.
La conclusión es que la unión sinterizada presenta unas excelentes propiedades
térmicas. Las capas sinterizadas también
tienen un mejor comportamiento frente a
los ciclos de carga debido a que el punto
de fusión del material de plata usado en
la sinterización es cuatro veces superior al
punto de fusión del material de aportación
en el proceso de soldadura (véase tabla 1).
La estabilidad a altas temperaturas de la
unión sinterizada indica que la unión no se
deteriora con el tiempo.
Aplicación de la tecnología de
sinterización
La tecnología de sinterización se ha empleado en los módulos de IGBTs SKiM®, usados
en aplicaciones de entre 22 kW-150kW. El
SKiM® tiene una capacidad de resistencia a
los ciclos térmicos de hasta 5 veces superior
que los módulos convencionales con suela
de cobre y soldadura. En vez de soldar el
sustrato cerámico, necesario para aislar el
módulo, a la suela de cobre, se ha eliminado esta última utilizando la tecnología
de contacto por presión a la hora de unir
el módulo al disipador (véase Fig. 3). La
presión se aplica en numerosos puntos colocados cerca de cada chip de tal manera
que garantizan un distribución de la presión
uniforme en toda la superficie del sustrato
cerámico. Al eliminar la suela de cobre se
consigue un mejor comportamiento frente
a los ciclos térmicos y una resistencia térmica más baja. La figura 3 muestra una sección de la carcasa del módulo, el sistema
de contacto por presión y los contactos de
muelle para las conexiones de control.
La eliminación de todas las conexiones
soldadas, hace que la familia de módulos
SKiM sea la primera vez que se encuentra disponible en el mercado un módulo
100% sin soldadura. La combinación de
la tecnología de sinterización, la tecnología de contacto por presión y el diseño sin
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Figura 3. SKiM 63.
Figura 4. La temperatura de fusión del material de
unión en módulos con chips sinterizados es seis
veces mayor que la temperatura de trabajo.
suela de cobre garantiza una capacidad de
resistencia a los ciclos térmicos 5 veces superior que los módulos soldados con suela
de cobre.
En los últimos 15 años, las temperaturas
admisibles en los chips se han incrementado de manera continua. Actualmente, los
módulos que incorporan la última tecnología de chips, por ejemplo, IGBT4 / CAL4,
pueden trabajar a temperaturas máximas
de hasta 175ºC. En el futuro, el uso del
carburo de silicio presentará mayores retos
a la hora de poder conseguir uniones estables y resistentes a los ciclos térmicos, ya
que la temperatura de trabajo para componentes basados en carburo de silicio
puede alcanzar hasta 300ºC. Es por ello
que la tecnología de sinterización desarrollada por Semikron, se adapta perfectamente a esos rangos tan elevados de temperatura de trabajo. Esto es debido a que
el punto de fusión de la unión sinterizada
es de 961°C, alrededor de 740°C más alto
que el de la unión soldada utilizada habitualmente hoy en día. Esta estabilidad de
la unión hasta altas temperaturas, hace
que la unión no se degrade. Los diferentes
tests de fiabilidad y vida realizados prueban la robustez de la unión sinterizada.
Con el paso del tiempo, las áreas de aplicación de los semiconductores de potencia
han cambiado de manera dramática. En el
pasado, los módulos semiconductores solo
se utilizaban en sitios accesibles, montados
dentro de armarios donde el ambiente era
muy controlado. Hoy en día, los módulos
semiconductores se usan en aplicaciones
móviles, por ej, vehículos con condiciones
ambiente extremas, temperaturas de más
de 110ºC, etc. El reto actualmente consiste en asegurar que el modulo semiconductor pueda trabajar en esas condiciones tan
duras de manera fiable.
El futuro de la sinterización
La tecnología de sinterización desarrollada por Semikron es una tecnología clave
que permite la fabricación de módulos de
potencia más potentes, fiables y con una
mayor vida útil. Los mismos principios que
se aplicaron en la fabricación del modulo
SKiM –eliminación de la suela de cobre,
sistema de contacto por presión y tecnología de sinterizado– se han aplicado al
desarrollo de la 4ª generación del módulo
de potencia inteligente SKiiP, utilizado en
aplicaciones de generación eólica, solar,
tracción de autobuses, metro, etc.
Los beneficios de la tecnología de sinterización también se aplican al SKiiP de 4ª
generación: capacidad de resistencia a los
ciclos térmicos cinco veces mayor que los
módulos convencionales, unión estable entre el chip y el sustrato cerámico y capacidad de resistencia a los ciclos de carga dos
veces mayor que los módulos estándar 67