SPIEKANE PODKtADKI KOMPENSACYJNE WNiCu DO TYRYSTORÓW. W przyrzq(dqch półprzewodnikowych wraz ze wzrostem przenoszonej mocy wzrastają

Transkrypt

1 Marek LEJBRANDT Kazimierz KALISZUK Wanda OSOWSKA Zakład Metali Próżniowych SPIEKANE PODKtADKI KOMPENSACYJNE WNiCu DO TYRYSTORÓW MAŁEJ MOCY W przyrzq(dqch półprzewodnikowych wraz ze wzrostem przenoszonej mocy wzrastają gabaryty elementu czynnego, jakim jest płytka krzemowa. Równolegle z tym gwałtownie wzrastają naprężenia wynikające z różnych wartości współczynników cieplnej rozszerzalności liniowej płytki krzemowej /4,15 x 10 ^ l/^c/ i doprowadzeń wykonanych z miedzi /16,5 x lo"*^ 1/ C/. Przyrządy te w czasie procesów montażowych i w czasie pracy poddawane są dużym i gwałtownym zmianom temperatury. Różnice temperatury osiąga ją wartość do 300"C. Z uwagi na budowę tyrystora /rys. 1/który stanowi wielowarstwową konstrukcję, zmiany temperatury powodują powstawanie naprężeń, które mogą zniszczyć płytkę krzemową. Obliczenie wytrzymałościowe powstających naprężeń w układach wielowarstwowych jest bardzo trudne, ponieważ powstają one w wyniku oddziaływania na siebie kilku warstw o różnej geometrii i o różnych własnościach fizycznych. Stosowane na ogół sposoby obliczenia naprężeń przy wyliczaniu układów dwu - lub trzywarstwowych /np. bimetale/ w tym przypadku są mało przydatne [5,6]. W celu zabezpieczenia krzemu przed pękaniem stosuje się jako warstwę pośrednią płytki dylatacyjne mające na celu kompensację naprężeń i usztywnienie całego układu. doptuhadanc prodohc ptytka element płytka dylatacyjna czynny dyłałacy/na dopromiiianie ptądouł Rys.l Schemat zespołu czynnego tyrystora 10

2 z punktu widzenia technicznego najkorzystniej jest wykonać płytki dylatacyjne z wolframu mającego wysoki moduł Younga, który pozwala na prawidłowe usztywnienie całego układu. Metal ten charakteryzuje się współczynnikiem cieplnej rozszerzalności liniowej równym 4,5x10 ^ 1/ C, a więc zbliżonym do wartosci charakterystycznej dla krzemu. Jednocześnie wolfram jest dobrym przewodnikiem ciepła i prądu elektrycznego, co ma bardzo dużć znaczenie w prawidłowej pracy przyrządu [1,2,7]. Skład chemiczny i wymiary podkładek kompensacyjnych do tyrystorów zostały ustalone przed rozpoczęciem wstępnych badań i opracowujący technologię nie mieli na to wpływu. Stąd też opracowanie ograniczono do przebadania i ustalenia przebiegu procesu technologicznego oraz dobrania najkorzystniejszych-w aktualnych warunkach-porametrów otrzymywania podkładek. Podkładki kompensacyjne do tyrystorów wykonywane są z pseudostopu WNiCu, przy czym składnikiem podstawowym, z uwagi na wyżej wymienione właściwości, jest wolfram. Niewielki dodatek niklu jest stosowany w celu aktywowania procesu spiekania wolframu [3,6,8], a miedzi-w celu podwyższenia przewodności cieplnej i elektrycznej podkładki. Podkładki te otrzymuje się techniką metalurgii proszków. Przy opracowywaniu programu badań korzystano z danych przedstawionych w pracach^3,6,8], gdzie podano warunki otrzymywania niektórych struktur porowatych z wolframu spiekanego, wielowarstwowych podkładek kompensacyjnych do diod mocy. Do badań użyto proszków metali o różnej ziarnistości i gęstości nasypowej. Jedna z kompozycji mieszanki składała się z proszków o następującym składzie granulometrycznym i gęstości nasypowej: -miedź elektrolityczna o rozkładzie wielkości ziarn przedstawionym na rys.2; średniej średnicy ziarn równej 8 j^m; gęstości nasypowej równej 1,08 g/cm^; -nikiel karbonylkowy o rozkładzie wielkości ziarn przedstawionym na rys.3; średniej średnicy ziarn równej 5 pi; gęstości nasypowej równej 1,94 g/cm ; -wolfram redukowany o rozkładzie wielkości ziarn przedstawionym na rys.4; śred- 3 niej średnicy ziarn równej 5 ^m; gęstośd nasypowej równej 1,94 g/cm. 11

3 21 R[%] R[%] , ,2 9,0 10, ,4 162 W 19.8d[Hrri] Rys.2 Rozkład wielkości ziarn proszku miedzi ,0 10,8 1Z6d[um] Rys. 3 Rozkład wielkości ziarn proszku niklu

4 22 -i, R[%] 20\ IS , d[m Rys. 4 Rozkład wielkości ziarn proszku wolframu Rozkład wielkości ziarn powyższych proszków określano za pomocą telewizyjnego analizatora obrazu typu Quantimet 720 o zdolności rozdzielczej 0,1 przy maksymalnym powiększeniu 1000 razy. Na wykresach przedstawiono procentowy udział ilości sztuk ziarn w poszczególnych przedziałach wielkości średnic mierzonych wzdłuż jednej osi współrzędnych. Niezależnie od tego określono średnią średnicę ziom metodą Fishera, a także gęstość nasypową za pomocą wolumetru Scotta. Wymieszane w odpowiednim stosunku proszki poddano prasowaniu na prasie hydraulicznej bez zastosowania środków ułatwiających poślizg ziarn w czasie zagęszczania. 13

5 3 Wypraski miały gęstosć około 13,0 g/cm, tj, około 71% gęstolci teoretycznej; wartosć tę określono jako optymalną na podstawie przeprowadzonych wcześniej prób prasowania. Wypraski o niższej gęstości miały zbyt małą wytrzymałość mechaniczną i kruszyły się w czasie transportu do następnej operacji, przy wyższych gęstościach natomiast występowała tendencja do ich rozwarstwiania się. Gęstość wyprasek określano geometrycznie: mierząc średnicę i grubość uzyskiwano objętość, następnie po zważeniu na wadze analitycznej obliczano gęstość. Otrzymane wypraski poddawano spiekaniu w piecu laboratoryjnym w atmosferze czystego i suchego wodoru, w temperaturze około 1500 C, w ciągu 1 godziny. Gęstość 3 spieków wyniosła około 15,0 g/cm, tj. około 82% gęstości teoretycznej; określano ją za pomocą wagi hydrostatycznej. Ze względu na małą masę pojedynczej podkładki, należało wykonywać pomiar gęstości co najmniej 10 sztuk jednocześnie. W ten sposób zmniejszył się błąd pomiaru -w porównianiu z błędem popełnianym przy mierzeniu gęstości pojedynczych podkładek. Na powierzchni spieczonych podkładek zauważono liczne wypukłości. Po wykonaniu poprzecznego szlifu metalograficznego stwierdzono pod mikroskopem, że są to "puste" miejsca, które występują tylko na powierzchni podkładki niezależnie od drobnych porów rozłożonych równomiernie w całej objętości badanej próbki. Po przeanalizowaniu całego procesu autorzy doszli do wniosku, że pęcherze te powstają w wyniku nieprawidłowego spiekania. Poddając spiekaniu powyższe podkładki wsuwano je w łódkach bezpośrednio w strefę grzejną pieca, bez uprzedniego powolnego nagrzewania. Powierzchnia tak spiekanych płytek nagrzewa się znacznie szybciej niż cała ich objętość, tworzy się faza ciekła miedzi i niklu, która aktywuje w tym miejscu proces spiekania wolframu. Pomiędzy ziarnami wolframu tworzą się mostki stykowe, a więc zmniejsza się ilość porów, co utrudnia dyfuzję gazów ze środka materiału na zewnątrz. Prężność gazów jest za mała, aby mogły się one wydostać swobodnie ze środka spieku poprzez warstwę już wstępnie spieczonych na powierzchni podkładki ziarn wolframu. W momencie krzepnięcia fazy ciekłej pozostaje pęcherz gazowy, tworząc wypukłość na powierzchni podkładki. 14

6 Przeprowadzono próbę spiekania powyższych p ł y t e k w ł y c h samych warunkach u n i k a j ą c poprzednich n i e p r a w i d ł o w o ś c i. Powoli wsuwano ł ó d k ę w strefę w y s o k i e j t e m p e r a t u r y, tok aby c a ł a masa d o g r z e w a ł a się jednakowo i z a c h o d z i ł o równomierne spiekanie w c a ł e j p ł y t c e. O k a z a ł o s i ę, że hipoteza autorów była słuszna. Spieczone w ten sposób p o d k ł a d k i nie miały na p o w i e r z c h n i p ę c h e r z y, pory rozłożone b y ł y r ó w n o miernie w c a ł e j o b j ę t o ś c i. Tak w y k o n a n ą pierwszą p a r t i ę podkładek przekazano do odbiorcy w c e l u z m o n t o w a nia tyrystorów I przeprowadzenia prób e k s p l o a t a c y j n y c h. Próby w y p a d ł y n i e p o m y ś l n i e ; w z w i ą z k u ze z b y t d u ż ą porowatością podkładek / 18% / n i e p r a w i d ł o w o p r z e b i e g a ł a operacja lutowania... Wobec powyższego zdecydowano się podwyższyć temperaturę i p r z e d ł u ż y ć czas s p i e k a n i a. N o w o z a ł o ż o n e parametry spiekania o k a z a ł y się w ł a ś c i w e. O t r z y m a n o p o d 3 k ł a d k i o wyższej g ę s t o ś c i, wynoszącej p o w y ż e j 1 7, 0 g / c m, t j. 93% gęstości t e o r e t y c z n e j, o większym z i a r n i e wolframu i mniejszej p o r o w a t o ś c i. Jednocześnie p o d w y ż s z y ł się skurcz objętościowy m a t e r i a ł u w czasie procesu s p i e k a n i a. P ł y t k i spiekane w n o w y c h warunkach poddano próbom eksploatacyjnym u o d b i o r c y z w y n i k i e m pomyślnym. N a podstawie przeprowadzonych badań wstępnych opracowano p e ł n ą d o k u m e n t a c j ę t e c h n o l o g i c z n ą k o n i e c z n ą do p r o d u k c j i seryjnej podkładek kompensacyjnych do t y r y s t o rów m a ł e j m o c y. Z n a j ą c skurcz promieniowy i l i n i o w y wyprasek podczas procesu spiekania z a p r o j e k t o wano k o m p l e t matryc i stempli do prasowania proszków. W c e l u zwiększenia w y d a j n o ś c i procesu prasowania proszków z a p r o j e k t o w a n o matrycę s i e d m i o p o z y c y j n ą, tak żeby w czasie jednego suwu roboczego prasy otrzymać jednocześnie siedem wyprasek. Z e w z g l ę d u na konieczność częstego k o n t r o l o w a n i a gęstości wyprasek w czasie prasowania, opracowano t a b e l ę p r z e l i c z e ń c i ę ż a r u w ł a ś c i w e g o wyprasek w zależności od wymiarów i masy t a b l e t k i. W znaczny sposób upraszcza to b i e ż ą c ą k o n t r o l ę p r a w i d ł o w e g o p r a s o w a n i a proszków. Tak przygotowane w y p r a s k i poddaje się procesowi spiekania w p i e c u tunelowym firmy' F H D, ł y p M O H 4 / 2. Rozkład temperatury w z d ł u ż pieca oraz o d p o w i e d n i o dobrana szybkość przesuwu łódek z a p e w n i a j ą p r a w i d ł o w y przebieg n a g r z e w a n i a, spiekania i studzenia wsadu. 15

7 Proces spiekania z a c h o d z i w atmosferze czystego i suchego w o d o r u. Po z a k o ń c z e n i u procesu spiekania p o d k ł a d k i są c z y s z c z o n e, kontrolowane na z g o d ność z WT i przekazywane do o d b i o r c y. Podsumowanie wyników N a podstawie przeprowadzonych bodań nad otrzymywaniem podkładek kompensacyjnych do tyrystorów m a ł e j mocy i późniejszego wdrożenia do p r o d u k c j i, można wysnuć następujące w n i o s k i : V w opracowanej t e c h n o l o g i i optymalną wartością gęstości wyprasek jest gęstość 3 w zakresie 1 3, 0-13,2 g / c m ; 2 / nagrzewanie wyprasek do temperatury izotermicznego spiekania n i e powinno b y ć z b y t g w a ł t o w n e ; prowadzenie procesu spiekania w p i e c u tunelowym z e ściśle określoną szybkością przesuwu wsadu z a p e w n i a p r a w i d ł o w e odgazowanie wyprasek. LITERATURA 1. S, Stolarz: M a t e r i a ł y na s t y k i e l e k t r y c z n e, W N T, Warszawa, W. Rutkowski: M e t a l u r g i a proszków w nowoczesnej t e c h n i c e, W y d. ląsk K a t o w i c e, M. L e j b r a n d t, K. K a l i s z u k : Badania nad otrzymywaniem porowatego s z k i e l e t u wolframowego metodą spiekania a k t y w o w a n e g o. M a t e r i a ł y E l e k t r o n i c z n e, 2, A. Bukat, W. Rutkowski: Teoretyczne podstawy procesów s p i e k a n i a, W y d. Śl<pk, K a t o w i c e, F. Kasper: Thermobimetalie in der e l e k t r o t e c h n i k, B e r l i n, M. Lejbrandt: O p r o c o w a n i e w i e l o w a r s t w o w y c h podkładek kompensacyjnych r i a ł ó w s p i e k a n y c h. Sprawozdanie 3 6 5, O N P M P, z mate S. S t o l o r z, W. Rutkowski: W o l f r a m i m o l i b d e n, PWT, Warszawa, Z, Ostas: Wolframowe p o d k ł a d k i kompensacyjne do krzemowych d i o d m o c y. Biuletyn Informacyjny C E M I, 3, W poszczególnych etapach niniejszego opracowania w z i ę l i u d z i a ł : Z. O s t a s, J. N o w a k, W.Henrykowski, R.Kolankiewicz, J. G r o d z k i, rozwiązując szereg problemów szczegółowych i o g ó l n y c h. A u t o r z y opracowania t ą drogą s k ł a d a j ą im p o d z i ę k o w a n i e. 16

8 Spis treści Niektóre defekty obserwowane w homoepitaksjalnych warstwach krzemu - E. Nossarzewska-Orłowska, M. Pawłowska.3 Spiekane podkładki kompensacyjne WNiCu do tyrystorów małej mocy -M. Lejbrandt, K. Kaliszuk, W. Osowska 10

9 ï I - i-. V- * / -A.; r V. :,r, í i. f 9 ^^!