ВАЖЛИВІСТЬ ОЧИЩЕННЯ У ВИРОБНИЦТВІ ПОТУЖНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Високе теплове навантаження потужної електроніки вимагає найвищої чистоти під час виробництва, оскільки навіть найменші забруднення, що залишаються на поверхні, впливають на якість і надійність цих виробів.

Все більше електронних пристроїв є конструкціями, віднесеними до категорії потужних систем. Вони все ширше використовуються через зростання популярності електромобілів, сонячних установок і гарантованого електропостачання. Незважаючи на високу потужність, очікується, що вони будуть мати невеликі розміри та високу ефективність, що робить друковані плати все більш компактними та складними у виготовленні.

Силова електроніка піддається впливу підвищених температур і працює в середовищі зі змінними кліматичними умовами, з надзвичайно високими струмами та дуже високими вимогами до ефективної теплопередачі. Високе теплове навантаження вимагає найвищої чистоти під час виробництва, оскільки навіть найменші домішки, що залишаються на поверхні, погіршуватимуть матеріали, що використовуються, а отже, знижуватимуть якість і надійність, які є такими бажаними в цих застосуваннях.

Забруднювачі на друкованих платах і підкладках модулів живлення – це оксидні шари, залишки та бризки флюсу, що залишилися від процесу пайки. Розбризкування флюсу впливає на адгезію дроту в процесі склеювання, а забруднення на підкладці та на мікросхемі можуть викликати корозію або механічно послабити структуру. Щоб гарантувати найвищу надійність процесу, ці забруднення повинні бути повністю видалені з поверхонь за допомогою процесу очищення.

Основи

Виробничий процес завжди складається з багатьох етапів і може змінюватися в залежності від галузі або технології, яка використовується. Тому процес очищення може знадобитися на різних етапах виробництва. У виробництві силових модулів першим кроком є ​​припаювання кремнієвої структури компонента до мідної підкладки (каркасу). На наступному етапі необхідно з’єднати контактні поля конструкції з проводами за допомогою проводів (так зване wire bonding). Навіть тоді може знадобитися очищення. Потім рама з конструкцією монтується на тепловідвід і закривається в термопластичний корпус (мал. 1).

Малюнок 1. Мийка силових модулів може знадобитися на двох етапах виробничого процесу

Процедура кваліфікації

Як правило, для визначення надійності силових модулів проводяться масштабні кваліфікаційні випробування. Це дозволяє виробникам кваліфікувати продукцію відповідно до міжнародно прийнятих тестів. Приклади стандартних кваліфікаційних тестів на основі стандартів IEC і CENELEC детально описано в таблиці 1.

Таблиця 1. Тести оцінки продукту на основі стандартів IEC і Cenelec

Миючі засоби на водній основі

Хоча органічні розчинники традиційно використовуються для очищення силової електроніки, останніми роками процеси на водній основі набули значення з міркувань безпеки. Водні миючі засоби, спеціально розроблені для застосування в силовій електроніці, забезпечують відмінну ефективність очищення, сумісність з матеріалами та довгострокову надійність очищених виробів. Вони містять значно менше летких органічних сполук (ЛОС) і тому безпечніші для персоналу. Це було підтверджено численними випробуваннями, в тому числі в області забезпечення якості і надійності з’єднання, виконаного в технології склеювання проводів. Вони також характеризуються чудовою сумісністю з матеріалами.

Малюнок 2. Структура діода неочищеного (а) і очищеного (б)

Склеювання проводів

Є дві основні проблеми, які впливають на якість з’єднання під час склеювання дроту. Це залишки флюсу на підкладці та бризки флюсу, що залишилися на поверхні мікросхем (мал. 2). Неналежне очищення поверхні мікросхеми призводить до низької якості та часто до надмірно великого зусилля склеювання, необхідного під час процесу збирання, що призводить до тріщин у так званих п’ятах з’єднання (притиснута поверхня дроту до конструкції), пошкодження мікросхем або відривів проводів (мал. 3-5).

Важливо також, що невідповідні миючі засоби можуть призвести до сильного окислення поверхні під час очищення, створюючи на поверхні додаткові шари оксиду. Це може спричинити проблеми зі з’єднанням і вплинути на ефективність виробництва (мал. 6-7).

Правильно підібраний процес очищення повинен забезпечити відмінну якість поверхні, тобто видалити всі залишки флюсу після пайки та активувати окислені поверхні. Промислові випробування показують, що pH-нейтральні миючі засоби на водній основі дають кращі результати порівняно з традиційними матеріалами на основі органічних розчинників.

Якість зв’язків, утворених у процесі склеювання проводів, зазвичай оцінюють за допомогою тесту на зсув. Стабільний процес з високими значеннями сили зсуву та низьким значенням стандартного відхилення, які необхідні для забезпечення ефективності виробничого процесу (мал. 8), є ефектом використання добре підібраного засобу для очищення. Модулі, які не проходять випробування на зсув, є втратою для виробника, оскільки підкладки вже припаяні до радіатора, а виправлення при монтажі не вносяться.

Фірма Zestron досліджувала вплив очищення на показники зсуву. Порівняння міцності дротяного зв’язку проводилося на підкладках, які не були очищені та очищені мікрофазовим очисником. Результати показали, що мікрофазові миючі засоби значно підвищують значення зсуву порівняно з показниками, досягнутими з неочищеними силовими модулями (мал. 9–10). Варто також відзначити, що оптимізований процес очищення за допомогою засобу на водній основі дозволяє усунути зазвичай необхідну поверхневу активацію плазмою, що, в свою чергу, призводить до значного зниження витрат.

Малюнок 3. Тріщина п’ятки дроту.

Малюнок 4. Дефект мікросхеми

Малюнок 5. Відрив дроту.

Малюнок 6. Сильно окислена поверхня міді.

Малюнок 7. З’єднання на мідній підкладці, активоване очищенням.

Малюнок 8. Порівняння значень сили зсуву для різних очисних засобів.

Малюнок 9. Порівняння значень зсуву: модулі очищені перед склеюванням

Малюнок 10. Порівняння значень зсуву: неочищений силовий модуль

Випробування на навантаження

Тестування циклу живлення є широко використовуваним методом визначення довгострокової надійності електронних пристроїв. Типові методи кваліфікаційного випробування цього типу включають: термічний удар, механічний удар, випробування на вологість і вібрацію, зберігання при низькій і високій температурі, вологостійкість, HTRB, HTGB і переривчасту роботу. У сфері електроніки високої потужності модулі навантажуються на основі конкретних моделей, що імітують типові програми, і їх термін служби зазвичай вимірюється кількістю циклів.

Якщо модулі не були добре вимиті, тобто забруднення все ще залишаються на мікросхемах і підкладках, вони найчастіше не проходять випробування на навантаження. Найпоширенішою несправністю в цій області є підняття склеєних проводів, спричинене недостатньою силою з’єднання через наявність домішок на поверхнях. Оскільки потужні контакти створюються за допомогою кількох паралельно з’єднаних проводів, то при виході з ладу одного проводу інші стають перевантаженими, створюючи лавиноподібний процес, що закінчується виходом з ладу.

Очищення перед процесом склеювання має значний вплив на результати випробування на навантаження. Якщо залишки видаляються в оптимізованому процесі очищення, якість з’єднання значно покращується, а надійність підвищується.

Замикання в процесі формування

Очищення також впливає на якість процесу герметизації модуля термопластиком, який наноситься на підкладку після склеювання в процесі формування для захисту мікросхем від впливу зовнішнього середовища. Забруднення відіграє вирішальну роль у зчепленні з пластиком і, таким чином, впливає на надійність. Залишки флюсу на поверхні підкладки зменшують сили зчеплення, що в свою чергу може призвести до розшарування (рис. 11-12). Залишки флюсу також можуть призвести до електрохімічної міграції матеріалів під формовану поверхню, що призведе до руйнування з часом. Очищення збільшує сили адгезії, зменшуючи дефекти розшарування.

Малюнок 11: Приклади розшарування

Малюнок 12: Негативний вплив миючого засобу на поверхню тиристора.

Малюнок 13. Оптимально підібраний миючий засіб.

Сумісність матеріалів

Ефективність очищення важлива з точки зору продуктивності виробничої лінії. Однак часто забувають про інший дуже важливий аспект, а саме про хімічну сумісність процесу очищення з матеріалами, які використовуються в процесі виробництва модуля. Засоби для очищення повинні відповідати вимогам сумісності матеріалів. Тому, вибираючи той чи інший засіб, переконайтеся, що він не руйнує пасивацію стружки і не впливає на поверхню підкладки. Несприятливий вплив засобу для очищення на пасивацію структури тиристора показано на мал. 12-13. Додаткові проблеми із сумісністю матеріалів, які можуть виникнути, представлено на мал. 14 та описані в табл.2. На практиці доцільно перевірити не лише ефективність миючого засобу, але й переконатися, що він повністю сумісний.

Малюнок 14: Проблеми сумісності матеріалів.

Таблиця 2: Проблеми з сумісністю матеріалів.

Резюме

Очищення компонентів, модулів і зібраних друкованих плат є способом забезпечення їх надійності, екологічності та повторюваності виробничих процесів. Використання правильно підібраних засобів для очищення забезпечує найвищий рівень чистоти, а отже, є гарантією збереження якості, ефективності та низьких витрат.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl