הרוצח הנסתר: מדוע חללי הלחמה פוגעים בביצועי מודול IGBT וכיצד הלחמה בוואקום מספקת את הפתרון

בעולם האלקטרוניקה בעלת הספק גבוה, חום הוא האויב הבלתי מעורער. עבור מודול IGBT, היכולת להעביר חום ביעילות משבבת הסיליקון לגוף הקירור היא קריטית להישרדותו ולביצועיו. עם זאת, פגם מיקרוסקופי שלעתים קרובות מתעלמים ממנו טמון במכלול המודול: חלל ההלחמה. כיסים זעירים אלה, מלאי גז בשכבות ההלחמה, משמשים כמבודדים תרמיים, ויוצרים נקודות חמות המאיצות הזדקנות, מפחיתות את יכולת מחזור הספק ויכולות להוביל לכשל קטסטרופלי. עבור מהנדסים המתכננים מערכות לרכבים חשמליים, ממירים לאנרגיה מתחדשת או מנועים תעשייתיים, הבנה וסילוק חללים אלה אינם רק פרט ייצור - זהו מרכיב קריטי בהבטחת אמינות המערכת לטווח ארוך.

מאמר זה מתעמק במדע של חללי הלחמה, השפעתם המזיקה על מודולי IGBT, והפתרון הסופי שהפך לסטנדרט בתעשייה עבור יישומים בעלי אמינות גבוהה: הלחמת Reflow בוואקום. נחקור את התהליך, את הפרמטרים המרכזיים שלו, ומדוע הוא חיוני להשגת חיבורי הלחמה בעלי קצב חללים נמוך הנדרשים עבור יישומי הספק תובעניים של ימינו.

מהם חללי הלחמה ומדוע הם נוצרים?

חללי הלחמה הם חללים או בועות הלכודים בתוך חיבור הלחמה לאחר שהוא התמצק. במודול IGBT, הם בעייתיים ביותר בשני ממשקים קריטיים: שכבת חיבור ה-die (בין שבב ה-IGBT/דיודה לבין מצע הנחושת המחוברת ישירות) ושכבת חיבור המצע (בין ה-DBC ללוחית הבסיס של המודול). נתיב פיזור החום זורם ישירות דרך שכבות אלו, מה שהופך כל הפרעה לצוואר בקבוק תרמי חמור.

גורמי השורש: שטף לכוד, פליטת גזים ובעיות במשחת הלחמה

היווצרות חללים נובעת בעיקר מפליטת גזים במהלך תהליך הלחמת הזרימה חוזרת, שבו משחת ההלחמה הופכת ממשחה לחיבור מוצק. הגורמים העיקריים כוללים:

• נדיפות שטף: משחת הלחמה מכילה שטף, חומר כימי חיוני המסיר תחמוצות ומקדם הרטבה. כאשר המשחה מחוממת, הממסים והאקטיבטורים שבשטף מתאדים. אם גז זה אינו יכול להימלט לפני שהלחמה מתמצקת, היא נלכדת ויוצרת חללים.
• לחות ומזהמים: כל לחות הנספגת על ידי המעגל המודפס (PCB), המצעים או משחת ההלחמה עצמה תהפוך לאדים במהלך החימום, ותיצור לחץ משמעותי ותוביל לחללים גדולים.
• כימיה ויישום של משחת הלחמה: עיצוב משחת ההלחמה, כולל תכולת המתכת שלה, גודל האבקה וכימיה של השטף, משפיעים על מאפייני פליטת הגזים שלה. יתר על כן, הדפסה לא נכונה של סטנסיל עלולה להוביל לשקיעות משחה לא עקביות, אשר עלולות ללכוד כיסי אוויר במהלך הנחת הרכיבים.

ההשפעה ההרסנית של חללים על ביצועי IGBT

למרות שנראה כי חללי הלחמה קטנים, הם גדולים באופן לא פרופורציונלי, ומשפיעים בעיקר על השלמות התרמית והמכנית של המודול.

נקודות חמות תרמיות: מנגנון הכשל העיקרי

חלל בשכבת ההלחמה הוא בעל מוליכות תרמית נמוכה פי מאות מזו של ההלחמה שמסביב. הוא חוסם למעשה את זרימת החום, ומכריח אותו לנווט סביב המכשול. זה יוצר נקודות חמות מקומיות על שבב המוליך למחצה ישירות מעל החלל. אפילו חלל המכסה רק 5% משטח ההלחמה יכול לגרום לטמפרטורת הצומת (Tj) לעלות ב-10-20 מעלות צלזיוס או יותר תחת עומס. טמפרטורה מוגברת זו מאיצה ישירות את מנגנוני ההזדקנות של מוליכים למחצה ומקטינה באופן דרסטי את תוחלת החיים התפעולית של המודול. יעיל ניהול תרמי בלתי אפשרי ללא ממשק תרמי מוצק.

לחץ מכני ותוחלת חיים מופחתת

מודולי IGBT נתונים לתנודות טמפרטורה חוזרות ונשנות במהלך הפעולה, תהליך המכונה רכיבת כוחזה גורם לחומרים השונים בתוך המודול (סיליקון, נחושת, קרמיקה) להתרחב ולהתכווץ בקצב שונה, מה שגורם למאמץ תרמו-מכני בחיבורי ההלחמה. חללים משמשים כנקודות ריכוז מאמץ, מחלישים את החיבור והופכים אותו לרגיש יותר לעייפות ולהתפשטות סדקים. עם הזמן, סדקים אלה יכולים לגדול, מה שמגדיל עוד יותר את ההתנגדות התרמית במעגל קסמים שבסופו של דבר מוביל להתפרקות ולכשל המכשיר.

משנה את כללי המשחק: כיצד הלחמה בוואקום מבטלת חללים

הלחמת הזרמה חוזרת קונבנציונלית, המבוצעת בלחץ אטמוספרי, מציעה יכולת מוגבלת לגזים לכודים להיחלץ מההלחמה הצמיגה והמותכת. הלחמת הזרמה חוזרת בוואקום מטפלת ישירות במגבלה בסיסית זו על ידי החדרת סביבה מבוקרת בלחץ נמוך בנקודה הקריטית ביותר בתהליך.

עקרון הפעולה: הפרשי לחצים ופינוי גזים

התהליך ממנף את חוק בויל (P₁V₁ = P₂V₂). על ידי הפחתה דרמטית של הלחץ בתא התהליך לאחר שההלחמה נמסה, נפחן של כל בועות גז שנלכדו מתרחב משמעותית. התפשטות זו מגבירה את כושר הציפה שלהן, ומאפשרת להן לעלות בקלות אל פני השטח של ההלחמה המותכת ולהתפנות על ידי מערכת הוואקום. התוצאה היא חיבור הלחמה צפוף והומוגני עם שיעור חללים מינימלי, לרוב מתחת ל-1%.

מבט שלב אחר שלב על פרופיל הזרמה חוזרת של ואקום

תהליך הזרמה חוזרת ואקום טיפוסי עבור מודול IGBT כולל מספר שלבים מבוקרים בקפידה:

1. מחממים: המכלול מחומם בהדרגה כדי להפעיל את השטף ולהתחיל להתאדות בממסים הנדיפים ביותר.
2. לְהַשְׁרוֹת: הטמפרטורה מתייצבת ממש מתחת לנקודת ההיתוך של הלחמה כדי להבטיח אחידות תרמית על פני כל המודול.
3. זרימה חוזרת (Liquidus): הטמפרטורה עולה מעל נקודת ההיתוך של הלחמה (למשל, ~220-240 מעלות צלזיוס עבור סגסוגות SAC). הלחמה מותכת לחלוטין.
4. יישום ואקום: זהו השלב המרכזי. לאחר שההלחמה נוזלית, התא מפונה לרמת לחץ מוגדרת מראש (למשל, 10-50 מיליבר). ואקום זה נשמר למשך זמן מסוים (למשל, 30-90 שניות) כדי לאפשר פליטה מלאה של גזים.
5. תירגע: הוואקום משתחרר, והמודול מקורר בצורה מבוקרת כדי למצק את ההלחמה וליצור את מבנה החיבור הסופי.

פרמטרים מרכזיים בתהליך להשגת שיעורי ריקנות כמעט אפסיים

שימוש בתנור ואקום בלבד אינו מספיק. השגת תהליך חזק ונטול חללים דורשת בקרה קפדנית על מספר פרמטרים מחוברים. עבור מהנדסים המגדירים או מעריכים תהליכי ייצור, אלו הם התחומים הקריטיים לבחינה מדוקדקת.

פרמטר	מַטָרָה	שיקולי מפתח
בחירת משחת הלחמה	מזעור פוטנציאל פליטת גזים	השתמשו במשחות תואמות לוואקום, בעלות שאריות שטף נמוכות, או שאינן ניקוי. ודאו שתכולת מתכת גבוהה (>88%) ופיזור גודל אבקה מבוקר.
עיצוב והדפסה של סטנסילים	יש להבטיח נפח משחה אופטימלי ולמנוע לכידת אוויר	עיצוב צמצם (דפוסי חלון או רשת) יכול לסייע ביצירת תעלות פליטת גזים. שליטה קפדנית במהירות ההדפסה, הלחץ ומהירות ההפרדה היא חיונית.
פרופיל זרימה מחדש	השגת אחידות תרמית וזמן מספיק מעל נוזל	שלב השרייה מתאים מונע הלם של הרכיב. הזמן מעל נוזל (TAL) חייב להיות ארוך מספיק כדי ששלב הוואקום יהיה יעיל מבלי לגרום לפגיעה ברכיב.
רמת ואקום ומשך זמן	מקסום סילוק גז מבלי להפריע לרכיבים	ואקום עמוק יותר יעיל יותר אך עלול לגרום להתזות הלחמה אם מיושם בצורה אגרסיבית מדי. התזמון הוא קריטי - יש להפעיל אותו רק כאשר ההלחמה מותכת לחלוטין.

כימות הצלחה: בדיקת שיעורי ריקנות ותקנים

אימות לאחר התהליך הוא חובה. הסטנדרט בתעשייה לגילוי חללים הוא בדיקת רנטגן דו-ממדית, המספקת תמונה מהירה ולא הרסנית של איכות חיבור ההלחמה. לניתוח מפורט יותר, ניתן להשתמש במיקרוסקופ אקוסטי סורק (SAM) כדי למפות במדויק את המיקום והגודל של חללים ופגמים. בעוד שסטנדרטים אוניברסליים יכולים להשתנות, יישומים בעלי אמינות גבוהה כגון רכב ותעופה וחלל דורשים לעתים קרובות שטח חלל כולל של פחות מ-2%, כאשר אף חלל בודד אינו עולה על 5-1% משטח ההלחמה הכולל.

מעבר להלחמה בוואקום: הצצה אל העתיד

בעוד שהלחמת ואקום היא הסטנדרט הזהב עבור חיבורי הלחמה בעלי ביצועים גבוהים, התעשייה ממשיכה לדחוף את גבולות הביצועים התרמיים והאמינות. עבור היישומים התובעניים ביותר, במיוחד עם מוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה רחב כמו SiC, טכנולוגיות חיבור חלופיות צוברות תאוצה. אחת הבולטות שבהן היא סינטור כסף. במקום התכה, תהליך זה משתמש בלחץ ובחום כדי למזג חלקיקי כסף בקנה מידה ננומטרי יחד, ויוצר שכבת כסף מוצקה ונקבובית עם מוליכות תרמית מעולה ועמידות שאין שני לה לעייפות תרמו-מכנית. ניתן ללמוד עוד על טכניקה מתקדמת זו במדריך שלנו, כסף מסונטר: הסטנדרט החדש למודולי הספק אמינים במיוחד, המציע פתרון חזק אף יותר מאשר הלחמה מסורתית.

סיכום: בניית אמינות מהיסוד

אמינות של מודול IGBT מורכב עלולה להיפגע ממשהו קטן כמו בועה. חללי הלחמה אינם פגם קוסמטי קטן; הם מהווים איום ישיר על הביצועים התרמיים ועל תוחלת החיים התפעולית של מערכות אלקטרוניות הספק. על ידי הבנת היווצרותם ויישום תהליכי ייצור מתקדמים כמו הלחמת הזרמה חוזרת בוואקום, מהנדסים יכולים לבטל ביעילות איום זה.

נקודות מפתח עבור מהנדסים ומקבלי החלטות

• חללים הם רוצחי חום: הם יוצרים נקודות חמות, מעלים את טמפרטורת הצומת ומאיצים את כשל המכשיר.
• הזרמה חוזרת קונבנציונלית אינה מספקת: תהליכי הלחמה סטנדרטיים אינם יכולים להסיר ביעילות גזים לכודים מהלחמה מותכת.
• ואקום הוא הפתרון: הלחמת ריקפלו בוואקום מסירה באופן פעיל גזים לכודים, וכתוצאה מכך נוצרים חיבורי הלחמה צפופים ואמינים עם שיעורי ריקון נמוכים באופן עקבי מ-1-3%.
• בקרת תהליכים היא הכל: השגת תוצאות אלו דורשת אופטימיזציה קפדנית של משחת הלחמה, פרופילי הזרמה חוזרת ופרמטרי ואקום.

בעת בחירת IGBTs עבור יישומים קריטיים למשימה, חשוב להסתכל מעבר לגיליון הנתונים ולברר לגבי תהליכי הייצור בהם נעשה שימוש. ציון מודולים שנבנו בטכניקות הלחמה ללא חללים מהווה השקעה ישירה באמינות ובביצועים ארוכי הטווח של המערכת כולה. עבור יישומים הדורשים את רמות העמידות הגבוהות ביותר, עיינו בתיק המוצרים שלנו של מודולים בעלי ביצועים גבוהים. מוליכים למחצה כוח, מתוכננים באמצעות תהליכי הרכבה מתקדמים כדי לעמוד באתגרים הקשים ביותר.