Введение

    В настоящее время в области силовой электроники для соединения полупроводниковых элементов с теплоотводящими основаниями активно внедряется технология низкотемпературного спекания серебросодержащей пасты. Данная технология позволяет создавать контактные соединения в силовых полупроводниковых приборах с более высокими электрическими и термомеханическими свойствами, а также с увеличенным сроком службы по сравнению с действующими технологиями. Однако для получения надежного соединения по данной технологии на соединяемые поверхности необходимо нанести серебряные покрытия.

    Данная статья посвящена проблеме определения прочности сцепления серебряного покрытия с кремниевой подложкой для контроля качества нанесения покрытия в производственных условиях. Для определения прочности сцепления покрытия с подложкой необходимо выбрать клеи и технологии склеивания, которые должны обеспечить правильную передачу нагрузки при испытаниях и получение достоверных результатов [1–17]. В работе [18] исследовали прочность сцепления соединения кремния с молибденом через спеченную серебряную пасту и не рассматривали отдельно сцепление покрытий с кремнием, которое может существенно влиять на контактные соединения в силовых полупроводниковых приборах.

Материалы и методы

    Для исследований были изготовлены образцы из кремния в виде шайб толщиной 2 мм и Æ24 мм. На торцевые поверхности шайб методом испарения в вакууме наносили серебряные покрытия толщиной 0,5–1 мкм. Качество сцепления покрытий с подложками оценивали по результатам испытаний на отрыв покрытий от подложек. Столь малая толщина слоя серебряного покрытия исключает применение низкотемпературной пайки для соединения образцов с оснасткой. Это обусловлено возможностью растворения слоя серебряного покрытия в припое, поэтому для соединения образцов с испытательной оснасткой из сплава Д16-АТ опробовали технологию склеивания с применением высокопрочных клеев. Схема испытаний приведена на рис. 1, а. Нагрузка в этом случае прикладывается перпендикулярно к двум плоскостям склеивания. Испытания проводили с помощью стандартной разрывной машины УТС110М501У. Кривая нагружения одного из образцов в процессе испытания показана на рис. 2.

Рис. 1. Схема определения прочности сцепления серебряного покрытия с образцом по клеевому методу с использованием стандартной оснастки из сплава Д16-АТ (а) и оснастки с термокомпенсаторами из молиблена (б)

Рис. 2. Кривая нагружения при испытании клееного образца, полученного с использованием клея ВК-36

    При данном методе испытаний клей и клеевое соединение должны обладать прочностью выше прочности покрытия, чтобы выдерживать приложенное напряжение. Для исследований отобран ряд высокопрочных клеев (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики высокопрочных клеев, выбранных для исследований

* Для клеевых соединений из сплава Д16-АТ.

    Из данных табл. 1 видно, что наибольшим уровнем прочности соединений обладает клей марки ВК-36. Однако данный клей характеризуется наиболее высокой температурой склеивания, что может привести к наведению термических напряжений в испытываемом образце вследствие значительной разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) между стандартным материалом оснастки – алюминием (α=22,2·10^-6 К^-1) и материалом образца – кремнием (α=5,1·10^-6 К^-1). Поэтому для определения прочности сцепления также опробованы клеи с меньшей температурой склеивания (табл. 2). Результаты микрорентгеноспектрального анализа изломов образцов после испытаний показали, что для клея ВК-27 разрушение произошло по границе «клей–серебряное покрытие», т. е. клей ВК-27 обладает недостаточно высокой прочностью сцепления с серебряным покрытием.

Таблица 2

Прочностные характеристики клеевого соединения

«образец из кремния–материал оснастки»

    Из данных табл. 2 видно, что применение более высокопрочных клеев с повышенной температурой склеивания привело к разрушению испытываемого образца по кремнию, что свидетельствует о действии значительных термических напряжений и образовании микротрещин в теле образца при остывании после склеивания.

    Для нивелирования действия разницы значений ТКЛР спроектирована и изготовлена оснастка с термокомпенсаторами (рис. 1, б). В качестве материала термокомпенсаторов выбран молибден, так как он характеризуется ТКЛР, наиболее близким по значениям к кремнию и равным 5,0·10^-6 К^-1. Пластины-термокомпенсаторы из молибдена толщиной 5 мм припаивали к остальной части оснастки, изготовленной из малоуглеродистой стали Ст3, для снижения стоимости оснастки. Для снятия внутренних напряжений, возникающих на границе «сталь–молибден», пайку соединений производили медью М1, что позволяет получить паяный шов с высокой пластичностью.

Результаты

    Результаты определения прочности сцепления серебряного покрытия с образцом из кремния, полученные с применением оснастки с термокомпенсаторами, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Прочностные характеристики клеевого соединения «образец из кремния–молибден»

* Максимальные и минимальные значения.

    Невысокие значения прочности сцепления покрытия в случае использования клея ВК-36, по-видимому, обусловлены недостаточной степенью скомпенсированности напряжений, возникающих из-за разницы значений ТКЛР молибдена и кремния при температуре склеивания 180°С.

Обсуждение и заключения

    Установлено, что для определения прочности сцепления серебряного покрытия с кремниевой подложкой возможно применять клей ВК-51 при условии нивелирования разницы значений ТКЛР кремния и материала оснастки. С этой целью для испытаний необходимо использовать оснастку с молибденовыми термокомпенсаторами. Эффективность предлагаемой методики определения адгезионных характеристик серебряных покрытий, нанесенных на кремниевую пластину, подтверждается отсутствием разрушений образцов по клеевому слою. Применение более высокопрочного клея ВК-36 исключается ввиду высокой температуры при склеивании.