Pruebas de Confiabilidad de Diodos Schottky SiC para Bepi Colombo

Pruebas de confiabilidad de diodos Schottky SiC para Bepi Colombo

Demetrio López, Juan Barbero & Juan Moreno
Alter Technology, Madrid (España)
Philippe Godignon & Xavier Jordá
Centro Nacional de Microelectrónica (CNM) Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB), Barcelona (España)

Introducción

Prueba de confiabilidad de diodos Schottky para Bepi Colombo

Detalles de los cambios de color inducidos por la rejilla metálica utilizada.

Este documento informa sobre la tecnología de fabricación y la estrategia de envasado para los diodos Schottky de carburo de silicio 300V-5A con una amplia gama de temperaturas de operación (entre -170ºC y 300ºC). Estos diodos han sido diseñados para aplicaciones espaciales de ambientes severos, como las sondas de exploración internas del Sistema Solar. Más específicamente, estos diodos están siendo probados como los diodos de bloqueo de los paneles solares para la misión Bepi Colombo. Se han realizado diferentes pruebas de resistencia para evaluar el comportamiento del diodo cuando se trabaja a alta temperatura y en condiciones de ciclos térmicos severos (comprendidos entre -170ºC y 285 ºC). La capacidad de dureza de la radiación también ha sido probada. Se ha encontrado que la hermeticidad del paquete es un aspecto clave para evitar la deriva de los parámetros eléctricos. Además, el uso de metalización de oro y enlaces de alambre de oro en el ánodo permite reducir la superficie del diodo y la degradación de la unión en comparación con la tecnología que contiene Al. En el contacto del cátodo de la parte posterior, la combinación de metalización Ti / Ni / Au y AuGe ha demostrado un muy buen comportamiento. Como resultado, los diodos fabricados demostraron una alta estabilidad para una operación continua a 285ºC. La prueba de confiabilidad realizada incluyó pruebas mecánicas con fuertes niveles de vibración y choques y aceleración constante, prueba de vida en condiciones operativas máximas con 1500 horas a 285ºC a 5A de corriente directa y 500 horas a 250 de voltaje inverso y 4000 ciclos térmicos de -150ºC a 230ºC con corriente de avance de 0.8 A para temperatura superior a 25 ° C mientras se monitoreaba la caída de voltaje. El documento incluye también una descripción de las soluciones de configuración y las principales lecciones aprendidas para futuras pruebas de dispositivos de alta potencia que operan en un amplio rango de temperatura.
La creciente demanda de productos electrónicos de alta temperatura ha estimulado la búsqueda de alternativas al silicio (Si) que puedan funcionar en condiciones de trabajo extremas; por ejemplo, en un entorno hostil, a una temperatura superior a 300 ° C, bajo altas presiones, experimentando vibraciones intensas o soportando líquidos corrosivos. Los semiconductores de banda ancha son materiales que han atraído mucha atención, especialmente debido a sus propiedades eléctricas, mecánicas y químicas superiores. Actualmente, el material de banda ancha que presenta una tecnología de fabricación más madura es el SiC. Las recientes mejoras en el crecimiento del material de SiC, con una fuerte reducción de la densidad de defectos en el material de partida, permiten producir dispositivos confiables basados ​​en SiC [1, 2].

Prueba de confiabilidad de diodos Schottky para Bepi Colombo

Detalles de los cambios de color inducidos por la rejilla metálica utilizada.

Este hecho ha conferido a SiC para ser el candidato más adecuado para el desarrollo de convertidores de alta eficiencia y electrónica de alta potencia [3, 4, 5]. El dispositivo más avanzado desde el punto de vista técnico y comercial es el diodo Schottky [6,7]. Los diodos comerciales producidos por Infineon o CREE Inc. han demostrado ser eficientes y confiables en aplicaciones de potencia estándar [8]. Los dispositivos Schottky basados ​​en SiC son una solución interesante para la demanda cada vez mayor requerida por las aplicaciones espaciales, como la misión BepiColombo [9]. La misión de BepiColombo consistirá en dos naves espaciales separadas que orbitarán Mercurio. Dado que Mercury está cerca del Sol, la temperatura de trabajo esperada de la célula solar y la electrónica relacionada oscila entre -170ºC y + 270ºC. En particular, el MPO (Mercury Planetary Orbiter) estará expuesto a las intensidades del Sol hasta 10.7 veces más altas que en la órbita de la Tierra. La alta temperatura de funcionamiento no es el único desafío de esta misión. Al orbitar alrededor de Mercurio, el MPO experimentará eclipses estacionales. La temperatura mínima esperada en eclipse es -170 ° C y la cantidad de ciclos está en el rango de 4,000. Por lo tanto, esta aplicación requiere que las condiciones de funcionamiento de los diodos de bloqueo se extiendan mucho más allá de los límites de los diodos Hi-Rel existentes.
Este trabajo tiene como objetivo desarrollar dispositivos Schottky basados ​​en SiC capaces de ser utilizados en la misión BepiColombo.

Sin embargo, el paquete de los dispositivos disponibles comercialmente está diseñado para una temperatura máxima de unión de 175ºC. Con respecto a nuestra aplicación BepiColombo, se requieren diodos 300V-5A con una capacidad de temperatura de trabajo que oscila entre -170ºC y 270ºC. Los dos desafíos principales para extender el estado de la técnica de los diodos a este rango de temperatura particular fueron: definir un paquete de alta temperatura confiable y modificar en consecuencia la tecnología de troqueles de SiC para que quepa en el nuevo paquete. Se han considerado diferentes enfoques tecnológicos, con variaciones principalmente en la técnica de interconexión y las capas de metalización. Los lotes de diodos empaquetados se han sometido a esfuerzos eléctricos a largo plazo para definir el diseño óptimo y el diagrama de flujo de proceso para el diodo, centrándose en la estabilidad de los dispositivos en modo DC. También se están realizando pruebas de ciclos térmicos para evaluar la estabilidad termomecánica.

Conclusiones

Pruebas de confiabilidad de diodos Schottky SiC para Bepi Colombo

Solder alloy on the end of one terminal.

Los diodos Schottky 300V-5A han sido diseñados y fabricados para funcionar en matrices de paneles solares de la misión espacial BepiColombo. Las tecnologías de paquetes y semiconductores se han hecho compatibles para alcanzar una temperatura de funcionamiento que oscila entre -170ºC y 270ºC. Los contactos W Schottky han demostrado ser altamente estables después del estrés prolongado a alta temperatura. El principal desafío fue la interconexión y los esquemas de empaque. Esto se resolvió utilizando oro alambre de unión y electrodeposición metalizado de ánodo de oro superior en lugar de aluminio pulverizado como metalización de ánodo de alta corriente. En el contacto del cátodo, la combinación de metalización Ti / Ni / Au y unión a presión AuGe mostró un comportamiento muy bueno. Los diodos empaquetados (caja metálica TO-257 con una capa intermedia de aislamiento BeO) exhibieron una alta estabilidad hasta una temperatura de trabajo (caja) de 330ºC. Los diodos también son compatibles con ciclos térmicos desde -170ºC hasta 270 ºC. Finalmente, los diodos presentaron una buena resistencia a la prueba de radiación, incluso si se observa algún efecto dinámico en la corriente de fuga inversa en la prueba de radiación de dosis total. Estos efectos se deben a los cargos de interfaz y son reversibles. A partir de los resultados presentados aquí, se puede concluir que los diodos fabricados W + Au SiC son adecuados para las condiciones de trabajo extremas requeridas por la misión específica de BepiColombo a Mercury. Estos dispositivos se producen en una línea de producción estándar que incluye 2 equipos específicos: un implantador de aluminio y un horno de alta temperatura (1600ºC). Para esta aplicación, solo se necesitan pequeñas series de piezas, en el rango de 2000. El control de calidad de las piezas se realiza a través de un procedimiento de cribado en cada parte que incluye paso de acondicionamiento, mediciones a baja y alta temperatura, ciclos de temperatura, HTRB prueba, ciclo de potencia y pruebas de fugas.

La prueba de dispositivos de alta potencia a altas y bajas temperaturas conduce a problemas inusuales que pueden resolverse preparando y verificando la configuración adecuada. La descripción de algunos de estos problemas y las soluciones implementadas ha sido descrita. Una proyección de 1200 diodos y una calificación paralela para el proyecto de Bepi Colombo se está realizando en el momento de escribir este documento.

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