التقدم البحثي للمواد الرئيسية للتغليف الإلكتروني للطاقة والتصميم الهيكلي

خلاصة:يعتمد التغليف الإلكتروني التقليدي للطاقة بشكل أساسي على تقنيات التغليف المستوية ثنائية الأبعاد مثل توصيل اللحام وربط الأسلاك، والتي لا يمكنها تلبية التطبيق الموثوق به لأجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث ذات التردد العالي والجهد العالي ودرجة الحرارة العالية. من أجل حل هذه المشكلة، تطورت العبوة المستوية ثنائية الأبعاد تدريجيًا إلى عبوة متكاملة ثلاثية الأبعاد. تم تلخيص التقدم البحثي للمواد الرئيسية وتصميم الهيكل في تكنولوجيا التعبئة الإلكترونية للطاقة وتوقعاته. تطورت مواد التوصيل تدريجيًا من اللحام القائم على القصدير إلى اللحام القائم على الذهب، ومواد توصيل الطور السائل العابر، والفضة الملبدة وغيرها من المواد ذات الموصلية الحرارية العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية، وتطورت تكنولوجيا التوصيل تدريجيًا من ربط الأسلاك إلى الربط المزدوج. التبريد الجانبي وتكامل الجهاز والتوصيل البيني للتصفيح العمودي. تم تحسين أداء المفتاح عن طريق إزالة الخيوط، وتحسين كثافة الطاقة من خلال دمج الرقائق والأجهزة المختلفة، وتحسين كفاءة تبديد الحرارة عن طريق التبريد على الوجهين. يتمتع التغليف المتكامل ثلاثي الأبعاد بإمكانيات سوقية كبيرة وسيصبح أحد اتجاهات التطوير الرئيسية في المستقبل.

الكلمة:التغليف الإلكتروني مواد التعبئة والتغليف. هيكل التغليف التعبئة والتغليف ثلاثي الأبعاد. الفضة الملبدة السيليكون من خلال ثقب

مشروع الصندوق:مشروع لجنة العلوم والتكنولوجيا في شنتشن(JCYJ20180508161601937)

تتطور أجهزة الطاقة الإلكترونية نحو تطبيقات الترددات العالية والكثافة العالية والطاقة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة [1]. في الوقت الحاضر، لا تزال الأجهزة المعتمدة على السيليكون (Si) هي المهيمنة. ومع ذلك، نظرًا لخصائص المواد، فإن تردد التبديل ودرجة حرارة التشغيل وكثافة الطاقة للأجهزة المعتمدة على السيليكون محدودة. بالمقارنة مع الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون، يتم استخدام الجيل الثالث من أشباه الموصلات مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) بشكل متزايد في تطبيقات الجهد العالي ودرجات الحرارة العالية والترددات العالية مثل الاتصالات اللاسلكية والكهرباء. المركبات والفضاء بسبب ارتفاع جهد الانهيار، وفجوة النطاق الأوسع، والتوصيل الحراري العالي، وانخفاض فقدان الطاقة [2-3]. ومع ذلك، في الوقت نفسه، فإن التطور السريع للجيل الثالث من أجهزة أشباه الموصلات قد وضع متطلبات أكثر صرامة لتكنولوجيا التعبئة والتغليف.

تكنولوجيا التغليف هي عملية توصيل وتثبيت الشريحة بالركيزة الحاملة، وإخراج المسامير، وتشكيلها في جهاز أو وحدة طاقة كاملة، والتي تلعب بشكل أساسي دور التوصيل الكهربائي، والدعم الهيكلي والحماية، وتوفير تبديد الحرارة [4]. باعتبارها جوهر تكامل الوحدة، تؤثر مواد التعبئة والتغليف والعمليات والهياكل بشكل مباشر على خصائص التداخل الحراري والكهربائي والكهرومغناطيسي لوحدات الطاقة. في الوقت الحاضر، تعتمد تكنولوجيا التغليف الناضجة بشكل أساسي على توصيل المواد مثل الغراء الفضي أو اللحام القائم على القصدير، وهياكل التغليف مثل توصيل الرصاص، والتي تتميز بمقاومة ضعيفة لدرجة الحرارة العالية والضغط العالي، ومشاكل التوافق الكهرومغناطيسي البارزة، ولا يمكنها توفير وسيلة فعالة لتبديد الحرارة. في الآونة الأخيرة، تتمتع المواد المترابطة الفضية الملبدة، وهياكل الحزمة المتكاملة ثلاثية الأبعاد، وما إلى ذلك بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية وموصلية حرارية عالية، والتي يمكن أن تحقق تبديد الحرارة على الوجهين وتقلل بشكل كبير من خسائر التبديل، مما يجعل وحدات الطاقة تتمتع بخصائص حرارية وكهربائية جيدة و الموثوقية، واكتسبت المزيد والمزيد من البحث والاهتمام. ومن المتوقع أن يفي بالتطبيق الموثوق به لأجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث في مجالات درجات الحرارة العالية والجهد العالي والتردد العالي. في هذه الورقة، يتم تلخيص أحدث التقدم البحثي لمواد التعبئة والتغليف الإلكترونية للطاقة وتصميم الهيكل والتنقيب عنه.

يظهر الشكل 1 بنية حزمة وحدة الطاقة النموذجية، والتي تتكون من شريحة طاقة، ومواد توصيل، وأسلاك ربط، وركيزة خزفية، ولوحة سفلية، ومواد تأصيص، وغطاء ومحطات طاقة [3,5،XNUMX]. تختلف الخصائص الحرارية والكهربائية والميكانيكية والكيميائية لكل مادة تعبئة، لذلك من الضروري النظر بشكل شامل في خصائص كل مادة لتحديد أفضل أداء لوحدة الطاقة بأكملها.

图1  منتجات العناية بالبشرة[5]

يظهر الشكل 2 اتجاه تطوير مواد وتقنيات التعبئة والتغليف الرئيسية مثل ربط الرقائق والاتصال والركيزة. تتطور تكنولوجيا الاتصال من ربط الأسلاك إلى الأشرطة والأعمدة النحاسية وإطارات الرصاص والمطلية من خلال الثقوب، وما إلى ذلك. ومن خلال إزالة الخيوط وزيادة منطقة الاتصال، يتم تحسين التوصيل الحراري والكهربائي. لقد تطورت مواد ربط الرقائق من اللحام التقليدي إلى اللحام بدرجة حرارة عالية قائم على الذهب، وربط الطور السائل العابر، والفضة الملبدة والنحاس الملبد، وما إلى ذلك، مما يحسن بشكل كبير التوصيل الحراري والكهربائي ويلبي درجة الحرارة العالية والموثوقة. التطبيقات. تتطور الركيزة نحو سماكة الطبقة المعدنية الموصلة والحرارية للركيزة الخزفية، وبالتالي تحسين كفاءة تبديد الحرارة [5].

الشكل 2 اتجاهات تطوير مواد وتقنيات التعبئة والتغليف مثل التوصيل والركيزة وربط الرقائق [5]

2.1  مادة الرقاقة

تظهر معلمات الأداء لمواد أشباه الموصلات شائعة الاستخدام في الجدول 1 [6-7]. بسبب التكنولوجيا الناضجة والتكلفة المنخفضة، يتم استخدام Si على نطاق واسع في مختلف الأجهزة المنفصلة والدوائر المتكاملة وهندسة شبكات المعلومات الإلكترونية وغيرها من المجالات. بالمقارنة مع Si، تتميز GaAs بخصائص فجوة النطاق الواسعة وحركة الإلكترون العالية، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من حجم التردد اللاسلكي واستهلاك الطاقة، وتستخدم على نطاق واسع في الأجهزة منخفضة الطاقة في الترددات اللاسلكية والاتصالات اللاسلكية والمجالات الإلكترونية البصرية. يتمتع SiC و GaN بفجوة نطاق أكبر، وليس من السهل امتصاص طاقة الإشعاع الحراري والانتقال إلى نطاق التوصيل عند العمل في درجات حرارة عالية، ولديهما قوة مجال انهيار أعلى، لذا فإن أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة SiC و GaN أكثر ملاءمة لدرجات الحرارة المرتفعة والعالية مناسبات الجهد من Si. يتمتع SiC بموصلية حرارية أعلى، وقدرة أفضل على تبديد الحرارة، وحركة حامل أعلى، وكثافة تيار أعلى، ومقاومة لدرجة الحرارة العالية والجهد العالي، لذلك غالبًا ما يستخدم كجهاز طاقة، والذي يتمتع بمزايا واضحة في مجال الطاقة العالية بجهد 600 V وما فوق، ويستخدم على نطاق واسع في مجالات مركبات الطاقة الجديدة ومعدات الطاقة. يتمتع GaN بحركة إلكترون أسرع وسرعة حاملة أسرع، ومقاومة أصغر ومعلمات طفيلية عند الجهد العالي، وله مزايا واضحة في اتجاه الترددات الراديوية عالية الطاقة. يستخدم GaN بشكل أساسي في مجالات الترددات اللاسلكية بالموجات الدقيقة مثل اتصالات 5G والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ومجالات إلكترونيات الطاقة مثل الشحن السريع للإلكترونيات الاستهلاكية ومركبات الطاقة الجديدة، ومجالات الإلكترونيات الضوئية LED بسبب كثافتها العالية للطاقة، واستهلاكها المنخفض للطاقة، وترددها العالي واتساع نطاقها. عرض النطاق. على غرار SiC، لا تزال تقنية GaN في مرحلة التطور السريع في الوقت الحاضر، والتكلفة مرتفعة نسبيًا.

الجدول 1 خصائص مواد رقائق أشباه الموصلات [6]

2.2  مادة ربط الرقائق

تم استخدام لحام سبائك SnPb، مثل Sn63Pb37، على نطاق واسع في مواد ربط الرقائق بسبب خصائصه الممتازة، مثل معامل القص المنخفض، وقابلية البلل العالية، والليونة، والخصائص الميكانيكية الحرارية والموثوقية. ومع ذلك، فإن SnPb لا يلبي معايير الاتحاد الأوروبي RoHS الخالية من الرصاص، ونقطة انصهاره منخفضة (حوالي 180 درجة مئوية). لذلك، هناك حاجة إلى مواد ربط شرائح جديدة لتلبية متطلبات مطابقة معامل التمدد الحراري (CTE) ومقاومة درجات الحرارة العالية لهياكل ومواد التغليف.في الوقت الحاضر، يتم عرض مواد ربط الرقائق الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الجدول 2 [8]. يتكون معجون الفضة الموصل بشكل أساسي من مصفوفة راتنجية، وجزيئات موصلة (مسحوق الفضة بشكل أساسي)، وإضافات مشتتة ومضافات، وما إلى ذلك. الموصلية الكهربائية والموصلية الحرارية منخفضة نسبيًا، ودرجة حرارة التحول الزجاجي حوالي 100 ~ 150 درجة مئوية، وهي محدودة في مجال تعبئة الرقائق ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي. مقارنةً بجنود SnPb، تحتوي اللحامات الخالية من الرصاص، مثل SnAg أو SnAgCu، بشكل عام على محتوى Sn أعلى من 90% ونقطة انصهار أعلى (حوالي 220 درجة مئوية). في عملية التصلب، تكون درجة التبريد السفلي أعلى، ومن السهل تشكيل هياكل شجرية خشنة ومركبات بين المعادن، والتي يتم توزيعها بشكل غير متساو، وبالتالي إضعاف مقاومة الزحف. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع سبيكة SnAgCu بمعامل مرونة عالي، كما أن CTE الخاص بها يختلف تمامًا عن معامل الرقاقة والركيزة. تحت تأثير حمل الدورة الحرارية، من السهل التسبب في تلف الكلال ويؤدي إلى تقشير وصلة اللحام، مما يقلل من موثوقية وصلة اللحام [9].

الجدول 2 خصائص مواد ربط القالب [8]

تتمتع مواد ربط الرقائق ذات درجة الحرارة العالية، مثل سبائك اللحام سهلة الانصهار القائمة على الذهب مثل AuSn أو AuGe، بنقطة انصهار عالية (أكبر من 280 درجة مئوية)، وموصلية حرارية وموصلية كهربائية، ومن السهل تحقيق اللحام بالنحاس الأصفر. ومع ذلك، فإن محتوى الذهب في اللحامات القائمة على الذهب مرتفع بشكل عام والتكلفة مرتفعة، وبسبب الهشاشة العالية لمرحلة المكون، فإنه يؤدي إلى مساوئ المعالجة الصعبة، وانخفاض الإنتاجية وضعف أداء المنتج، مما يؤثر بشكل خطير على تطبيق واسع في مجال التعبئة الإلكترونية للطاقة [10].

ربط الطور السائل العابر (TLPB) هو عملية يتم فيها إضافة طبقات وسيطة (مثل In وSn) ذات نقاط انصهار منخفضة إلى المواد الأساسية المرتبطة (مثل Cu وAu وAg وNi) ذات نقاط انصهار أعلى، و يتم صهر الطبقات المتوسطة وبعض المواد الأساسية وإعادة تصلبها بالتسخين، بحيث ينتشر كل من الصلب والسائل معًا لتكوين اتصال. من خلال اختيار المواد والعمليات المناسبة، يمكن أن يشكل الترابط العابر في الطور السائل مفاصل ذات أداء ممتاز، مثل قوة الترابط التي تزيد عن 60 ميجاباسكال[11]. ومع ذلك، فإن تطبيق اتصال الطور السائل العابر في التوصيل البيني للرقاقة ذات درجة الحرارة العالية محدود إلى حد كبير بسبب انخفاض اختيار الطبقة المتوسطة والتكلفة العالية وأكسدة Au-In والمواد الأخرى.

يعتمد التوصيل البيني للفضة الملبدة، والمعروف أيضًا باسم تقنية الاتصال ذات درجة الحرارة المنخفضة، على انتشار ذرة الطور الصلب لجزيئات الفضة النانوية أو الفضة الدقيقة لتشكيل اتصال متكلس. نظرًا لدرجة حرارة التلبيد المنخفضة (200 ~ 300 درجة مئوية) ونقطة الانصهار العالية (961 درجة مئوية)، تتمتع الفضة بالعديد من المزايا، مثل الموصلية الحرارية العالية، ومقاومة دورة درجة الحرارة والموثوقية العالية لدورة الطاقة. لقد أصبح الخيار المفضل للتوصيل البيني للرقائق ذات درجة الحرارة العالية، وقد تمت دراسته وتطبيقه على نطاق واسع [12]. ومع ذلك، فإن تلبد الفضة له أيضًا بعض العيوب، مثل التكلفة العالية، وتكتل جزيئات الفضة النانوية في درجة حرارة منخفضة، وتلبد ضغط عجينة لحام الفضة الميكرونية، والعملية المعقدة، وطلاء Ni/Au أو Ni/Ag على سطح الرقاقة والركيزة والهجرة الكهروكيميائية للفضة. بالمقارنة مع عجينة اللحام النانوية الفضية، فقد جذبت عجينة اللحام النانوية النحاسية الاهتمام مؤخرًا بسبب انخفاض تكلفتها وعدم وجود خطر موثوقية للهجرة الكهروكيميائية [13]. ومع ذلك، تتأكسد جزيئات النحاس النانوية بسهولة وتحتاج إلى تلبيدها في جو خامل، مما يزيد من تعقيد العملية وتكلفة المعدات، وله قيود معينة على التطبيق.

2.3  مواد تغليف بلاستيكية

تتمثل الوظيفة الرئيسية لمواد التغليف البلاستيكية في العزل الكهربائي والعزل البيئي، والذي يلعب الدور الوقائي لمقاومة الرطوبة ورذاذ الملح والعفن والغبار والتصادم والاهتزاز، وتجنب التآكل البيئي والأضرار. وبالتالي ضمان الأداء الكهربائي للمكونات الإلكترونية، وتحسين مستوى الجهد لوحدات الطاقة ذات الجهد العالي، وتجنب تفريغ القطب الكهربائي، وأخيرًا تحسين موثوقية المنتجات الإلكترونية [14]. يوضح الجدول 3 أنواع وخصائص مواد التغليف البلاستيكية. يمكن تقسيم مواد التغليف البلاستيكية إلى طلاءات مطابقة، وحشوات سفلية، ومركبات قولبة، ومركبات تأصيص، وأسطح كروية [14].      

الجدول 3 أنواع وخصائص مواد التعبئة والتغليف البلاستيكية [14]

الطلاء المطابق هو نوع من الطلاء العضوي الشائع استخدامه لحماية سطح الدوائر المطبوعة، والذي يحتاج إلى أداء اتصال جيد مع الركيزة والمكونات. بشكل عام، يتم اختيار المواد ذات امتصاص الماء المنخفض، قوة العزل الكهربائي العالية، CTE المتطابقة ومعامل المرونة المنخفض، مثل حمض الأكريليك الذي يمكن استخدامه في درجة حرارة منخفضة أقل من 120 درجة مئوية، والبولي يوريثين الذي يمكن استخدامه في درجة حرارة منخفضة أقل من 165 درجة مئوية، راتنجات الايبوكسي التي يمكن استخدامها في درجة حرارة متوسطة أقل من 200 درجة مئوية، وراتنج السيليكون، الباريلين، البنزوسيكلوبوتين والبوليميد والتي يمكن استخدامها في درجة حرارة عالية أكبر من 250 درجة مئوية.

كما هو مبين في الشكل 3، لا يمكن لمركب الملء والقولبة أن يعزل عن البيئة المحيطة ويقلل من إجهاد المجال الكهربائي فحسب، بل يمكنه أيضًا تحسين موثوقية المنتجات المعبأة عن طريق تقليل أو إعادة توزيع الضغط الحراري الميكانيكي الناجم عن عدم تطابق CTE [14]. لذلك، يجب اختيار المواد المطابقة لـ CTE لكل مكون في هيكل العبوة قدر الإمكان، مثل المواد الصلبة ذات CTE البالغة (20~30)×10-6/K وأقل من 20×10-6/K مركب الملء السفلي والقولبة، على التوالي، لتقليل الضغط الحراري الناتج عن كرات اللحام وهيكل العبوة بالكامل بما في ذلك كرات اللحام. في الوقت الحاضر، مركب الحشو والقولبة الأكثر استخدامًا هو راتنجات الإيبوكسي المملوءة بالسيليكا.

لا يعمل غراء التأصيص والغراء المغلف العلوي على تحسين مستوى الجهد ضد انهيار المجال الكهربائي وتجنب التآكل والضرر الذي يلحق بالبيئة المحيطة فحسب، بل يلعبان أيضًا دورًا معينًا في الدعم الميكانيكي لهيكل التغليف. في الوقت الحاضر، أكثر مواد غراء التأصيص وغراء الختم العلوي استخدامًا هي مادة البولي يوريثين التي يمكن تطبيقها عند درجة حرارة منخفضة أقل من 165 درجة مئوية، وراتنج الإيبوكسي الذي يمكن تطبيقه عند درجة حرارة متوسطة أقل من 200 درجة مئوية، ومطاط السيليكون أو هلام يمكن تطبيقه عند درجة حرارة عالية أقل من 300 درجة مئوية. من بينها، يتم استخدام المواد الناعمة مثل مطاط السيليكون أو الجل على نطاق واسع بسبب صلابتها ومعاملها المنخفض، واللدونة العالية والمرونة، والتي لها تأثير ضئيل على إجهاد مكونات التعبئة والتغليف مثل الرقائق وأسلاك الربط. ومع ذلك، فإن المواد الناعمة مثل مطاط السيليكون والهلام لديها دعم ميكانيكي ضعيف وأداء حماية. من أجل مقاومة التأثير الخارجي، يمكن اختيار المواد الصلبة مثل الراتنج. ومع ذلك، عادة ما يكون للراتنج معامل عالي، لذلك من الضروري اختيار مواد ذات معامل CTE مطابق لتجنب الضغط الميكانيكي الحراري المفرط على هيكل العبوة بالكامل.

(ب) 模塑料示图

الشكل 3 رسم تخطيطي لمركب الحشو والقولبة في هيكل التعبئة الإلكترونية للطاقة [14]

2.4  مادة الركيزة واللوحة السفلية

بشكل عام، الركيزة عبارة عن هيكل ساندويتش من "طبقة موصلة معدنية - طبقة عازلة - طبقة موصلة معدنية"، ويتم استخدام الطبقات المعدنية الموصلة العلوية والسفلية للتوصيل البيني للرقاقة واللوحة الإلكترونية المعززة على التوالي. وفقًا لعملية التصنيع، يمكن تقسيم الركائز إلى ركيزة نحاسية مرتبطة مباشرة (DBC)، ركيزة نحاسية مطبوعة مباشرة (DPC)، ركيزة ألومنيوم مرتبطة مباشرة (DBA)، ركيزة لحام معدنية نشطة، AMB)، والركيزة المعدنية المعزولة (IMS)، والنحاس المطبوع بطبقة سميكة (TPC)، وما إلى ذلك.

ركيزة DBC عبارة عن اتصال سهل الانصهار بين السيراميك وأكسيد النحاس الرقيق على طبقة نحاسية، والتي تتميز بأداء ممتاز وتكلفة منخفضة نسبيًا، وتستخدم على نطاق واسع في التعبئة الإلكترونية للطاقة. ومع ذلك، من السهل فصل طبقة أكسيد النحاس الموجودة في الواجهة الخزفية، مما يؤدي إلى انخفاض موثوقية ركيزة DBC ضد دورة درجة الحرارة. تعمل ركيزة AMB على ربط المعدن والسيراميك معًا عن طريق اللحام المعدني النشط، والذي يمكن أن يزيل طبقة الأكسيد ويحسن الموثوقية. يستخدم DBA لحام AlSi لتوصيل ألواح الألومنيوم والسيراميك. بالمقارنة مع طبقة النحاس DBC، فإن طبقة الألومنيوم لديها صلابة أقل، ويمكن أن تتحمل الضغط الحراري الميكانيكي العالي وتحسين الموثوقية [15]. ومع ذلك، فإن التوصيل الحراري للألمنيوم أقل من النحاس، وأداء تبديد الحرارة لركيزة DBA ليس جيدًا مثل ركيزة DBC. تشتمل ركيزة IMS على طبقة من الراتينج العازل ذي الموصلية الحرارية العالية، ولوحة سفلية من النحاس، وفيلم نحاسي سميك. بالمقارنة مع DBC، يتمتع IMB بمزايا عملية التصنيع البسيطة، ودرجة حرارة المعالجة الحرارية المنخفضة، والتكلفة المنخفضة والموثوقية العالية. TPC عبارة عن طبقة من عجينة النحاس المطبوعة على السيراميك عن طريق طباعة الشاشة، والتي يتم تلبيدها عند درجة حرارة 850 إلى 950 درجة مئوية لتشكيل اتصال عالي القوة بين الفيلم المعدني والسيراميك. موثوقية دورة درجة الحرارة عالية، ويمكن دمجها بشكل كبير مع رقائق الدوائر المتكاملة والأجهزة السلبية لتشكيل وحدة هجينة. في الآونة الأخيرة، ظهرت أيضًا الركيزة القائمة على إطار الرصاص السميك وطبقة العزل الرقيقة، مما أدى إلى تبسيط هيكل الركيزة متعددة الطبقات وتحسين كفاءة تبديد الحرارة [5].

بالنظر إلى التوصيل الحراري وCTE، فإن Al2O3 وSi3N4 وAlN وBeO هي المواد الخزفية الأكثر استخدامًا في الركيزة. انظر الجدول 4[8,16،XNUMX] لمقارنة أدائها. يتمتع BeO بأعلى موصلية حرارية، لكن الغبار الناتج عن عملية التحضير يكون ضارًا لجسم الإنسان، مما يحد من استخدامه. Al2O3 هو الخيار الأكثر اقتصادا، ولكن قوته الميكانيكية معتدلة والتوصيل الحراري ضعيف نسبيا. الموصلية الحرارية لـ AlN أعلى من Al2O3، كما أن CTE متوافق بشكل أفضل مع الشريحة. يتمتع Si3N4 بموثوقية أعلى لدورة درجة الحرارة، لكن تكلفته مرتفعة نسبيًا [17]. نسبيًا، فإن موثوقية الجمع بين Al-N وCu-Si3N4 أعلى، لأن مادة الألومنيوم السابقة ناعمة، ومعامل المرونة منخفض، ومن السهل تشويهها، مما قد يبطئ الضرر الناجم عن الإجهاد الحراري للسيراميك. . يتمتع Si3N4 الأخير بقوة انحناء أعلى وصلابة للكسر، ويمكنه مقاومة الإجهاد الحراري الناتج عن النحاس.

الجدول 4 خصائص المواد الخزفية في الركائز [8]

مادة اللوحة الأساسية الأكثر استخدامًا هي Cu. من أجل تقليل CTE وضمان التوصيل الحراري العالي، يتم أيضًا استخدام المواد المركبة المعدنية مثل AlSiC وW-Cu وMo-Cu وCu-Mo-Cu على نطاق واسع. انظر الجدول 5[8] للتعرف على معايير أدائها. بشكل عام، سيتم طلاء اللوحة الأساسية بالنيكل، مما يمكن أن يمنع هجرة وأكسدة ذرات النحاس عند درجة حرارة عالية وتحسين قوة ومقاومة التشوه للوحة القاعدة النحاسية.

الجدول 5 خصائص المواد للوحة السفلية [8]

وفقًا لطرق تجميع الرقائق المختلفة وعمليات التوصيل البيني، يمكن تقسيم هياكل التعبئة الإلكترونية للطاقة إلى نوعين: تغليف اللحام وتغليف العقص. يظهر اتجاه تطوير الحزمة في الشكل 4، حيث يمكن للحزمة الملحومة أن تعتمد ربط الأسلاك، ورقاقة الوجه (توصيل BGA)، والتوصيل البيني للأعمدة المعدنية، والتوصيل البيني للصفيف المريح، والتوصيل البيني للأغشية المعدنية المودعة وغيرها من الهياكل. التعبئة والتغليف بالضغط هي بنية مترابطة تتكون من الضغط الميكانيكي الخارجي. لتسهيل التحليل المقارن، يتم سرد مزايا وعيوب طرق التعبئة والتغليف المذكورة أعلاه في الجدول 6[18]. يتميز ربط الأسلاك بمزايا التكنولوجيا الناضجة والتكلفة المنخفضة والأسلاك المرنة. ومع ذلك، فإن الوحدات المرتبطة بالأسلاك لديها محاثة طفيلية عالية، والتي يمكنها فقط تبديد الحرارة من جانب واحد من اللوحة الإلكترونية المعززة [18]. علاوة على ذلك، نظرًا لعدم تطابق CTE بين سلك الربط والرقاقة، يتم إنشاء إجهاد ميكانيكي حراري كبير، مما يجعل مفاصل اللحام عرضة لفشل التعب، ويصبح شكل الفشل الرئيسي للوحدة في عملية دورة الطاقة.

الشكل 4: اتجاه تطوير هيكل الحزمة [5]

الجدول 6 مقارنة هياكل الحزمة [18]

في الوقت الحاضر، تطور هيكل التغليف الإلكتروني للطاقة تدريجيًا من هيكل التغليف القياسي لربط الأسلاك التقليدية إلى Overmold، والربط المزدوج الجانب، وتكامل المكونات، وتكامل الطاقة ثلاثي الأبعاد. عن طريق إزالة الخيوط، يمكن تقليل التداخل الكهرومغناطيسي، ويمكن تحسين كفاءة تبديد الحرارة، ويمكن زيادة التكامل. من بينها، هيكل صب الحقن عبارة عن حزمة مستوية مدمجة، وهي سهلة لإنتاج الوحدة الدفعية؛ يمكن لهيكل الاتصال على الوجهين تحقيق تبديد الحرارة على الوجهين وتحسين كفاءة تبديد الحرارة؛ يمكن للهيكل المتكامل للجهاز دمج الوظائف المختلفة في الوحدة وتحسين سرعة التبديل؛ هيكل تكامل الطاقة ثلاثي الأبعاد هو تكديس الرقائق في الاتجاه الرأسي، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من الحث الطفيلي ويحسن أداء التبديل [5]. بالمقارنة مع التغليف ثنائي الأبعاد، فإن التغليف ثلاثي الأبعاد له مزايا واضحة، مثل تقصير مسافة الحلقة بشكل كبير في الاتجاه العمودي، وتقليل الحث الطفيلي والتداخل الكهرومغناطيسي، وزيادة سرعة النقل، وتحسين أداء التبديل، وتقليل فقدان الطاقة؛ يمكنه دمج مجموعة متنوعة من الرقائق والأجهزة، مثل دوائر تشغيل البوابة، ومكثفات الفصل، والمشتتات الحرارية، وما إلى ذلك، لزيادة تحسين كثافة تكامل الطاقة وتقليل حجم العبوة. ومع ذلك، في الوقت الحاضر، يواجه التغليف ثلاثي الأبعاد أيضًا بعض التحديات، مثل الإدارة الحرارية وتكنولوجيا الإنتاج والإنتاجية الناتجة عن التوصيل البيني لمكدس الرقائق، وتحتاج عملية التصنيع إلى مزيد من التحسين [3،6,19].

3.1  حزمة صب الحقن الثانوية

على أساس هيكل التغليف التقليدي لربط الأسلاك، فإن هيكل التغليف ثنائي اللقطة عبارة عن هيكل يتم فيه ربط الرقاقة مباشرة بإطار الرصاص، ويتم إزالة أسلاك الربط، ويستخدم راتنجات الإيبوكسي لتغليف الحقن. بالمقارنة مع هيكل حزمة ربط الأسلاك، فإن منطقة الاتصال في الجزء العلوي من الشريحة في حزمة صب الحقن تزداد، مما يحسن كفاءة تبديد الحرارة. يؤدي تقليل الحث الطفيلي إلى تقليل فقدان الطاقة، وهو أمر مفيد جدًا للإنتاج الضخم المعياري ويستخدم على نطاق واسع في مقومات السيارات الكهربائية.

3.2  حزمة اتصال على الوجهين

يربط هيكل الاتصال مزدوج الجوانب الشريحة بالركائز العلوية والسفلية على التوالي، مثل وحدة الطاقة SKiN [20] التي اقترحتها شركة Ximenkang ووحدة الطاقة SiC [21] التي اقترحتها شركة Fuji Electric، والتي يمكن أن تحقق غرض الإزالة أسلاك الربط. يتميز هيكل حزمة الاتصال على الوجهين بميزتين رئيسيتين: (1) القضاء على ربط الأسلاك على سطح الباعث، مما يقلل بشكل فعال من الحث الطفيلي، وتجاوز الجهد الكهربائي وفقدان الطاقة، وتحسين أداء التبديل؛ (2) تحقيق تبديد الحرارة للرقاقة في الاتجاهين العلوي والسفلي، وتحسين كفاءة تبديد الحرارة، وتقليل درجة حرارة الوصلة للرقاقة بشكل فعال، وبالتالي إبطاء الفشل. اقترح مختبر أوك ريدج الوطني وحدة طاقة من ترانزستورات Si IGBT أو SiC MOSFET مع غلاف ركيزة DBC مزدوج الجوانب. مقارنةً بوحدة الربط السلكي التقليدية، انخفضت محاثتها بنسبة 62%، وانخفضت خسائر التبديل بنسبة 50% إلى 90%، وزادت كفاءة تبديد الحرارة بنسبة 40% إلى 50% [22].

ومع ذلك، فإن بنية الاتصال على الوجهين لها أيضًا بعض العيوب. أولاً، بالمقارنة مع وحدة ربط الأسلاك، فإن هيكل التوصيل على الوجهين يحتوي على طبقات أكثر من المواد، مما يزيد من تعقيد عملية التعبئة والتغليف. ثانيًا، نظرًا لاختلاف CTE لكل طبقة من المواد، فإن عدم التطابق الحراري سيؤدي إلى إجهاد ميكانيكي حراري أكبر، مما يقلل من موثوقية طبقة التوصيل. من أجل تقليل الضغط الحراري الميكانيكي، يتم استخدام بعض المعادن المطابقة لـ CTE للرقاقة، مثل Mo أو Cu/Mo/Cu[23]، كمواد للطبقة البينية. ثالثًا، كما هو موضح في الشكل 5، عند إنشاء وحدة طاقة ذات اتصال مزدوج الجوانب متعدد الشرائح بسماكات مختلفة، من الضروري الطلاء بالكهرباء أو توصيل عمود معدني صغير أو دبابيس نحاسية بارتفاعات مختلفة بين الرقاقة وركيزة DBC، لذلك لحل مشكلة فرق الارتفاع الناتج عن اختلاف سماكة الشرائح المتعددة [6]. رابعًا، يعتبر اللحام القائم على القصدير هو مادة التوصيل البيني الأكثر استخدامًا في تعبئة الوحدات. في عملية تعبئة وحدة الاتصال على الوجهين، عادة ما تحتاج إلى خطوات اتصال متعددة، الأمر الذي يتطلب مجموعة من اللحام بنقاط انصهار مختلفة، مما يحد من درجة حرارة خدمة الوحدة. لذلك، في هيكل حزمة الاتصال على الوجهين، أصبح معجون اللحام الفضي الملبد ذو الموصلية الحرارية العالية والموصلية الكهربائية العالية ونقطة الانصهار العالية هو الخيار المفضل لمواد التوصيل البيني.

الشكل 5: هيكل حزمة الاتصال على الوجهين [6]

3.3  تغليف الجهاز المتكامل

الحزمة المتكاملة عبارة عن جهاز يدمج وظائف متعددة في وحدة نمطية، مثل دائرة تشغيل البوابة المتكاملة، ومكثف الفصل، ومستشعر درجة الحرارة، ومستشعر التيار، ودائرة الحماية [18]. تتميز عبوة الأجهزة المتكاملة بالعديد من المزايا، على سبيل المثال، من خلال دمج دائرة محرك البوابة ومكثف الفصل، يمكن تقليل الحث الطفيلي لشريط الناقل أو الموصل الخارجي للوحدة، ويمكن تقصير الاتصال بين جهاز الطاقة ومحرك البوابة، ويمكن تقليل محاثة حلقة البوابة ، يمكن قمع التداخل الكهرومغناطيسي، ويمكن تحسين أداء المشاركة الحالية وسرعة التبديل. ومع ذلك، فإن بنية الحزمة هذه لها أيضًا بعض القيود. على سبيل المثال، تكون دائرة محرك البوابة المتكاملة بسيطة بشكل عام، ويقتصر كل جهاز متكامل على الحجم الإجمالي وقدرة الحمل الحالية وتردد التبديل للوحدة. بالإضافة إلى ذلك، قبل دمج الأجهزة وتعبئتها، من الضروري التحقق من مقاومة درجة الحرارة لكل جهاز، وذلك لتجنب تأثر التشغيل العادي للأجهزة الحساسة لدرجة الحرارة لأن مسافة تكامل الجهاز قريبة جدًا [5] .

3.4   حزمة متكاملة للطاقة ثلاثية الأبعاد

يظهر الشكل 6 هيكل الحزمة المتكاملة. وينقسم هيكل الحزمة ثلاثي الأبعاد بشكل أساسي إلى حزمة ثلاثية الأبعاد مكدسة وحزمة ثلاثية الأبعاد مدمجة [24]. على أساس الحزمة ثنائية الأبعاد، فهي تعتمد ربط الأسلاك، ورقاقة الوجه، والمطبات الصغيرة، ومصفوفة شبكة الكرة (BGA)، وعبر السيليكون (TSV)، ودمج PCB وتقنيات المعالجة الأخرى لتحقيق التوصيل البيني متعدد الشرائح في العمودي. الاتجاه [25

الشكل 6 رسم تخطيطي لهيكل الحزمة المتكاملة ثلاثي الأبعاد [6,29-31]

في العبوات ثلاثية الأبعاد المكدسة، تعد طرق التوصيل عبر السيليكون واحدة من أكثر التقنيات المعنية، والتي تستخدم التوصيل البيني العمودي لمنافذ السيليكون عبر الركيزة لتحقيق التوصيل البيني الكهربائي بين الرقائق المختلفة [3]. تشمل التقنيات الرئيسية للتغليف عبر السيليكون تشكيل الثقوب عبر السيليكون، والملء، وتخفيف الرقائق، والتوصيل البيني. الخطوات الملموسة هي كما يلي: أولاً، يتم تشكيل الثقوب عن طريق الحفر بالليزر أو النقش الجاف أو النقش الرطب، ثم يتم ملء الطبقة العازلة SiO2 والطبقة الموصلة من النحاس عن طريق ترسيب البخار الكيميائي، ثم يتم تخفيف الرقائق عن طريق الطحن، وأخيرًا يتم ربط الرقائق ببعضها البعض. عن طريق الترابط أو الترابط بين المعادن [29]. بالمقارنة مع هيكل التوصيل البيني التقليدي ثنائي الأبعاد المستوي، فإن الهيكل ثلاثي الأبعاد للسيليكون من خلال الفتحة يتميز بمزايا الحجم الصغير، الوزن الخفيف، الكفاءة العالية لاستخدام رقاقة السيليكون، تأخير الإشارة القصير وتقليل استهلاك الطاقة، وما إلى ذلك، و يستخدم على نطاق واسع في مستوى الرقاقة ثلاثية الأبعاد ومستوى النظام وتغليف الدوائر المتكاملة. ومع ذلك، فإنه يحتوي أيضًا على بعض القيود. أولاً، الموثوقية، وكثافة الطاقة العالية لهيكل الحزمة عبر السيليكون، ومشكلة الإدارة الحرارية الكبيرة للرقاقة المغلفة؛ ثانيا، التكلفة مرتفعة، وهيكل التعبئة والتغليف والعملية والاختبار معقد.

تستخدم الحزمة ثلاثية الأبعاد المدمجة سلكًا نحاسيًا ومسامًا صغيرة بدلاً من سلك الربط، وتقوم بتضمين الشريحة في صفائح ثنائي الفينيل متعدد الكلور، مما يمكن أن يقلل الحجم ويحسن الموثوقية ويسهل تكامل النظام [3]. التحدي الأكبر لهذا الهيكل هو ضعف خصائصه الميكانيكية الحرارية، والتي تكون محدودة بسبب الضغط الحراري الميكانيكي الناجم عن انخفاض درجة حرارة التحول الزجاجي وارتفاع CTE لمواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية، ودرجة حرارة الخدمة منخفضة [18]. بالإضافة إلى ذلك، قوة التقشير لصفائح FR4-PCB منخفضة، حوالي 0.9 ~ 1.25 نيوتن/مم. بالمقارنة مع ركيزة DBC، فإن الطاقة المقدرة للوحدة المضمنة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور منخفضة [3].

بالإضافة إلى وصلة اللحام المذكورة أعلاه، يمكن أيضًا تشكيل حزمة ثلاثية الأبعاد عن طريق الضغط. يوضح الشكل 7 مثالًا نموذجيًا، وهو مخطط الهيكل الداخلي لوحدة ضغط Westcode IGBT [32]. يتم توصيل المكونات فعليًا بواسطة ضغط ميكانيكي خارجي بدلاً من الأسلاك أو اللحام أو التلبيد. بفضل بنيتها البسيطة وتكلفتها المنخفضة وموثوقيتها العالية، استُخدمت على نطاق واسع في شبكات الطاقة عالية الجهد والتيار. ومع ذلك، في وحدة العقص، يجب أن تكون الأبعاد الداخلية للوحدة، والتسطيح وجودة السطح لكل مكون عالية، وتتأثر التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي للمفصل بشكل كبير بالضغط والتوحيد. من الضروري تحديد ضغط التثبيت المناسب لضمان مقاومة التلامس والمقاومة الحرارية الأصغر، ولكنها ستتأثر حتمًا بخشونة السطح والتشوه الهيكلي. غالبًا ما يتم إدخال الهياكل والمواد العازلة المرنة ذات CTE الصغيرة، مثل جوانات Mo أو Be وألواح الزنبرك، في هيكل العقص لمعادلة الضغط وتقليل الضغط الحراري الميكانيكي وتحسين الموثوقية.

الشكل 7 البنية الداخلية لوحدة الضغط IGBT في Sima [6,32،XNUMX]

تتطور المواد الرئيسية وتكنولوجيا الاتصال وتصميم هيكل تعبئة الطاقة تدريجيًا في اتجاه إزالة الخيوط وتحسين أداء تبديد الحرارة وزيادة كثافة التكامل وما إلى ذلك، لتلبية التطبيق الموثوق به في بيئات درجات الحرارة العالية والجهد العالي والتردد العالي. مع تعميم وتطبيق أجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، أصبحت مواد توصيل عجينة اللحام الفضية الملبدة والسيليكون عبر التكنولوجيا وهيكل التغليف المتكامل ثلاثي الأبعاد وما إلى ذلك هي الاتجاهات الرئيسية في المستقبل، وأعتقد أن آفاق تطبيقها لا حصر لها.

إخلاء المسؤولية: هذه المقالة منقولة من "الإلكترونيات والتغليف". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.