Forschungsfortschritt bei Schlüsselmaterialien und Strukturdesign für Leistungselektronikgehäuse

abstrakt:Herkömmliche leistungselektronische Verpackungen basieren hauptsächlich auf zweidimensionalen planaren Verpackungstechnologien wie Lötverbindungen und Drahtbonden, die den zuverlässigen Einsatz von Halbleiterbauelementen der dritten Generation bei hohen Frequenzen, hohen Spannungen und hohen Temperaturen nicht erfüllen können. Um dieses Problem zu lösen, hat sich die zweidimensionale Planverpackung nach und nach zu einer dreidimensionalen integrierten Verpackung entwickelt. Der Forschungsfortschritt bei Schlüsselmaterialien und Strukturdesign in der Leistungselektronik-Packaging-Technologie wird zusammengefasst und prospektiert. Die Verbindungsmaterialien haben sich nach und nach von Lot auf Zinnbasis zu Lot auf Goldbasis, Übergangsflüssigkeitsphasen-Verbindungsmaterialien, gesintertem Silber und anderen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit weiterentwickelt, und die Verbindungstechnologie hat sich nach und nach von Drahtbonden zu Doppel-Verbindungsmaterialien entwickelt. Seitenkühlung, Geräteintegration und vertikale Laminierungsverbindung. Die Schaltleistung wird durch das Entfernen von Leitungen verbessert, die Leistungsdichte wird durch die Integration verschiedener Chips und Geräte verbessert und die Wärmeableitungseffizienz wird durch doppelseitige Kühlung verbessert. Dreidimensional integrierte Verpackungen haben ein großes Marktpotenzial und werden in Zukunft zu einem der wichtigsten Entwicklungstrends werden.

Stichwort:Elektronische Verpackungen; Verpackungsmaterialien; Verpackungsstruktur; Dreidimensionale Verpackung; Gesintertes Silber; Silizium-Durchgangsloch

Projekt finanzieren:Projekt der Kommission für Wissenschaft und Technologie von Shenzhen(JCYJ20180508161601937)

Leistungselektronische Geräte entwickeln sich in Richtung Hochfrequenz-, Hochdichte-, Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen [1]. Derzeit dominieren immer noch Silizium (Si)-basierte Geräte. Aufgrund der Materialeigenschaften sind jedoch die Schaltfrequenz, die Betriebstemperatur und die Leistungsdichte von Geräten auf Siliziumbasis begrenzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Geräten auf Siliziumbasis werden Halbleiter der dritten Generation wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) immer häufiger in Hochspannungs-, Hochtemperatur- und Hochfrequenzanwendungen wie drahtloser Kommunikation und Elektrotechnik eingesetzt Fahrzeuge und die Luft- und Raumfahrt wegen ihrer höheren Durchbruchspannung, größeren Bandlücke, höheren Wärmeleitfähigkeit und geringeren Leistungsverlusten [2-3]. Gleichzeitig hat die rasante Entwicklung der Halbleiterbauelemente der dritten Generation jedoch strengere Anforderungen an die Verpackungstechnologie gestellt.

Bei der Verpackungstechnologie handelt es sich um einen Prozess, bei dem der Chip mit dem Trägersubstrat verbunden und fixiert, die Stifte herausgeführt und zu einem ganzen Leistungsgerät oder Modul geformt werden, das hauptsächlich die Rolle der elektrischen Verbindung, der strukturellen Unterstützung und des Schutzes sowie der Wärmeableitung übernimmt [4]. Als Herzstück der Modulintegration beeinflussen Verpackungsmaterialien, -prozesse und -strukturen direkt die thermischen, elektrischen und elektromagnetischen Störeigenschaften von Leistungsmodulen. Derzeit basiert die ausgereifte Verpackungstechnologie hauptsächlich auf Verbindungsmaterialien wie Silberkleber oder Lot auf Zinnbasis und Verpackungsstrukturen wie Bleiverbindungen, die eine schlechte Hochtemperatur- und Hochdruckbeständigkeit aufweisen, erhebliche Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit aufweisen und dies nicht können sorgen für eine effiziente Wärmeableitung. In jüngster Zeit weisen gesinterte Silberverbindungsmaterialien, dreidimensionale integrierte Gehäusestrukturen usw. eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch eine doppelseitige Wärmeableitung erreicht und Schaltverluste erheblich reduziert werden können, wodurch Leistungsmodule gute thermische und elektrische Eigenschaften aufweisen Zuverlässigkeit und haben immer mehr Forschung und Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Es wird erwartet, dass die Halbleiterbauelemente der dritten Generation zuverlässig in den Bereichen Hochtemperatur, Hochspannung und Hochfrequenz eingesetzt werden können. In diesem Artikel werden die neuesten Forschungsfortschritte bei Verpackungsmaterialien und Strukturdesign für Leistungselektronik zusammengefasst und erläutert.

Eine typische Paketstruktur eines Leistungsmoduls ist in Abbildung 1 dargestellt. Sie besteht aus einem Leistungschip, Verbindungsmaterialien, Bonddrähten, einem Keramiksubstrat, einer Bodenplatte, Vergussmaterialien, einem Gehäuse und Leistungsanschlüssen [3,5]. Die thermischen, elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften jedes Verpackungsmaterials sind unterschiedlich. Daher ist es notwendig, die Eigenschaften jedes Materials umfassend zu berücksichtigen, um die beste Leistung des gesamten Leistungsmoduls auszuwählen.

图1  典型的功率模块封装结构[5].

Der Entwicklungstrend wichtiger Verpackungsmaterialien und -technologien wie Chip-Bonding, Verbindung und Substrat ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Verbindungstechnologie entwickelt sich von Bonddrähten zu Bändern, Kupfersäulen, Leiterrahmen und durchkontaktierten Löchern usw. weiter. Durch das Entfernen von Leitungen und die Vergrößerung der Anschlussfläche wird die thermische und elektrische Leitfähigkeit verbessert. Die Verbindungsmaterialien für Chips haben sich vom traditionellen Löten zum Gold-basierten Hochtemperaturlöten, zum transienten Flüssigphasenbonden, zu gesintertem Silber und gesintertem Kupfer usw. entwickelt, die die thermische und elektrische Leitfähigkeit erheblich verbessern und den hohen Temperaturen und Zuverlässigkeit gerecht werden Anwendungen. Das Substrat entwickelt sich in Richtung einer Verdickung der metallleitenden und wärmeleitenden Schicht des Keramiksubstrats, wodurch die Wärmeableitungseffizienz verbessert wird [5].

Abbildung 2 Entwicklungstrends von Verpackungsmaterialien und Technologien wie Verbindung, Substrat- und Chip-Bonding [5]

2.1  Chipmaterial

Die Leistungsparameter häufig verwendeter Halbleitermaterialien sind in Tabelle 1 [6-7] aufgeführt. Aufgrund seiner ausgereiften Technologie und niedrigen Kosten wird Si häufig in verschiedenen diskreten Geräten und integrierten Schaltkreisen, in der elektronischen Informationsnetzwerktechnik und in anderen Bereichen eingesetzt. Im Vergleich zu Si weist GaAs die Eigenschaften einer breiten Bandlücke und einer hohen Elektronenmobilität auf, wodurch die HF-Größe und der Stromverbrauch erheblich reduziert werden können. Es wird häufig in Geräten mit geringem Stromverbrauch in den Bereichen HF, drahtlose Kommunikation und Optoelektronik eingesetzt. SiC und GaN haben eine größere Bandlücke, absorbieren nicht leicht Wärmestrahlungsenergie und springen beim Arbeiten bei hohen Temperaturen nicht leicht ins Leitungsband und haben eine höhere Durchbruchfeldstärke, sodass Halbleiter mit breiter Bandlücke SiC und GaN besser für hohe Temperaturen und hohe Temperaturen geeignet sind Spannungsanlässe als Si. SiC verfügt über eine höhere Wärmeleitfähigkeit, eine bessere Wärmeableitungskapazität, eine höhere Trägermobilität, eine höhere Stromdichte sowie eine hohe Temperatur- und Spannungsbeständigkeit und wird daher häufig als Leistungsbauelement verwendet, was im Hochleistungsbereich mit einer Spannung von 600 offensichtliche Vorteile bietet V und höher und wird häufig in den Bereichen neue Energiefahrzeuge und Antriebsgeräte eingesetzt. GaN verfügt über eine schnellere Elektronenmobilität und Trägergeschwindigkeit, einen kleineren Einschaltwiderstand und kleinere parasitäre Parameter bei hoher Spannung und hat offensichtliche Vorteile in Richtung Hochleistungs-Hochfrequenz. GaN wird aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, seines geringen Energieverbrauchs, seiner hohen Frequenz und seiner Breite hauptsächlich in Mikrowellen-HF-Bereichen wie der 5G-Kommunikation und Satellitenkommunikation, in Bereichen der Leistungselektronik wie dem Schnellladen von Unterhaltungselektronik und Fahrzeugen mit neuer Energie sowie in Bereichen der LED-Optoelektronik eingesetzt Bandbreite. Ähnlich wie SiC befindet sich die GaN-Technologie derzeit noch in einem rasanten Entwicklungsstadium und die Kosten sind relativ hoch.

Tabelle 1 Eigenschaften von Halbleiterchipmaterialien [6]

2.2  Chip-Verbindungsmaterial

SnPb-Legierungslote wie Sn63Pb37 werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie niedrigem Schermodul, hoher Benetzbarkeit, Duktilität, thermomechanischen Eigenschaften und Zuverlässigkeit häufig in Chip-Bondmaterialien verwendet. Allerdings erfüllt SnPb nicht die bleifreie EU-RoHS-Norm und sein Schmelzpunkt ist niedrig (ca. 180℃). Daher werden neue Chip-Bondmaterialien benötigt, um die Anforderungen an die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und die hohe Temperaturbeständigkeit von Verpackungsstrukturen und -materialien zu erfüllen.Die derzeit am häufigsten verwendeten Chip-Bondmaterialien sind in Tabelle 2 aufgeführt [8]. Leitfähige Silberpaste besteht hauptsächlich aus einer Harzmatrix, leitfähigen Partikeln (hauptsächlich Silberpulver), Dispergieradditiven und Additiven usw. Ihre elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sind relativ niedrig und ihre Glasübergangstemperatur beträgt etwa 100 bis 150 °C, was begrenzt ist im Bereich der Hochtemperatur- und Hochdruck-Chipverpackung. Im Vergleich zu SnPb-Loten haben bleifreie Lote wie SnAg oder SnAgCu im Allgemeinen einen höheren Sn-Gehalt als 90 % und einen höheren Schmelzpunkt (ca. 220 °C). Beim Erstarrungsprozess ist der Unterkühlungsgrad höher und es bilden sich leicht grobe dendritische Strukturen und intermetallische Verbindungen, die ungleichmäßig verteilt sind, wodurch die Kriechfestigkeit geschwächt wird. Darüber hinaus hat die SnAgCu-Legierung einen hohen Elastizitätsmodul und ihr CTE unterscheidet sich deutlich von dem von Chip und Substrat. Unter der Einwirkung thermischer Zyklenbelastung kann es leicht zu Ermüdungsschäden und zum Ablösen der Lötstelle kommen, was die Zuverlässigkeit der Lötstelle verringert [9].

Tabelle 2 Eigenschaften von Die-Bonding-Materialien [8]

Hochtemperatur-Verbindungsmaterialien für Chips, wie zum Beispiel goldbasierte eutektische Legierungslote wie AuSn oder AuGe, haben einen hohen Schmelzpunkt (über 280℃), Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit und lassen sich leicht lötfrei löten. Der Goldgehalt in Loten auf Goldbasis ist jedoch im Allgemeinen hoch und die Kosten sind hoch. Aufgrund der hohen Sprödigkeit der Komponentenphase führt dies zu den Nachteilen einer schwierigen Verarbeitung, einer geringen Ausbeute und einer schlechten Produktleistung, was die Qualität erheblich beeinträchtigt breite Anwendung im Bereich der Leistungselektronikverpackung [10].

Transient Liquid Phase Bonding (TLPB) ist ein Prozess, bei dem Zwischenschichten (wie In und Sn) mit niedrigeren Schmelzpunkten zu den verbundenen Grundmaterialien (wie Cu, Au, Ag und Ni) mit höheren Schmelzpunkten hinzugefügt werden Zwischenschichten und einige Grundmaterialien werden geschmolzen und durch Erhitzen wieder erstarrt, sodass Feststoff und Flüssigkeit ineinander diffundieren und eine Verbindung bilden. Durch die Auswahl geeigneter Materialien und Verfahren können durch transiente Flüssigphasenklebung Verbindungen mit hervorragender Leistung entstehen, beispielsweise einer Verbindungsfestigkeit von mehr als 60 MPa[11]. Allerdings ist die Anwendung der transienten Flüssigphasenverbindung bei Hochtemperatur-Chipverbindungen aufgrund der geringen Auswahl an Zwischenschichten, der hohen Kosten und der Oxidation von Au-In und anderen Materialien stark eingeschränkt.

Die gesinterte Silberverbindung, auch Niedertemperatur-Verbindungstechnologie genannt, basiert auf der Festphasenatomdiffusion von Nano-Silber- oder Mikro-Silberpartikeln zur Bildung einer gesinterten Verbindung. Aufgrund seiner niedrigen Sintertemperatur (200–300 °C) und seines hohen Schmelzpunkts (961 °C) bietet Silber viele Vorteile, wie z. B. hohe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und hohe Zuverlässigkeit beim Ein- und Ausschalten. Es hat sich zur bevorzugten Wahl für Hochtemperatur-Chipverbindungen entwickelt und wurde umfassend untersucht und angewendet [12]. Das Sintern von Silber hat jedoch auch einige Nachteile, wie hohe Kosten, Agglomeration von Nanosilberpartikeln bei niedriger Temperatur, Drucksintern von Silberlotpaste im Mikrometerbereich, komplizierter Prozess, Ni/Au- oder Ni/Ag-Plattierung auf der Oberfläche von Chip und Substrat und elektrochemische Migration von Silber. Im Vergleich zu Nano-Silber-Lötpaste hat Nano-Kupfer-Lötpaste in letzter Zeit aufgrund ihrer geringeren Kosten und des fehlenden Zuverlässigkeitsrisikos einer elektrochemischen Migration Aufmerksamkeit erregt [13]. Nanokupferpartikel oxidieren jedoch leicht und müssen in einer inerten Atmosphäre gesintert werden, was die Komplexität des Prozesses und die Gerätekosten erhöht und bestimmte Anwendungsbeschränkungen mit sich bringt.

2.3  Verpackungsmaterial aus Kunststoff

Die Hauptfunktion von Kunststoffverpackungsmaterialien ist die elektrische Isolierung und die Umgebungsisolierung, die die Schutzfunktion von Feuchtigkeits-, Salzsprüh-, Schimmel-, Staub-, Kollisions- und Vibrationsfestigkeit übernehmen und Umweltkorrosion und -schäden vermeiden Dadurch wird die elektrische Leistung elektronischer Komponenten sichergestellt, sogar das Spannungsniveau von Hochspannungsleistungsmodulen verbessert, Elektrodenentladungen vermieden und schließlich die Zuverlässigkeit elektronischer Produkte verbessert [14]. Die Arten und Eigenschaften von Kunststoffverpackungsmaterialien sind in Tabelle 3 aufgeführt. Kunststoffverpackungsmaterialien können in Schutzbeschichtungen, Unterfüllungen, Formmassen, Vergussmassen und Globtops unterteilt werden [14].      

Tabelle 3 Arten und Eigenschaften von Kunststoffverpackungsmaterialien [14]

Bei der Schutzbeschichtung handelt es sich um eine Art organischer Beschichtung, die üblicherweise zum Oberflächenschutz gedruckter Schaltungen verwendet wird, die eine gute Verbindungsleistung mit Substrat und Komponenten erfordern. Im Allgemeinen werden Materialien mit geringer Wasseraufnahme, hoher Durchschlagsfestigkeit, passendem CTE und niedrigem Elastizitätsmodul ausgewählt, wie z. B. Acrylsäure, die bei niedrigen Temperaturen unter 120 °C verwendet werden kann, Polyurethan, das bei niedrigen Temperaturen unter 165 °C verwendet werden kann, Epoxidharz, das bei mittleren Temperaturen von weniger als 200 °C verwendet werden kann, und Silikonharz, Parylen, Benzocyclobuten und Polyimid, das bei hohen Temperaturen von mehr als 250 °C verwendet werden kann.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, können Unterfüllung und Formmasse nicht nur die Umgebung isolieren und die elektrische Feldbelastung reduzieren, sondern auch die Zuverlässigkeit verpackter Produkte verbessern, indem sie die durch CTE-Fehlanpassungen verursachte thermomechanische Belastung reduzieren oder umverteilen [14]. Daher sollten möglichst Materialien ausgewählt werden, die dem CTE jeder Komponente in der Paketstruktur entsprechen, beispielsweise harte Materialien mit einem CTE von (20~30)×10-6/K und weniger als 20×10-6/K Unterfüllung bzw. Formmasse, um die thermische Belastung durch Lotkugeln und die gesamte Gehäusestruktur einschließlich Lotkugeln zu reduzieren. Die derzeit am häufigsten verwendete Unterfüllungs- und Formmasse ist mit Kieselsäure gefülltes Epoxidharz.

Der Vergusskleber und der obere Einkapselungskleber verbessern nicht nur den Spannungspegel gegen Durchschlag des elektrischen Feldes und verhindern Korrosion und Beschädigung der Umgebung, sondern spielen auch eine gewisse Rolle bei der mechanischen Unterstützung der Verpackungsstruktur. Die derzeit am häufigsten verwendeten Materialien für Vergusskleber und Dichtungskleber sind Polyurethan, das bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 165 °C aufgetragen werden kann, Epoxidharz, das bei einer mittleren Temperatur von weniger als 200 °C aufgetragen werden kann, und Silikonkautschuk Gel, das bei einer hohen Temperatur von weniger als 300 °C aufgetragen werden kann. Unter ihnen werden weiche Materialien wie Silikonkautschuk oder Gel aufgrund ihrer geringen Härte und ihres geringen Moduls sowie ihrer hohen Plastizität und Elastizität häufig verwendet, was kaum Einfluss auf die Belastung von Verpackungskomponenten wie Chips und Bonddrähten hat. Weiche Materialien wie Silikonkautschuk und Gel weisen jedoch eine schlechte mechanische Stütz- und Schutzleistung auf. Um äußeren Einflüssen standzuhalten, können harte Materialien wie Harz ausgewählt werden. Da Harz jedoch in der Regel einen hohen Modul aufweist, müssen Materialien mit passendem WAK gewählt werden, um eine übermäßige thermomechanische Belastung der gesamten Verpackungsstruktur zu vermeiden.

(b)模塑料示意图

Abbildung 3 Schematische Darstellung der Unterfüllung und Formmasse in der Struktur der Leistungselektronikverpackung [14]

2.4  Material des Untergrunds und der Bodenplatte

Im Allgemeinen handelt es sich bei dem Substrat um eine Sandwichstruktur aus „leitender Metallschicht, Isolierschicht und leitender Metallschicht“, und die obere und untere leitende Metallschicht werden für die Verbindung des Chips bzw. der Rückwandplatine verwendet. Je nach Herstellungsprozess können die Substrate in Direct Bonded Copper-Substrat (DBC), Direct Printed Copper-Substrat (DPC), Direct Bonded Aluminium-Substrat (DBA), Active Metal Brazing-Substrat und AMB), Insulated Metal Substrate (IMS) und Thick-film Printed Copper (TPC) usw.

Das DBC-Substrat ist eine eutektische Verbindung zwischen Keramik und dünnem Kupferoxid auf einem Kupferfilm, die eine hervorragende Leistung und relativ niedrige Kosten aufweist und häufig in Leistungselektronikgehäusen verwendet wird. Der Kupferoxidfilm an der Keramikgrenzfläche lässt sich jedoch leicht ablösen, was zu einer geringen Zuverlässigkeit des DBC-Substrats gegenüber Temperaturwechseln führt. Das AMB-Substrat verbindet Metall und Keramik durch aktives Metalllöten miteinander, wodurch Oxidschichten beseitigt und die Zuverlässigkeit verbessert werden können. DBA verwendet AlSi-Löten, um Aluminiumplatten und Keramik zu verbinden. Im Vergleich zur Kupferschicht von DBC weist die Aluminiumschicht eine geringere Härte auf, hält höheren thermisch-mechanischen Belastungen stand und verbessert die Zuverlässigkeit [15]. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium geringer als die von Kupfer und die Wärmeableitungsleistung des DBA-Substrats ist nicht so gut wie die des DBC-Substrats. Das IMS-Substrat umfasst eine Schicht aus isolierendem Harz mit hoher Wärmeleitfähigkeit, eine Kupferbodenplatte und einen dicken Kupferfilm. Im Vergleich zu DBC bietet IMB die Vorteile eines einfachen Herstellungsprozesses, einer niedrigen Wärmebehandlungstemperatur, niedriger Kosten und einer hohen Zuverlässigkeit. TPC ist eine durch Siebdruck auf Keramik gedruckte Schicht aus Kupferpaste, die bei 850–950 °C gesintert wird, um eine hochfeste Verbindung zwischen Metallfilm und Keramik zu bilden. Die Temperaturzykluszuverlässigkeit ist hoch und es kann hochgradig mit integrierten Schaltkreischips und passiven Geräten integriert werden, um ein Hybridmodul zu bilden. Kürzlich erschien auch das Substrat auf Basis eines dicken Leiterrahmens und einer dünnen Isolationsschicht, was die Struktur eines mehrschichtigen Substrats vereinfachte und die Wärmeableitungseffizienz verbesserte [5].

Unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit und des CTE sind Al2O3, Si3N4, AlN und BeO die am häufigsten verwendeten Keramikmaterialien im Substrat. Siehe Tabelle 4[8,16] für ihren Leistungsvergleich. BeO hat die höchste Wärmeleitfähigkeit, der Staub im Herstellungsprozess ist jedoch schädlich für den menschlichen Körper, was seine Anwendung einschränkt. Al2O3 ist die wirtschaftlichste Wahl, aber seine mechanische Festigkeit ist mäßig und seine Wärmeleitfähigkeit relativ schlecht. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN ist höher als die von Al2O3 und der CTE passt besser zum Chip. Si3N4 weist eine höhere Temperaturwechselzuverlässigkeit auf, die Kosten sind jedoch relativ hoch [17]. Relativ gesehen ist die Kombinationszuverlässigkeit von Al-AlN und Cu-Si3N4 höher, da das erstere Aluminiummaterial weich ist, sein Elastizitätsmodul niedrig ist und es sich leicht verformen lässt, was den durch thermische Belastung verursachten Schaden an Keramik verlangsamen kann . Letzteres Si3N4 weist eine höhere Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit auf und kann der durch Kupfer verursachten thermischen Belastung standhalten.

Tabelle 4 Eigenschaften keramischer Materialien in Substraten [8]

Das am häufigsten verwendete Grundplattenmaterial ist Cu. Um den CTE zu reduzieren und eine hohe Wärmeleitfähigkeit sicherzustellen, werden häufig auch Metallverbundwerkstoffe wie AlSiC, W-Cu, Mo-Cu und Cu-Mo-Cu verwendet. Die Leistungsparameter finden Sie in Tabelle 5[8]. Im Allgemeinen wird die Grundplatte mit Nickel plattiert, was die Migration und Oxidation von Kupferatomen bei hohen Temperaturen verhindern und die Festigkeit und Verformungsbeständigkeit der Kupfergrundplatte verbessern kann.

Tabelle 5 Materialeigenschaften der Bodenplatte [8]

Abhängig von den verschiedenen Chipmontagemethoden und Verbindungsprozessen können leistungselektronische Verpackungsstrukturen in zwei Typen unterteilt werden: Lötverpackungen und Crimpverpackungen. Der Entwicklungstrend des Gehäuses ist in Abbildung 4 dargestellt, in der das gelötete Gehäuse Drahtbonden, Flip-Chip-Verbindung (BGA-Verbindung), Metallsäulenverbindung, vertiefte Array-Verbindung, abgeschiedene Metallfilmverbindung und andere Strukturen übernehmen kann. Bei einer Pressverpackung handelt es sich um eine Verbindungsstruktur, die durch äußeren mechanischen Druck entsteht. Zur Vereinfachung einer vergleichenden Analyse sind die Vor- und Nachteile der oben genannten Verpackungsmethoden in Tabelle 6 aufgeführt[18]. Drahtbonden bietet die Vorteile ausgereifter Technologie, geringer Kosten und flexibler Verkabelung. Drahtgebundene Module weisen jedoch eine hohe parasitäre Induktivität auf, wodurch die Wärme nur von einer Seite der Rückwandplatine abgeführt werden kann [18]. Darüber hinaus wird aufgrund der Nichtübereinstimmung des CTE zwischen dem Bonddraht und dem Chip eine große thermomechanische Spannung erzeugt, die die Lötstellen anfällig für Ermüdungsfehler macht und zur Hauptfehlerform des Moduls im Prozess des Ein- und Ausschaltens wird.

Abbildung 4 Entwicklungstrend der Paketstruktur [5]

Tabelle 6 Vergleich der Paketstrukturen [18]

Gegenwärtig hat sich die Verpackungsstruktur der Leistungselektronik schrittweise von der herkömmlichen Standardverpackungsstruktur mit Drahtbondierung zu Overmold, Double-Side Bonding, Komponentenintegration und 3D-Leistungsintegration entwickelt. Durch das Entfernen von Leitungen können elektromagnetische Störungen reduziert, die Effizienz der Wärmeableitung verbessert und die Integration erhöht werden. Unter anderem ist die Spritzgussstruktur ein kompaktes, planares Paket, das sich leicht für die Serienfertigung von Modulen eignet; Durch die doppelseitige Verbindungsstruktur kann eine doppelseitige Wärmeableitung realisiert und die Wärmeableitungseffizienz verbessert werden. Die integrierte Struktur des Geräts kann verschiedene Funktionen in das Modul integrieren und die Schaltgeschwindigkeit verbessern; Die dreidimensionale Leistungsintegrationsstruktur besteht darin, Chips in vertikaler Richtung zu stapeln, wodurch die parasitäre Induktivität erheblich reduziert und die Schaltleistung verbessert werden kann [5]. Im Vergleich zur zweidimensionalen Verpackung bietet die dreidimensionale Verpackung offensichtliche Vorteile, wie z. B. eine erhebliche Verkürzung des Schleifenabstands in vertikaler Richtung, eine Verringerung der parasitären Induktivität und elektromagnetischer Störungen, eine Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit, eine Verbesserung der Schaltleistung und eine Verringerung des Leistungsverlusts. Es kann eine Vielzahl von Chips und Geräten wie Gate-Treiberschaltungen, Entkopplungskondensatoren, Kühlkörper usw. integrieren, um die Leistungsintegrationsdichte weiter zu verbessern und das Gehäusevolumen zu reduzieren. Allerdings steht die 3D-Verpackung derzeit auch vor einigen Herausforderungen, wie z. B. dem Wärmemanagement, der Produktionstechnologie und der Ausbeute, die durch die Chip-Stack-Verbindung verursacht werden, und der Herstellungsprozess muss weiter verbessert werden [6,19].

3.1  Sekundäres Spritzgusspaket

Basierend auf der herkömmlichen Wire-Bonding-Verpackungsstruktur handelt es sich bei der Two-Shot-Verpackungsstruktur um eine Struktur, bei der der Chip direkt mit dem Leadframe verbunden wird, die Bonddrähte entfernt werden und das Epoxidharz für die Injektionsverpackung verwendet wird. Im Vergleich zur Gehäusestruktur des Drahtbondens vergrößert sich die Anschlussfläche an der Oberseite des Chips im Spritzgussgehäuse, was die Wärmeableitungseffizienz verbessert. Die Reduzierung der parasitären Induktivität reduziert den Leistungsverlust, was für die modulare Massenproduktion sehr vorteilhaft ist und häufig in Gleichrichtern von Elektrofahrzeugen eingesetzt wird.

3.2  Doppelseitiges Anschlusspaket

Die doppelseitige Verbindungsstruktur verbindet den Chip mit dem oberen bzw. unteren Substrat, wie z. B. dem von Ximenkang Company vorgeschlagenen SKiN-Leistungsmodul [20] und dem von Fuji Electric vorgeschlagenen SiC-Leistungsmodul [21], die den Zweck der Entfernung erreichen können Bonddrähte. Die doppelseitige Verbindungspaketstruktur hat zwei Hauptvorteile: (1) Eliminierung des Drahtbondens auf der Emitteroberfläche, wodurch parasitäre Induktivität, Spannungsüberschreitung und Leistungsverlust effektiv reduziert und die Schaltleistung verbessert werden; (2) Verwirklichen Sie die Wärmeableitung des Chips nach oben und unten, verbessern Sie die Wärmeableitungseffizienz und reduzieren Sie effektiv die Sperrschichttemperatur des Chips, wodurch der Ausfall verlangsamt wird. Das Oak Ridge National Laboratory hat ein Si-IGBT- oder SiC-MOSFET-Leistungsmodul mit doppelseitigem DBC-Substratpaket vorgeschlagen. Im Vergleich zum herkömmlichen Drahtbondmodul verringerte sich die Induktivität um 62 %, der Schaltverlust um 50–90 % und die Wärmeableitungseffizienz um 40–50 % [22].

Allerdings bringt der doppelseitige Anschlussaufbau auch einige Nachteile mit sich. Erstens verfügt die doppelseitige Verbindungsstruktur im Vergleich zum Drahtbondmodul über mehr Materialschichten, was die Komplexität des Verpackungsprozesses erhöht. Zweitens führt die thermische Fehlanpassung zu einer größeren thermisch-mechanischen Belastung, da der CTE jeder Materialschicht unterschiedlich ist, was die Zuverlässigkeit der Verbindungsschicht verringert. Um die thermomechanische Belastung zu reduzieren, werden einige Metalle, die zum CTE des Chips passen, wie Mo oder Cu/Mo/Cu[23], als Zwischenschichtmaterialien verwendet. Drittens ist es, wie in Abbildung 5 dargestellt, bei der Realisierung eines Leistungsmoduls mit doppelseitiger Mehrchip-Verbindung mit unterschiedlichen Dicken erforderlich, Mikrometallpfosten oder Kupferstifte mit unterschiedlichen Höhen zwischen dem Chip und dem DBC-Substrat zu galvanisieren oder zu verbinden um das Höhenunterschiedsproblem zu lösen, das durch unterschiedliche Dicken von Multichips verursacht wird [6]. Viertens ist Zinnlot das am häufigsten verwendete Verbindungsmaterial in der Modulverpackung. Bei der doppelseitigen Verbindungsmodulverpackung sind in der Regel mehrere Verbindungsschritte erforderlich, was eine Gruppe von Loten mit unterschiedlichen Schmelzpunkten erfordert, was die Betriebstemperatur des Moduls begrenzt. Daher ist in der doppelseitigen Verbindungspaketstruktur die gesinterte Silberlotpaste mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher elektrischer Leitfähigkeit und hohem Schmelzpunkt zur bevorzugten Wahl für Verbindungsmaterialien geworden.

Abbildung 5 Doppelseitige Verbindungspaketstruktur [6]

3.3  Integrierte Geräteverpackung

Ein integriertes Paket ist ein Gerät, das mehrere Funktionen in einem Modul integriert, wie z. B. eine integrierte Gate-Treiberschaltung, einen Entkopplungskondensator, einen Temperatursensor, einen Stromsensor und eine Schutzschaltung [18]. Die integrierte Geräteverpackung bietet viele Vorteile, zum Beispiel kann durch die Integration von Gate-Ansteuerschaltung und Entkopplungskondensator die parasitäre Induktivität der Sammelschiene oder des externen Anschlusses des Moduls reduziert werden, die Verbindung zwischen Leistungsgerät und Gate-Ansteuerung kann verkürzt werden und die Induktivität der Gate-Schleife kann reduziert werden , elektromagnetische Störungen können unterdrückt, die Stromteilungsleistung und die Schaltgeschwindigkeit verbessert werden. Allerdings weist diese Paketstruktur auch einige Einschränkungen auf. Beispielsweise ist die integrierte Gate-Treiberschaltung im Allgemeinen einfach, und die Gesamtgröße, die Strombelastbarkeit und die Schaltfrequenz des Moduls werden durch jedes integrierte Gerät begrenzt. Darüber hinaus muss vor der Integration und Verpackung der Geräte die Temperaturbeständigkeit jedes Geräts überprüft werden, um zu vermeiden, dass der normale Betrieb der temperaturempfindlichen Geräte beeinträchtigt wird, weil der Integrationsabstand des Geräts zu gering ist [5] .

3.4   Dreidimensionales, leistungsintegriertes Paket

Die integrierte Paketstruktur ist in Abbildung 6 dargestellt. Die dreidimensionale Paketstruktur ist hauptsächlich in gestapelte dreidimensionale Pakete und eingebettete dreidimensionale Pakete unterteilt [24]. Auf der Grundlage zweidimensionaler Gehäuse werden Drahtbonden, Flip-Chip, Mikrobump, Ball Grid Array (BGA), Through Silicon Via (TSV), PCB-Einbettung und andere Prozesstechnologien eingesetzt, um eine Multi-Chip-Stack-Verbindung in der Vertikalen zu realisieren Richtung [25

Abbildung 6 Schematische Darstellung der dreidimensionalen integrierten Paketstruktur [6,29-31]

Bei der gestapelten 3D-Verpackung sind Durchkontaktierungen durch Silizium eine der am meisten betroffenen Technologien, die die vertikale Verbindung von Durchkontaktierungen durch das Substrat nutzen, um die elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Chips zu realisieren [28]. Zu den Schlüsseltechnologien des Through-Silicium-Packaging gehören das Formen, Füllen und Ausdünnen von Chips durch das Silizium sowie die Verbindung von Löchern. Die konkreten Schritte sind wie folgt: Zuerst werden Durchgangslöcher durch Laserbohren, Trockenätzen oder Nassätzen gebildet, dann werden die SiO2-Isolierschicht und die Kupferleiterschicht durch chemische Gasphasenabscheidung gefüllt, dann werden die Chips durch Schleifen verdünnt und schließlich werden die Chips miteinander verbunden durch Bindung oder Verbindung zwischen Metallen [29]. Im Vergleich zur herkömmlichen planaren zweidimensionalen Leitungsverbindungsstruktur bietet die dreidimensionale Struktur von Silizium-Durchgangslöchern die Vorteile einer geringen Größe, eines geringen Gewichts, einer hohen Effizienz bei der Verwendung von Siliziumwafern, einer verkürzten Signalverzögerung und eines geringeren Stromverbrauchs usw wird häufig in der dreidimensionalen Verpackung auf Waferebene, Systemebene und integrierten Schaltkreisen verwendet. Es gibt jedoch auch einige Einschränkungen. Erstens die Zuverlässigkeit, die hohe Leistungsdichte der durch das Silizium hindurchgehenden Gehäusestruktur und das große Problem des Wärmemanagements des laminierten Chips; Zweitens sind die Kosten hoch und die Verpackungsstruktur, der Prozess und die Prüfung kompliziert.

Eingebettete 3D-Gehäuse verwenden Kupferdraht und Mikroporen anstelle von Bonddraht und bettet den Chip in PCB-Laminat ein, was das Volumen reduzieren, die Zuverlässigkeit verbessern und die Systemintegration erleichtern kann [30]. Die größte Herausforderung dieser Struktur sind ihre schlechten thermomechanischen Eigenschaften, die durch die thermomechanische Belastung begrenzt werden, die durch die niedrige Glasübergangstemperatur und den hohen CTE herkömmlicher PCB-Materialien verursacht wird, und ihre Betriebstemperatur ist niedrig [18]. Darüber hinaus ist die Schälfestigkeit von FR4-PCB-Laminat gering und beträgt etwa 0.9 bis 1.25 N/mm. Im Vergleich zum DBC-Substrat ist die Nennleistung des in die Leiterplatte eingebetteten Moduls niedrig [3].

Neben der oben beschriebenen Schweißverbindung kann auch durch Crimpen ein dreidimensionales Gehäuse gebildet werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist in Abbildung 7 dargestellt, die den inneren Aufbau eines IGBT-Crimpmoduls von Westcode [32] zeigt. Die Komponenten werden durch äußeren mechanischen Druck statt durch Leitungen, Löten oder Sintern verbunden. Dank der einfachen Struktur, der geringen Kosten und der hohen Zuverlässigkeit wird das Modul häufig in Hochspannungs- und Hochstromnetzen eingesetzt. Beim Crimpmodul müssen jedoch die Innenabmessungen des Moduls sowie die Ebenheit und Oberflächenqualität jeder Komponente hoch sein, und die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Verbindung werden stark vom Druck und der Gleichmäßigkeit beeinflusst. Es ist notwendig, den geeigneten Klemmdruck zu wählen, um einen geringeren Kontaktwiderstand und Wärmewiderstand zu gewährleisten, dieser wird jedoch zwangsläufig durch die Oberflächenrauheit und strukturelle Verformung beeinflusst. Um den Druck auszugleichen, thermomechanische Spannungen zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu verbessern, werden häufig elastische Pufferstrukturen und Materialien mit kleinem CTE, wie Mo- oder Be-Dichtungen und Federplatten, in die Crimpstruktur eingebracht.

Abb. 7 Interner Aufbau des IGBT-Crimpmoduls in Sima [6,32]

Die Schlüsselmaterialien, die Verbindungstechnologie und das Strukturdesign von Leistungsgehäusen entwickeln sich schrittweise in Richtung der Entfernung von Leitungen, der Verbesserung der Wärmeableitungsleistung, der Erhöhung der Integrationsdichte usw., um eine zuverlässige Anwendung in Hochtemperatur-, Hochspannungs- und Hochfrequenzumgebungen zu gewährleisten. Mit der Popularisierung und Anwendung von Halbleiterbauelementen der dritten Generation sind gesinterte Silberlotpasten-Verbindungsmaterialien, Silizium-Durchkontaktierungstechnologie, dreidimensionale integrierte Verpackungsstrukturen usw. die Haupttrends der Zukunft, und ich glaube, dass ihre Anwendungsaussichten unbegrenzt sind.

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