abstracto:El empaquetado de electrónica de potencia tradicional se basa principalmente en tecnologías de empaquetado plano bidimensional, como la conexión por soldadura y la unión de cables, que no pueden cumplir con la aplicación confiable de los dispositivos semiconductores de tercera generación a alta frecuencia, alto voltaje y alta temperatura. Para resolver este problema, los envases planos bidimensionales se han convertido gradualmente en envases integrados tridimensionales. Se resume y prospecta el progreso de la investigación de materiales clave y diseño de estructuras en la tecnología de embalaje de electrónica de potencia. Los materiales de conexión se han desarrollado gradualmente desde soldadura a base de estaño hasta soldadura a base de oro, materiales de conexión en fase líquida transitoria, plata sinterizada y otros materiales con alta conductividad térmica y resistencia a altas temperaturas, y la tecnología de conexión se ha desarrollado gradualmente desde la unión de cables hasta la doble- refrigeración lateral, integración de dispositivos e interconexión de laminación vertical. El rendimiento del interruptor mejora eliminando los cables, la densidad de potencia mejora integrando varios chips y dispositivos, y la eficiencia de disipación de calor mejora mediante el enfriamiento de doble cara. Los envases integrados tridimensionales tienen un gran potencial de mercado y se convertirán en una de las principales tendencias de desarrollo en el futuro.

keyword:Embalaje electrónico; Materiales de embalaje; Estructura de embalaje; Embalaje tridimensional; Plata sinterizada; Orificio pasante de silicona

proyecto de fondo:Proyecto de la Comisión de Ciencia y Tecnología de Shenzhen(JCYJ20180508161601937)

Los dispositivos electrónicos de potencia se están desarrollando hacia aplicaciones de alta frecuencia, alta densidad, alta potencia y alta temperatura [1]. En la actualidad, los dispositivos basados en silicio (Si) siguen dominando. Sin embargo, debido a las características de los materiales, la frecuencia de conmutación, la temperatura de funcionamiento y la densidad de potencia de los dispositivos basados en silicio son limitadas. En comparación con los dispositivos tradicionales basados en silicio, los semiconductores de tercera generación, como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), se utilizan cada vez más en aplicaciones de alto voltaje, alta temperatura y alta frecuencia, como comunicaciones inalámbricas, electricidad. vehículos y aeroespacial debido a su mayor voltaje de ruptura, banda prohibida más amplia, mayor conductividad térmica y menor pérdida de energía [2-3]. Al mismo tiempo, el rápido desarrollo de los dispositivos semiconductores de tercera generación ha planteado requisitos más estrictos para la tecnología de embalaje.

La tecnología de empaquetado es un proceso de conectar y fijar el chip con el sustrato portador, sacar los pines y moldearlos en un dispositivo o módulo de potencia completo, que desempeña principalmente el papel de conexión eléctrica, soporte estructural y protección, y proporciona disipación de calor. [4]. Como núcleo de la integración de módulos, los materiales, procesos y estructuras de embalaje afectan directamente las características de interferencia térmica, eléctrica y electromagnética de los módulos de potencia. En la actualidad, la tecnología de embalaje madura se basa principalmente en materiales de conexión como pegamento de plata o soldadura a base de estaño, y estructuras de embalaje como conexiones de plomo, que tienen poca resistencia a altas temperaturas y altas presiones, importantes problemas de compatibilidad electromagnética y no pueden Proporciona una forma eficiente de disipación del calor. Recientemente, los materiales de interconexión de plata sinterizada, las estructuras de paquetes integrados tridimensionales, etc. tienen una excelente resistencia a altas temperaturas y una alta conductividad térmica, lo que puede lograr una disipación de calor de doble cara y reducir en gran medida las pérdidas de conmutación, lo que hace que los módulos de potencia tengan buenas características térmicas y eléctricas y confiabilidad y han ganado cada vez más investigación y atención. Se espera que cumpla con la aplicación confiable de los dispositivos semiconductores de tercera generación en los campos de alta temperatura, alto voltaje y alta frecuencia. En este artículo, se resumen y prospectan los últimos avances en la investigación de materiales de embalaje de electrónica de potencia y diseño de estructuras.

En la Figura 1 se muestra una estructura típica de paquete de módulo de potencia, que consta de un chip de potencia, materiales de conexión, cables de unión, sustrato cerámico, placa inferior, materiales de encapsulado, carcasa y terminales de potencia [3,5]. Las propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas y químicas de cada material de embalaje son diferentes, por lo que es necesario considerar exhaustivamente las propiedades de cada material para seleccionar el mejor rendimiento de todo el módulo de potencia.

图1  典型的功率模块封装结构[ 5 ]

En la Figura 2 se muestra la tendencia de desarrollo de tecnologías y materiales de embalaje clave, como la unión de chips, la conexión y el sustrato. La tecnología de conexión se está desarrollando desde cables de unión hasta cintas, pilares de cobre, marcos de plomo y orificios pasantes chapados, etc. Al eliminar los cables y aumentar el área de conexión, se mejora la conductividad térmica y eléctrica. Los materiales de unión para chips se han desarrollado desde la soldadura tradicional hasta la soldadura de alta temperatura a base de oro, unión transitoria en fase líquida, plata sinterizada y cobre sinterizado, etc., que mejoran en gran medida la conductividad térmica y eléctrica y cumplen con las condiciones confiables y de alta temperatura. aplicaciones. El sustrato se desarrolla para espesar la capa conductora de metal y térmica del sustrato cerámico, mejorando así la eficiencia de disipación de calor [5].

Figura 2 Tendencias de desarrollo de materiales y tecnologías de embalaje, como conexión, sustrato y unión de chips [5]

2.1  Material de viruta

Los parámetros de rendimiento de los materiales semiconductores comúnmente utilizados se muestran en la Tabla 1 [6-7]. Debido a su tecnología madura y su bajo costo, el Si se usa ampliamente en diversos dispositivos discretos y circuitos integrados, ingeniería de redes de información electrónica y otros campos. En comparación con el Si, GaAs tiene las características de banda prohibida ancha y alta movilidad de electrones, lo que puede reducir significativamente el tamaño de RF y el consumo de energía, y se usa ampliamente en dispositivos de baja potencia en RF, comunicaciones inalámbricas y campos optoelectrónicos. SiC y GaN tienen una banda prohibida más grande, no son fáciles de absorber energía de radiación térmica y saltan a la banda de conducción cuando trabajan a alta temperatura, y tienen una mayor intensidad de campo de ruptura, por lo que los semiconductores de banda prohibida ancha SiC y GaN son más adecuados para altas temperaturas y altas temperaturas. ocasiones de voltaje que Si. El SiC tiene mayor conductividad térmica, mejor capacidad de disipación de calor, mayor movilidad del portador, mayor densidad de corriente y resistencia a altas temperaturas y altos voltajes, por lo que a menudo se usa como dispositivo de energía, lo que tiene ventajas obvias en el campo de alta potencia con un voltaje de 600. V y superiores, y se utiliza ampliamente en los campos de vehículos y equipos eléctricos de nueva energía. GaN tiene una movilidad de electrones y una velocidad de portador más rápidas, una menor resistencia y parámetros parásitos a alto voltaje, y tiene ventajas obvias en la dirección de la radiofrecuencia de alta potencia. GaN se utiliza principalmente en campos de RF de microondas, como comunicaciones 5G y comunicaciones por satélite, campos de electrónica de potencia, como carga rápida de productos electrónicos de consumo y vehículos de nueva energía, y campos de optoelectrónica LED debido a su alta densidad de potencia, bajo consumo de energía, alta frecuencia y mayor amplitud. banda ancha. Al igual que el SiC, la tecnología GaN todavía se encuentra actualmente en una etapa de rápido desarrollo y el costo es relativamente alto.

Tabla 1 Propiedades de los materiales de chips semiconductores [6]

2.2  Material de unión de virutas

La soldadura de aleación de SnPb, como Sn63Pb37, se ha utilizado ampliamente en materiales de unión de chips debido a sus excelentes propiedades, como bajo módulo de corte, alta humectabilidad, ductilidad, propiedades termomecánicas y confiabilidad. Sin embargo, el SnPb no cumple con el estándar RoHS de la UE sin plomo y su punto de fusión es bajo (aproximadamente 180 ℃). Por lo tanto, se necesitan nuevos materiales de unión de chips para cumplir con los requisitos de coincidencia del coeficiente de expansión térmica (CTE) y resistencia a altas temperaturas de las estructuras y materiales de embalaje.En la actualidad, los materiales de unión de virutas más utilizados se muestran en la Tabla 2 [8]. La pasta de plata conductora se compone principalmente de matriz de resina, partículas conductoras (principalmente polvo de plata), aditivos y aditivos dispersantes, etc. Su conductividad eléctrica y conductividad térmica son relativamente bajas y su temperatura de transición vítrea es de aproximadamente 100 ~ 150 ℃, lo cual es limitado. en el campo del envasado de chips de alta temperatura y alta presión. En comparación con las soldaduras de SnPb, las soldaduras sin plomo, como SnAg o SnAgCu, generalmente tienen un contenido de Sn superior al 90 % y un punto de fusión más alto (aproximadamente 220 ℃). En el proceso de solidificación, el grado de subenfriamiento es mayor y es fácil formar estructuras dendríticas gruesas y compuestos intermetálicos, que se distribuyen de manera desigual, debilitando así su resistencia a la fluencia. Además, la aleación SnAgCu tiene un módulo elástico alto y su CTE es bastante diferente al del chip y el sustrato. Bajo la acción de la carga del ciclo térmico, es fácil causar daños por fatiga y provocar el desprendimiento de la junta de soldadura, lo que reduce la confiabilidad de la junta de soldadura [9].

Tabla 2 Propiedades de los materiales de unión de matrices [8]

Los materiales de unión de alta temperatura para chips, como las soldaduras de aleaciones eutécticas a base de oro como AuSn o AuGe, tienen un alto punto de fusión (superior a 280 ℃), conductividad térmica y conductividad eléctrica, y son fáciles de realizar soldaduras fuertes sin soldadura. Sin embargo, el contenido de oro en las soldaduras a base de oro es generalmente alto y el costo es alto, y debido a la alta fragilidad de la fase del componente, esto conduce a las desventajas de un procesamiento difícil, bajo rendimiento y mal desempeño del producto, lo que afecta seriamente su Amplia aplicación en el campo del embalaje de electrónica de potencia [10].

La unión en fase líquida transitoria (TLPB) es un proceso en el que se añaden capas intermedias (como In y Sn) con puntos de fusión más bajos a los materiales base unidos (como Cu, Au, Ag y Ni) con puntos de fusión más altos, y la Las capas intermedias y algunos materiales base se funden y se vuelven a solidificar mediante calentamiento, de modo que el sólido y el líquido se difunden entre sí para formar una conexión. Al elegir materiales y procesos adecuados, la unión transitoria en fase líquida puede formar uniones con un rendimiento excelente, como una fuerza de unión superior a 60 MPa[11]. Sin embargo, la aplicación de la conexión transitoria de fase líquida en la interconexión de chips de alta temperatura está muy limitada debido a la baja elección de la capa intermedia, el alto costo y la oxidación del Au-In y otros materiales.

La interconexión de plata sinterizada, también conocida como tecnología de conexión de baja temperatura, se basa en la difusión atómica en fase sólida de partículas de nanoplata o microplata para formar una conexión sinterizada. Debido a su baja temperatura de sinterización (200~300 ℃) y su alto punto de fusión (961 ℃), la plata tiene muchas ventajas, como una alta conductividad térmica, resistencia a los ciclos de temperatura y una alta confiabilidad del ciclo de energía. Se ha convertido en la opción preferida para la interconexión de chips de alta temperatura y ha sido ampliamente estudiado y aplicado [12]. Sin embargo, la sinterización de plata también tiene algunas desventajas, como el alto costo, la aglomeración de nanopartículas de plata a baja temperatura, la sinterización a presión de pasta de soldadura de plata de micras, el proceso complicado, el revestimiento de Ni/Au o Ni/Ag en la superficie del chip y el sustrato. y migración electroquímica de plata. En comparación con la soldadura en pasta de nanoplata, la soldadura en pasta de nanocobre ha atraído la atención recientemente debido a su menor costo y sin riesgo de confiabilidad de migración electroquímica [13]. Sin embargo, las partículas de nanocobre se oxidan fácilmente y deben sinterizarse en una atmósfera inerte, lo que aumenta la complejidad del proceso y el costo del equipo, y tiene ciertas limitaciones de aplicación.

2.3  Material de embalaje de plástico

La función principal del material de embalaje de plástico es el aislamiento eléctrico y el aislamiento ambiental, que desempeña el papel protector de resistencia a la humedad, a la niebla salina, al moho, al polvo, a las colisiones y a las vibraciones, evitando la corrosión y los daños ambientales. , asegurando así el rendimiento eléctrico de los componentes electrónicos, mejorando incluso el nivel de voltaje de los módulos de potencia de alto voltaje, evitando la descarga de electrodos y finalmente mejorando la confiabilidad de los productos electrónicos [14]. Los tipos y propiedades de los materiales de embalaje de plástico se muestran en la Tabla 3. Los materiales de embalaje de plástico se pueden dividir en revestimientos conformados, rellenos inferiores, compuestos de moldeo, compuestos de encapsulado y globtops [14].      

Tabla 3 Tipos y propiedades de los materiales de embalaje de plástico [14]

El recubrimiento conformado es un tipo de recubrimiento orgánico comúnmente utilizado para la protección de superficies de circuitos impresos, que necesita un buen rendimiento de conexión con el sustrato y los componentes. Generalmente, se seleccionan materiales con baja absorción de agua, alta rigidez dieléctrica, CTE combinado y bajo módulo elástico, como el ácido acrílico que se puede usar a bajas temperaturas inferiores a 120 ℃, poliuretano que se puede usar a bajas temperaturas inferiores a 165 ℃, resina epoxi que se puede usar a temperaturas medias inferiores a 200 ℃, y resina de silicona, parileno, benzociclobuteno y poliimida que se pueden usar a temperaturas altas superiores a 250 ℃.

Como se muestra en la Figura 3, el relleno inferior y el compuesto de moldeo no solo pueden aislar del entorno circundante y reducir la tensión del campo eléctrico, sino también mejorar la confiabilidad de los productos empaquetados al reducir o redistribuir la tensión termomecánica causada por la falta de coincidencia de CTE [14]. Por lo tanto, se deben seleccionar materiales que coincidan en la medida de lo posible con el CTE de cada componente en la estructura del paquete, como materiales duros con un CTE de (20~30)×10-6/K y menos de 20×10-6/K como compuesto de relleno y de moldeo, respectivamente, para reducir el estrés térmico de las bolas de soldadura y de toda la estructura del paquete, incluidas las bolas de soldadura. En la actualidad, el compuesto de moldeo y relleno más utilizado es la resina epoxi rellena de sílice.

El pegamento para macetas y el pegamento encapsulante superior no solo mejoran el nivel de voltaje contra la falla del campo eléctrico y evitan la corrosión y el daño del entorno, sino que también desempeñan un cierto papel en el soporte mecánico de la estructura del embalaje. En la actualidad, los materiales de pegamento para macetas y pegamento para sellado superior más utilizados son el poliuretano, que se puede aplicar a una temperatura baja de menos de 165 ℃, la resina epoxi que se puede aplicar a una temperatura media de menos de 200 ℃ y el caucho de silicona o Gel que se puede aplicar a una temperatura alta de menos de 300 ℃. Entre ellos, los materiales blandos como el caucho o el gel de silicona se utilizan ampliamente debido a su baja dureza y módulo, alta plasticidad y elasticidad, que tienen poca influencia sobre la tensión de los componentes del embalaje, como chips y cables de unión. Sin embargo, los materiales blandos como el caucho y el gel de silicona tienen un soporte mecánico y un rendimiento de protección deficientes. Para resistir el impacto externo, se pueden seleccionar materiales duros como la resina. Sin embargo, la resina suele tener un módulo alto, por lo que es necesario elegir materiales con un CTE coincidente para evitar tensiones termomecánicas excesivas en toda la estructura del paquete.

(b)模塑料示意图

Figura 3 Diagrama esquemático del compuesto de moldeo y relleno inferior en la estructura de embalaje de electrónica de potencia [14]

2.4  Material del sustrato y de la placa inferior.

En términos generales, el sustrato es una estructura tipo sándwich de "capa conductora de metal-capa aislante-capa conductora de metal", y las capas conductoras de metal superior e inferior se utilizan para la interconexión del chip y el panel posterior, respectivamente. Según el proceso de fabricación, los sustratos se pueden dividir en sustrato de cobre adherido directamente (DBC), sustrato de cobre impreso directamente (DPC), sustrato de aluminio adherido directamente (DBA), sustrato de soldadura fuerte de metal activo, AMB), sustrato metálico aislado (IMS) y cobre impreso de película gruesa (TPC), etc.

El sustrato DBC es una conexión eutéctica entre cerámica y óxido de cobre fino sobre una película de cobre, que tiene un rendimiento excelente y un costo relativamente bajo, y se usa ampliamente en envases de electrónica de potencia. Sin embargo, la película de óxido de cobre en la interfaz cerámica es fácil de deslaminar, lo que resulta en una baja confiabilidad del sustrato DBC frente a los ciclos de temperatura. El sustrato AMB conecta el metal y la cerámica mediante soldadura fuerte activa, que puede eliminar la capa de óxido y mejorar la confiabilidad. DBA utiliza soldadura fuerte de AlSi para conectar placas de aluminio y cerámica. En comparación con la capa de cobre de DBC, la capa de aluminio tiene menor dureza, puede soportar mayores tensiones termomecánicas y mejorar la confiabilidad [15]. Sin embargo, la conductividad térmica del aluminio es menor que la del cobre y el rendimiento de disipación de calor del sustrato DBA no es tan bueno como el del sustrato DBC. El sustrato IMS incluye una capa de resina aislante con alta conductividad térmica, una placa inferior de cobre y una película gruesa de cobre. En comparación con DBC, IMB tiene las ventajas de un proceso de fabricación simple, baja temperatura de tratamiento térmico, bajo costo y alta confiabilidad. TPC es una capa de pasta de cobre impresa sobre cerámica mediante serigrafía, que se sinteriza a 850 ~ 950 ℃ para formar una conexión de alta resistencia entre la película metálica y la cerámica. La confiabilidad del ciclo de temperatura es alta y puede integrarse altamente con chips de circuitos integrados y dispositivos pasivos para formar un módulo híbrido. Recientemente, también apareció el sustrato basado en un marco de plomo grueso y una capa delgada de aislamiento, que simplificó la estructura del sustrato multicapa y mejoró la eficiencia de disipación de calor [5].

Teniendo en cuenta la conductividad térmica y el CTE, Al2O3, Si3N4, AlN y BeO son los materiales cerámicos más utilizados en el sustrato. Consulte la Tabla 4[8,16] para comparar su rendimiento. El BeO tiene la mayor conductividad térmica, pero el polvo del proceso de preparación es perjudicial para el cuerpo humano, lo que limita su aplicación. Al2O3 es la opción más económica, pero su resistencia mecánica es moderada y su conductividad térmica es relativamente pobre. La conductividad térmica del AlN es mayor que la del Al2O3 y el CTE se adapta mejor al chip. El Si3N4 tiene una mayor confiabilidad en los ciclos de temperatura, pero su costo es relativamente alto [17]. En términos relativos, la confiabilidad de la combinación de Al-AlN y Cu-Si3N4 es mayor, porque el primer material de aluminio es blando, su módulo elástico es bajo y es fácil de deformar, lo que puede ralentizar el daño causado por el estrés térmico a la cerámica. . Este último Si3N4 tiene mayor resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura, y puede resistir el estrés térmico causado por el cobre.

Tabla 4 Propiedades de los materiales cerámicos en sustratos [8]

El material de placa base más utilizado es el Cu. Para reducir el CTE y garantizar una alta conductividad térmica, también se utilizan ampliamente materiales compuestos metálicos como AlSiC, W-Cu, Mo-Cu y Cu-Mo-Cu. Consulte la Tabla 5[8] para conocer sus parámetros de rendimiento. Generalmente, la placa base estará recubierta con níquel, lo que puede prevenir la migración y oxidación de átomos de cobre a altas temperaturas y mejorar la resistencia y la deformación de la placa base de cobre.

Tabla 5 Propiedades del material de la placa inferior [8]

Según los diferentes métodos de ensamblaje de chips y procesos de interconexión, las estructuras de empaque de electrónica de potencia se pueden dividir en dos tipos: empaque de soldadura y empaque de engarce. La tendencia de desarrollo del paquete se muestra en la Figura 4, en la que el paquete soldado puede adoptar unión de cables, chip invertido (interconexión BGA), interconexión de pilar metálico, interconexión de matriz empotrada, interconexión de película metálica depositada y otras estructuras. El embalaje a presión es una estructura de interconexión formada por presión mecánica externa. Para facilitar el análisis comparativo, las ventajas y desventajas de los métodos de envasado anteriores se enumeran en la Tabla 6[18]. La unión de cables tiene las ventajas de una tecnología madura, un cableado flexible y de bajo costo. Sin embargo, los módulos conectados por cables tienen una alta inductancia parásita, que solo puede disipar el calor de un lado del backplane [18]. Además, debido a la falta de coincidencia del CTE entre el cable de unión y el chip, se genera una gran tensión termomecánica, lo que hace que las uniones de soldadura sean propensas a fallar por fatiga y se convierte en la principal forma de falla del módulo en el proceso del ciclo de energía.

Figura 4 Tendencia de desarrollo de la estructura del paquete [5]

Tabla 6 Comparación de estructuras de paquetes [18]

En la actualidad, la estructura de empaque de electrónica de potencia se ha desarrollado gradualmente desde la estructura de empaque estándar de unión de cables tradicional hasta el sobremolde, la unión de doble cara, la integración de componentes y la integración de energía 3D. Al eliminar los cables, se pueden reducir las interferencias electromagnéticas, se puede mejorar la eficiencia de disipación de calor y se puede aumentar la integración. Entre ellos, la estructura de moldeo por inyección es un paquete plano compacto, que facilita la producción de módulos por lotes; La estructura de conexión de doble cara puede realizar una disipación de calor de doble cara y mejorar la eficiencia de la disipación de calor; La estructura integrada del dispositivo puede integrar varias funciones en el módulo y mejorar la velocidad de conmutación; La estructura de integración de energía tridimensional consiste en apilar chips en dirección vertical, lo que puede reducir en gran medida la inductancia parásita y mejorar el rendimiento de conmutación [5]. En comparación con el empaque bidimensional, el empaque tridimensional tiene ventajas obvias, como acortar en gran medida la distancia del bucle en la dirección vertical, reducir la inductancia parásita y la interferencia electromagnética, aumentar la velocidad de transmisión, mejorar el rendimiento de conmutación y reducir la pérdida de energía; Puede integrar una variedad de chips y dispositivos, como circuitos de accionamiento de puerta, condensadores de desacoplamiento, disipadores de calor, etc., para mejorar aún más la densidad de integración de energía y reducir el volumen del paquete. Sin embargo, en la actualidad, el embalaje 3D también enfrenta algunos desafíos, como la gestión térmica, la tecnología de producción y el rendimiento causado por la interconexión de la pila de chips, y es necesario mejorar aún más el proceso de fabricación [6,19].

3.1  Paquete de moldeo por inyección secundaria

Sobre la base de la estructura tradicional de empaque de unión de cables, la estructura de empaque de dos disparos es una estructura en la que el chip se une directamente al marco de cables, se retiran los cables de unión y la resina epoxi se usa para el empaque de inyección. En comparación con la estructura del paquete de unión de cables, el área de conexión en la parte superior del chip en el paquete de moldeo por inyección aumenta, lo que mejora la eficiencia de disipación de calor. La reducción de la inductancia parásita reduce la pérdida de potencia, lo que resulta muy beneficioso para la producción modular en masa y se utiliza ampliamente en rectificadores de vehículos eléctricos.

3.2  Paquete de conexión de doble cara

La estructura de conexión de doble cara conecta el chip con los sustratos superior e inferior respectivamente, como el módulo de potencia SKiN [20] propuesto por Ximenkang Company y el módulo de potencia SiC [21] propuesto por Fuji Electric, que pueden lograr el propósito de eliminar alambres de unión. La estructura del paquete de conexión de doble cara tiene dos ventajas principales: (1) elimina la unión de cables en la superficie del emisor, lo que reduce efectivamente la inductancia parásita, el exceso de voltaje y la pérdida de energía, y mejora el rendimiento de conmutación; (2) Logre la disipación de calor del chip en las direcciones superior e inferior, mejore la eficiencia de disipación de calor y reduzca efectivamente la temperatura de unión del chip, lo que ralentiza la falla. El Laboratorio Nacional de Oak Ridge propuso un módulo de potencia IGBT de silicio o MOSFET de silicio-carbono con encapsulado de sustrato DBC de doble cara. En comparación con el módulo tradicional de conexión por cable, su inductancia se redujo en un 62 %, la pérdida de conmutación se redujo entre un 50 % y un 90 % y la eficiencia de disipación térmica aumentó entre un 40 % y un 50 % [22].

Sin embargo, la estructura de conexión por ambos lados también tiene algunas desventajas. En primer lugar, en comparación con el módulo de unión de cables, la estructura de conexión de doble cara tiene más capas de materiales, lo que aumenta la complejidad del proceso de embalaje. En segundo lugar, debido a que el CTE de cada capa de materiales es diferente, el desajuste térmico producirá una mayor tensión termomecánica, lo que reducirá la confiabilidad de la capa de conexión. Para reducir la tensión termomecánica, se utilizan como materiales de capa intermedia algunos metales que coinciden con el CTE del chip, como Mo o Cu/Mo/Cu[23]. En tercer lugar, como se muestra en la Figura 5, al realizar un módulo de potencia con conexión multichip de doble cara con diferentes espesores, es necesario galvanizar o conectar postes micrometálicos o pines de cobre con diferentes alturas entre el chip y el sustrato DBC, de modo que para resolver el problema de diferencia de altura causado por diferentes espesores de chips múltiples [6]. En cuarto lugar, la soldadura a base de estaño es el material de interconexión más utilizado en el embalaje de módulos. En el proceso de empaquetado del módulo de conexión de doble cara, generalmente se necesitan múltiples pasos de conexión, lo que requiere un grupo de soldaduras con diferentes puntos de fusión, lo que limita la temperatura de servicio del módulo. Por lo tanto, en la estructura del paquete de conexión de doble cara, la pasta de soldadura de plata sinterizada con alta conductividad térmica, alta conductividad eléctrica y alto punto de fusión se ha convertido en la opción preferida para los materiales de interconexión.

Figura 5 Estructura del paquete de conexión de doble cara [6]

3.3  Embalaje de dispositivo integrado

El paquete integrado es un dispositivo que integra múltiples funciones en un módulo, como un circuito de accionamiento de puerta integrado, un condensador de desacoplamiento, un sensor de temperatura, un sensor de corriente y un circuito de protección [18]. El empaquetado del dispositivo integrado tiene muchas ventajas, por ejemplo, al integrar el circuito de accionamiento de puerta y el condensador de desacoplamiento, se puede reducir la inductancia parásita de la barra colectora o del conector externo del módulo, se puede acortar la conexión entre el dispositivo de alimentación y el accionamiento de puerta, y se puede reducir la inductancia del bucle de puerta. , se pueden suprimir las interferencias electromagnéticas, se puede mejorar el rendimiento de intercambio actual y la velocidad de conmutación. Sin embargo, esta estructura de paquete también tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, el circuito de accionamiento de puerta integrado es generalmente simple y el tamaño total, la capacidad de carga de corriente y la frecuencia de conmutación del módulo están limitados por cada dispositivo integrado. Además, antes de integrar y empaquetar los dispositivos, es necesario verificar la resistencia a la temperatura de cada dispositivo, para evitar que el funcionamiento normal de los dispositivos sensibles a la temperatura se vea afectado porque la distancia de integración del dispositivo es demasiado cercana [5] .

3.4   Paquete integrado de energía tridimensional

La estructura del paquete integrado se muestra en la Figura 6. La estructura del paquete tridimensional se divide principalmente en paquete tridimensional apilado y paquete tridimensional integrado [24]. Sobre la base del paquete bidimensional, adopta unión de cables, chip invertido, microgolpe, Ball Grid Array (BGA), Through Silicon Via (TSV), incrustación de PCB y otras tecnologías de proceso para realizar una interconexión apilada de múltiples chips en vertical. dirección [25

Figura 6 Diagrama esquemático de la estructura del paquete integrado tridimensional [6,29-31]

En el empaquetado 3D apilado, las vías de silicio son una de las tecnologías más preocupantes, que utilizan la interconexión vertical de vías de silicio a través del sustrato para realizar la interconexión eléctrica entre diferentes chips [28]. Las tecnologías clave del envasado a través de silicio incluyen la formación de orificios, el llenado, el adelgazamiento de chips y la interconexión a través de silicio. Los pasos concretos son los siguientes: primero, se forman orificios pasantes mediante perforación con láser, grabado en seco o grabado en húmedo, luego se rellenan la capa aislante de SiO2 y la capa conductora de cobre mediante deposición química de vapor, luego las virutas se adelgazan mediante esmerilado y finalmente las virutas se interconectan. mediante unión o unión entre metales [29]. En comparación con la estructura de interconexión de cables bidimensional plana tradicional, la estructura tridimensional del orificio pasante de silicio tiene las ventajas de tamaño pequeño, peso ligero, alta eficiencia en el uso de obleas de silicio, retardo de señal acortado y consumo de energía reducido, etc., y Se utiliza ampliamente en el nivel de oblea tridimensional, el nivel del sistema y el empaquetado de circuitos integrados. Sin embargo, también tiene algunas limitaciones. En primer lugar, la fiabilidad, la alta densidad de potencia de la estructura del paquete de silicio y el gran problema de gestión térmica del chip laminado; En segundo lugar, el costo es alto y la estructura, el proceso y las pruebas del empaque son complicados.

El paquete 3D integrado utiliza alambre de cobre y microporos en lugar de alambre de unión, e incrusta el chip en un laminado de PCB, lo que puede reducir el volumen, mejorar la confiabilidad y facilitar la integración del sistema [30]. El mayor desafío de esta estructura son sus pobres propiedades termomecánicas, que están limitadas por el estrés termomecánico causado por la baja temperatura de transición vítrea y el alto CTE de los materiales de PCB tradicionales, y su temperatura de servicio es baja [18]. Además, la resistencia al pelado del laminado FR4-PCB es baja, alrededor de 0.9 ~ 1.25 N/mm. En comparación con el sustrato DBC, la potencia nominal del módulo integrado en la PCB es baja [3].

Además de la conexión por soldadura mencionada anteriormente, también se puede formar un paquete tridimensional mediante crimpado. Un caso típico se muestra en la Figura 7, que es el diagrama de la estructura interna del módulo de crimpado IGBT Westcode [32]. Los componentes se conectan físicamente mediante presión mecánica externa en lugar de cables, soldadura o sinterización. Gracias a su estructura simple, bajo costo y alta confiabilidad, se ha utilizado ampliamente en redes eléctricas de alta tensión y alta corriente. Sin embargo, en el módulo de engarzado, se requiere que las dimensiones internas del módulo, la planitud y la calidad de la superficie de cada componente sean altas, y la conductividad térmica y la conductividad eléctrica de la junta se ven muy afectadas por la presión y la uniformidad. Es necesario seleccionar la presión de sujeción adecuada para garantizar una menor resistencia de contacto y resistencia térmica, pero inevitablemente se verá afectada por la rugosidad de la superficie y la deformación estructural. A menudo se introducen en la estructura de engarzado estructuras amortiguadoras elásticas y materiales con CTE pequeño, como juntas de Mo o Be y placas de resorte, para igualar la presión, reducir la tensión termomecánica y mejorar la confiabilidad.

Fig. 7 Estructura interna del módulo de crimpado IGBT en Sima [6,32]

Los materiales clave, la tecnología de conexión y el diseño de la estructura del paquete de energía se están desarrollando gradualmente en la dirección de eliminar los cables, mejorar el rendimiento de disipación de calor, aumentar la densidad de integración, etc., para cumplir con la aplicación confiable en entornos de alta temperatura, alto voltaje y alta frecuencia. Con la popularización y aplicación de los dispositivos semiconductores de tercera generación, los materiales de conexión de pasta de soldadura de plata sinterizada, la tecnología de silicio, la estructura de embalaje integrada tridimensional, etc., son las principales tendencias en el futuro, y creo que sus perspectivas de aplicación son infinitas.

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