خلاصه:بسته بندی الکترونیکی قدرت سنتی عمدتا مبتنی بر فناوری های بسته بندی مسطح دو بعدی مانند اتصال لحیم کاری و اتصال سیم است که نمی تواند کاربرد قابل اعتماد دستگاه های نیمه هادی نسل سوم را در فرکانس بالا، ولتاژ بالا و دمای بالا برآورده کند. برای حل این مشکل، بسته بندی مسطح دو بعدی به تدریج به بسته بندی یکپارچه سه بعدی تبدیل شده است. پیشرفت تحقیق مواد کلیدی و طراحی ساختار در فناوری بستهبندی الکترونیکی قدرت خلاصه و چشمانداز میشود. مواد اتصال به تدریج از لحیم پایه قلع به لحیم بر پایه طلا، مواد اتصال دهنده فاز مایع گذرا، نقره متخلخل و سایر مواد با رسانایی حرارتی بالا و مقاومت در برابر دمای بالا توسعه یافته اند و فناوری اتصال به تدریج از اتصال سیم به دوبل توسعه یافته است. خنک کننده جانبی، ادغام دستگاه و اتصال لمینیت عمودی. عملکرد سوئیچ با حذف لیدها بهبود می یابد، چگالی توان با ادغام تراشه ها و دستگاه های مختلف بهبود می یابد، و راندمان اتلاف گرما با خنک کننده دو طرفه بهبود می یابد. بسته بندی یکپارچه سه بعدی پتانسیل بالایی در بازار دارد و به یکی از روندهای اصلی توسعه در آینده تبدیل خواهد شد.

کلمه کلیدی:بسته بندی الکترونیکی؛ مواد بسته بندی؛ ساختار بسته بندی؛ بسته بندی سه بعدی؛ نقره پخته شده؛ سیلیکون از طریق سوراخ

پروژه صندوق:پروژه کمیسیون علم و فناوری شنژن(JCYJ20180508161601937)

دستگاه های الکترونیکی قدرت به سمت کاربردهای فرکانس بالا، چگالی بالا، توان بالا و دمای بالا در حال توسعه هستند [1]. در حال حاضر، دستگاههای مبتنی بر سیلیکون (Si) همچنان غالب هستند. با این حال، به دلیل ویژگی های مواد، فرکانس سوئیچینگ، دمای عملیاتی و چگالی توان دستگاه های مبتنی بر سیلیکون محدود است. در مقایسه با دستگاه های سنتی مبتنی بر سیلیکون، نیمه هادی های نسل سوم مانند کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) بیشتر و بیشتر در کاربردهای ولتاژ بالا، دمای بالا و فرکانس بالا مانند ارتباطات بی سیم، برق استفاده می شوند. وسایل نقلیه و هوافضا به دلیل ولتاژ شکست بالاتر، شکاف باند بیشتر، هدایت حرارتی بالاتر و تلفات توان کمتر [2-3]. با این حال، در همان زمان، توسعه سریع دستگاه های نیمه هادی نسل سوم، الزامات سخت گیرانه تری را برای فناوری بسته بندی مطرح کرده است.

فناوری بستهبندی فرآیندی است برای اتصال و تثبیت تراشه با بستر حامل، هدایت پینها و قالبگیری آنها در یک دستگاه یا ماژول کامل قدرت، که عمدتاً نقش اتصال الکتریکی، پشتیبانی ساختاری و حفاظت، و ایجاد اتلاف گرما را ایفا میکند. [4]. به عنوان هسته اصلی ادغام ماژول، مواد بسته بندی، فرآیندها و ساختارها به طور مستقیم بر ویژگی های تداخل حرارتی، الکتریکی و الکترومغناطیسی ماژول های قدرت تأثیر می گذارد. در حال حاضر، فناوری بسته بندی بالغ عمدتاً بر اساس مواد اتصال دهنده مانند چسب نقره یا لحیم بر پایه قلع و سازه های بسته بندی مانند اتصال سرب است که مقاومت ضعیفی در برابر دمای بالا و فشار بالا، مشکلات سازگاری الکترومغناطیسی برجسته دارند و نمی توانند یک راه کارآمد اتلاف گرما را فراهم می کند. اخیراً مواد اتصال نقره متخلخل، سازه های بسته بندی یکپارچه سه بعدی و غیره دارای مقاومت عالی در دمای بالا و رسانایی حرارتی بالا هستند که می تواند به اتلاف گرمای دو طرفه دست یابد و تلفات سوئیچینگ را تا حد زیادی کاهش دهد و باعث می شود که ماژول های قدرت دارای ویژگی های حرارتی و الکتریکی خوبی باشند. قابل اعتماد بوده و تحقیقات و توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. انتظار می رود که کاربرد قابل اعتماد دستگاه های نیمه هادی نسل سوم در زمینه های دمای بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا را برآورده کند. در این مقاله، آخرین پیشرفت تحقیقاتی مواد بسته بندی الکترونیکی قدرت و طراحی سازه خلاصه و بررسی شده است.

یک ساختار بسته ماژول قدرت معمولی در شکل 1 نشان داده شده است که از یک تراشه قدرت، مواد اتصال دهنده، سیم های اتصال، بستر سرامیکی، صفحه زیرین، مواد گلدان، پوسته و پایانه های برق تشکیل شده است [3,5،XNUMX]. خواص حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی هر یک از مواد بسته بندی متفاوت است، بنابراین لازم است خواص هر ماده به طور جامع در نظر گرفته شود تا بهترین عملکرد کل ماژول قدرت انتخاب شود.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

روند توسعه مواد و فناوری های کلیدی بسته بندی مانند اتصال تراشه، اتصال و بستر در شکل 2 نشان داده شده است. فن آوری اتصال از سیم های اتصال به روبان ها، ستون های مسی، قاب های سربی و روکش شده از سوراخ ها و غیره در حال توسعه است. با حذف سرب ها و افزایش سطح اتصال، هدایت حرارتی و الکتریکی بهبود می یابد. مواد پیوندی برای تراشه ها از لحیم کاری سنتی گرفته تا لحیم کاری با درجه حرارت بالا مبتنی بر طلا، اتصال فاز مایع گذرا، نقره متخلخل و مس متخلخل و غیره ایجاد شده است که هدایت حرارتی و الکتریکی را تا حد زیادی بهبود می بخشد و درجه حرارت بالا و قابل اعتماد را برآورده می کند. برنامه های کاربردی. بستر به سمت ضخیم شدن لایه رسانای فلزی و رسانای حرارتی زیرلایه سرامیکی توسعه مییابد، در نتیجه راندمان اتلاف گرما را بهبود میبخشد [5].

شکل 2 روند توسعه مواد و فناوری های بسته بندی مانند اتصال، بستر و پیوند تراشه [5]

2.1  مواد تراشه

پارامترهای عملکرد مواد نیمه هادی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند در جدول 1 نشان داده شده است [6-7]. Si به دلیل فن آوری بالغ و هزینه کم، به طور گسترده در دستگاه های مختلف گسسته و مدارهای مجتمع، مهندسی شبکه اطلاعات الکترونیکی و سایر زمینه ها استفاده می شود. در مقایسه با Si، GaAs دارای ویژگیهای شکاف باند وسیع و تحرک الکترون بالا است که میتواند به میزان قابل توجهی اندازه RF و مصرف انرژی را کاهش دهد و به طور گسترده در دستگاههای کم مصرف در RF، ارتباطات بیسیم و زمینههای الکترونیک نوری استفاده میشود. SiC و GaN دارای شکاف باند بزرگتری هستند، جذب انرژی تابش حرارتی و پرش به نوار رسانایی در هنگام کار در دمای بالا آسان نیستند، و قدرت میدان شکست بالاتری دارند، بنابراین نیمه هادی های فاصله باند وسیع SiC و GaN برای دماهای بالا و بالا مناسب تر هستند. موارد ولتاژ از Si. SiC دارای رسانایی حرارتی بالاتر، ظرفیت اتلاف گرما بهتر، تحرک حامل بالاتر، چگالی جریان بالاتر و مقاومت در برابر دمای بالا و ولتاژ بالا است، بنابراین اغلب به عنوان یک دستگاه قدرت استفاده می شود که مزایای آشکاری در زمینه توان بالا با ولتاژ 600 دارد. V و بالاتر، و به طور گسترده ای در زمینه وسایل نقلیه انرژی جدید و تجهیزات قدرت استفاده می شود. GaN دارای تحرک الکترون سریعتر و سرعت حامل، مقاومت کمتر و پارامترهای انگلی در ولتاژ بالا است و مزایای آشکاری در جهت فرکانس رادیویی با توان بالا دارد. GaN عمدتاً در زمینههای RF مایکروویو مانند ارتباطات 5G و ارتباطات ماهوارهای، زمینههای الکترونیک قدرت مانند شارژ سریع وسایل الکترونیکی مصرفی و وسایل نقلیه انرژی جدید و زمینههای الکترونیک نوری LED به دلیل چگالی توان بالا، مصرف انرژی کم، فرکانس بالا و گستردهتر استفاده میشود. پهنای باند مشابه SiC، فناوری GaN در حال حاضر هنوز در مرحله توسعه سریع است و هزینه آن نسبتاً بالا است.

جدول 1 خواص مواد تراشه نیمه هادی [6]

2.2  مواد اتصال تراشه

لحیم کاری آلیاژی SnPb، مانند Sn63Pb37، به دلیل خواص عالی مانند مدول برشی کم، ترشوندگی بالا، شکل پذیری، خواص حرارتی مکانیکی و قابلیت اطمینان، به طور گسترده در مواد اتصال تراشه استفاده شده است. با این حال، SnPb استاندارد اتحادیه اروپا RoHS بدون سرب را برآورده نمی کند و نقطه ذوب آن پایین است (حدود 180 درجه سانتیگراد). بنابراین، مواد اتصال تراشه جدید برای برآوردن الزامات تطابق ضریب انبساط حرارتی (CTE) و مقاومت در برابر دمای بالا ساختارها و مواد بسته بندی مورد نیاز است.در حال حاضر، پرکاربردترین مواد پیوند دهنده تراشه در جدول 2 نشان داده شده است [8]. خمیر نقره رسانا عمدتاً از ماتریس رزین، ذرات رسانا (عمدتا پودر نقره)، مواد افزودنی و مواد افزودنی پراکنده و غیره تشکیل شده است. هدایت الکتریکی و هدایت حرارتی آن نسبتاً کم است و دمای انتقال شیشه ای آن حدود 100 ~ 150 درجه سانتیگراد است که محدود است. در زمینه بسته بندی تراشه های با دمای بالا و فشار بالا. در مقایسه با لحیمهای SnPb، لحیمهای بدون سرب، مانند SnAg یا SnAgCu، معمولاً دارای محتوای Sn بالاتر از 90٪ و نقطه ذوب بالاتر (حدود 220 درجه سانتیگراد) هستند. در فرآیند انجماد، درجه زیرسرد شدن بیشتر است و به راحتی می توان ساختارهای دندریتی درشت و ترکیبات بین فلزی را تشکیل داد که به طور نابرابر توزیع می شوند، بنابراین مقاومت خزشی آن ضعیف می شود. علاوه بر این، آلیاژ SnAgCu مدول الاستیک بالایی دارد و CTE آن کاملاً با تراشه و بستر متفاوت است. تحت تأثیر بار چرخه حرارتی، به راحتی می توان آسیب خستگی ایجاد کرد و منجر به لایه برداری مفصل لحیم کاری شد که باعث کاهش قابلیت اطمینان اتصال لحیم کاری می شود [9].

جدول 2 خواص مواد باندینگ قالب [8]

مواد اتصال دهنده با دمای بالا برای تراشه ها، مانند لحیم کاری های آلیاژی یوتکتیک مبتنی بر طلا مانند AuSn یا AuGe، دارای نقطه ذوب بالا (بیشتر از 280 درجه سانتیگراد)، هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی هستند و به راحتی می توان لحیم کاری بدون لحیم کاری را انجام داد. با این حال، محتوای طلا در لحیم کاری های مبتنی بر طلا به طور کلی بالا و هزینه آن بالا است و به دلیل شکنندگی بالای فاز جزء، منجر به معایب پردازش دشوار، عملکرد کم و عملکرد ضعیف محصول می شود که به طور جدی بر آن تأثیر می گذارد. کاربرد گسترده در زمینه بسته بندی الکترونیک قدرت [10].

پیوند فاز مایع گذرا (TLPB) فرآیندی است که در آن لایههای میانی (مانند In و Sn) با نقطه ذوب پایینتر به مواد پایه متصل شده (مانند مس، طلا، نقره و نیکل) با نقطه ذوب بالاتر اضافه میشوند و لایه های میانی و برخی از مواد پایه با حرارت دادن ذوب شده و دوباره جامد می شوند، به طوری که جامد و مایع در یکدیگر پخش می شوند و اتصال ایجاد می کنند. با انتخاب مواد و فرآیندهای مناسب، اتصال فاز مایع گذرا میتواند اتصالاتی را با عملکرد عالی مانند استحکام پیوند بیش از 60 مگاپاسکال تشکیل دهد[11]. با این حال، استفاده از اتصال فاز مایع گذرا در اتصال تراشه های با دمای بالا به دلیل انتخاب کم لایه میانی، هزینه بالا و اکسیداسیون Au-In و سایر مواد بسیار محدود است.

اتصال نقره متخلخل، همچنین به عنوان فناوری اتصال در دمای پایین شناخته می شود، بر اساس انتشار اتم فاز جامد ذرات نانو نقره یا میکرو نقره برای تشکیل اتصال متخلخل است. نقره به دلیل دمای پخت پایین (200 ~ 300 ℃) و نقطه ذوب بالا (961 ℃)، دارای مزایای بسیاری مانند هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر چرخه دما و قابلیت اطمینان بالا در چرخه قدرت است. این به انتخاب ارجح برای اتصال تراشه های با دمای بالا تبدیل شده است و به طور گسترده مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته است [12]. با این حال، تف جوشی نقره معایبی نیز دارد، مانند هزینه بالا، تجمع ذرات نانو نقره در دمای پایین، پخت خمیر لحیم نقره میکرونی، فرآیند پیچیده، آبکاری Ni/Au یا Ni/Ag روی سطح تراشه و بستر. و مهاجرت الکتروشیمیایی نقره. در مقایسه با خمیر لحیم نانو نقره، خمیر لحیم نانو مس اخیراً به دلیل هزینه کمتر و عدم اطمینان از خطر مهاجرت الکتروشیمیایی مورد توجه قرار گرفته است [13]. با این حال، ذرات نانو مس به راحتی اکسید می شوند و نیاز به تف جوشی در اتمسفر بی اثر دارند، که پیچیدگی فرآیند و هزینه تجهیزات را افزایش می دهد و محدودیت های کاربردی خاصی دارد.

2.3  مواد بسته بندی پلاستیکی

عملکرد اصلی مواد بسته بندی پلاستیکی عایق الکتریکی و عایق محیطی است که نقش محافظتی ضد رطوبت، ضد اسپری نمک، ضد کپک، ضد گرد و غبار، ضد برخورد و ضد لرزش را ایفا می کند و از خوردگی و آسیب محیطی جلوگیری می کند. بنابراین عملکرد الکتریکی قطعات الکترونیکی را تضمین می کند، حتی سطح ولتاژ ماژول های برق فشار قوی را بهبود می بخشد، از تخلیه الکترود جلوگیری می کند و در نهایت قابلیت اطمینان محصولات الکترونیکی را بهبود می بخشد [14]. انواع و خواص مواد بسته بندی پلاستیکی در جدول 3 نشان داده شده است. مواد بسته بندی پلاستیکی را می توان به پوشش های منسجم، زیر پر، ترکیبات قالب گیری، ترکیبات گلدانی و گلوبت ها تقسیم کرد [14].      

جدول 3 انواع و خواص مواد بسته بندی پلاستیکی [14]

پوشش کنفورمال نوعی پوشش ارگانیک است که معمولاً برای محافظت از سطح مدار چاپی استفاده می شود که نیاز به عملکرد اتصال خوب با بستر و اجزا دارد. به طور کلی، موادی با جذب آب کم، استحکام دی الکتریک بالا، CTE منطبق و مدول الاستیک پایین انتخاب می شوند، مانند اسید اکریلیک که می تواند در دمای پایین کمتر از 120 درجه سانتیگراد استفاده شود، پلی اورتان که می تواند در دمای پایین کمتر از 165 درجه سانتیگراد استفاده شود. رزین اپوکسی که در دمای متوسط کمتر از 200 درجه سانتیگراد قابل استفاده است و رزین سیلیکون، پاریلن، بنزوسیکلوبوتن و پلی آمید که در دمای بالای 250 درجه سانتیگراد قابل استفاده است.

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، ترکیب کم پر و قالب نه تنها می تواند از محیط اطراف جدا شده و تنش میدان الکتریکی را کاهش دهد، بلکه قابلیت اطمینان محصولات بسته بندی شده را با کاهش یا توزیع مجدد تنش حرارتی مکانیکی ناشی از عدم تطابق CTE بهبود می بخشد [14]. بنابراین، مواد منطبق با CTE هر جزء در ساختار بسته باید تا حد امکان انتخاب شوند، مانند مواد سخت با CTE (20~30)×10-6/K و کمتر از 20×10-6/K به عنوان مثال. ترکیب کم پر و قالب گیری، به ترتیب، برای کاهش تنش حرارتی از گلوله های لحیم کاری و کل ساختار بسته شامل توپ های لحیم کاری. در حال حاضر، متداول ترین ترکیب زیر پر و قالب گیری، رزین اپوکسی پر شده با سیلیس است.

چسب گلدانی و چسب کپسوله بالایی نه تنها سطح ولتاژ را در برابر شکست میدان الکتریکی بهبود می بخشد و از خوردگی و آسیب محیط اطراف جلوگیری می کند، بلکه نقش خاصی در پشتیبانی مکانیکی ساختار بسته بندی دارد. در حال حاضر، متداولترین مواد چسب گلدانی و چسب درزگیر بالا پلی اورتان است که در دمای پایین کمتر از 165 درجه سانتیگراد قابل استفاده است، رزین اپوکسی که در دمای متوسط کمتر از 200 درجه سانتیگراد قابل استفاده است و لاستیک سیلیکون یا ژل که می تواند در دمای بالا کمتر از 300 درجه سانتیگراد استفاده شود. در میان آنها، مواد نرم مانند لاستیک سیلیکونی یا ژل به دلیل سختی و مدول کم، انعطاف پذیری و انعطاف پذیری بالا که تأثیر کمی بر تنش اجزای بسته بندی مانند براده ها و سیم های اتصال دارند، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، مواد نرم مانند لاستیک سیلیکون و ژل دارای پشتیبانی مکانیکی و عملکرد حفاظتی ضعیفی هستند. به منظور مقاومت در برابر ضربه خارجی، می توان مواد سخت مانند رزین را انتخاب کرد. با این حال، رزین معمولا مدول بالایی دارد، بنابراین لازم است موادی با CTE منطبق انتخاب شوند تا از فشارهای حرارتی-مکانیکی بیش از حد بر ساختار کل بسته جلوگیری شود.

（ب）模塑料示意图

شکل 3 نمودار شماتیک ترکیب کم پر و قالب گیری در ساختار بسته بندی الکترونیکی قدرت [14]

2.4  مواد بستر و صفحه زیرین

به طور کلی، بستر یک ساختار ساندویچی از "لایه رسانای فلزی-لایه عایق-لایه رسانای فلز" است و لایه های رسانای فلزی بالایی و پایینی به ترتیب برای اتصال تراشه و صفحه پشتی استفاده می شود. با توجه به فرآیند تولید، بسترها را می توان به زیرلایه مس با پیوند مستقیم (DBC)، بستر مسی چاپی مستقیم (DPC)، بستر آلومینیومی با پیوند مستقیم (DBA)، بستر لحیم کاری فلزی فعال تقسیم کرد. AMB)، بستر فلزی عایق (IMS) و مس چاپ شده با لایه ضخیم (TPC) و غیره.

بستر DBC یک اتصال یوتکتیک بین سرامیک و اکسید مس نازک روی فیلم مسی است که عملکرد عالی و هزینه نسبتا پایینی دارد و به طور گسترده در بسته بندی های الکترونیکی قدرت استفاده می شود. با این حال، لایه اکسید مس در سطح مشترک سرامیکی به راحتی لایه لایه می شود و در نتیجه قابلیت اطمینان پایین بستر DBC در برابر چرخه دما وجود دارد. بستر AMB فلز و سرامیک را با لحیم کاری فعال فلزی به یکدیگر متصل می کند که می تواند لایه اکسید را از بین ببرد و قابلیت اطمینان را بهبود بخشد. DBA از لحیم کاری AlSi برای اتصال صفحه آلومینیومی و سرامیک استفاده می کند. در مقایسه با لایه مس DBC، لایه آلومینیوم دارای سختی کمتری است، میتواند تنش حرارتی-مکانیکی بالاتری را تحمل کند و قابلیت اطمینان را بهبود بخشد [15]. با این حال، هدایت حرارتی آلومینیوم کمتر از مس است، و عملکرد اتلاف حرارت زیرلایه DBA به خوبی بستر DBC نیست. بستر IMS شامل یک لایه رزین عایق با رسانایی حرارتی بالا، یک صفحه مسی زیرین و یک لایه مسی ضخیم است. در مقایسه با DBC، IMB دارای مزایای فرآیند تولید ساده، دمای عملیات حرارتی پایین، هزینه کم و قابلیت اطمینان بالا است. TPC لایه ای از خمیر مس است که با چاپ صفحه روی سرامیک چاپ می شود و در دمای 850 تا 950 درجه سانتیگراد زینتر می شود تا اتصالی با استحکام بالا بین فیلم فلزی و سرامیک ایجاد کند. قابلیت اطمینان چرخه دما بالا است و می توان آن را به شدت با تراشه های مدار مجتمع و دستگاه های غیرفعال ادغام کرد تا یک ماژول هیبریدی را تشکیل دهد. اخیراً زیرلایه مبتنی بر قاب ضخیم سربی و لایه عایق نازک نیز ظاهر شده است که ساختار بستر چند لایه را ساده کرده و راندمان اتلاف گرما را بهبود می بخشد [5].

با توجه به رسانایی حرارتی و CTE، Al2O3، Si3N4، AlN و BeO رایج ترین مواد سرامیکی مورد استفاده در بستر هستند. برای مقایسه عملکرد آنها به جدول 4 [8,16،XNUMX] مراجعه کنید. BeO بالاترین رسانایی حرارتی را دارد، اما گرد و غبار در فرآیند آماده سازی برای بدن انسان مضر است که کاربرد آن را محدود می کند. Al2O3 اقتصادی ترین انتخاب است، اما مقاومت مکانیکی آن متوسط و هدایت حرارتی آن نسبتا ضعیف است. هدایت حرارتی AlN بالاتر از Al2O3 است و CTE بهتر با تراشه مطابقت دارد. Si3N4 قابلیت اطمینان چرخه دمایی بالاتری دارد، اما هزینه آن نسبتاً بالا است [17]. به طور نسبی، قابلیت اطمینان ترکیب Al-AlN و Cu-Si3N4 بالاتر است، زیرا مواد آلومینیومی قبلی نرم است، مدول الاستیک آن کم است، و تغییر شکل آن آسان است، که می تواند آسیب ناشی از تنش حرارتی به سرامیک ها را کاهش دهد. . Si3N4 دومی دارای استحکام خمشی و چقرمگی شکست بالاتری است و می تواند در برابر تنش حرارتی ناشی از مس مقاومت کند.

جدول 4 خواص مواد سرامیکی در بسترها [8]

متداول ترین ماده صفحه پایه مس است. به منظور کاهش CTE و اطمینان از هدایت حرارتی بالا، مواد کامپوزیت فلزی مانند AlSiC، W-Cu، Mo-Cu و Cu-Mo-Cu نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. برای پارامترهای عملکرد آنها به جدول 5 [8] مراجعه کنید. به طور کلی، صفحه پایه با نیکل روکش می شود، که می تواند از مهاجرت و اکسیداسیون اتم های مس در دمای بالا جلوگیری کند و مقاومت و مقاومت در برابر تغییر شکل صفحه پایه مس را بهبود بخشد.

جدول 5 خواص مواد صفحه پایین [8]

با توجه به روش های مختلف مونتاژ تراشه و فرآیندهای اتصال، سازه های بسته بندی الکترونیکی قدرت را می توان به دو نوع تقسیم کرد: بسته بندی لحیم کاری و بسته بندی چین دار. روند توسعه بسته در شکل 4 نشان داده شده است، که در آن بسته لحیم شده می تواند اتصال سیم، تراشه فلیپ (اتصال BGA)، اتصال ستون فلزی، اتصال آرایه توکار، اتصال داخلی فیلم فلزی رسوب شده و سایر ساختارها را اتخاذ کند. بسته بندی فشاری یک ساختار اتصال متقابل است که توسط فشار مکانیکی خارجی شکل می گیرد. برای راحتی تجزیه و تحلیل مقایسه ای، مزایا و معایب روش های بسته بندی فوق در جدول 6 فهرست شده است [18]. اتصال سیم دارای مزایای فن آوری بالغ، هزینه کم و سیم کشی انعطاف پذیر است. با این حال، ماژولهای متصل به سیم دارای اندوکتانس انگلی بالایی هستند که فقط میتوانند گرما را از یک طرف صفحه پشتی پخش کنند [18]. علاوه بر این، به دلیل عدم تطابق CTE بین سیم اتصال و تراشه، تنش حرارتی-مکانیکی زیادی ایجاد میشود که باعث میشود اتصالات لحیم کاری مستعد شکست خستگی شوند و به شکل اصلی شکست ماژول در فرآیند چرخه قدرت تبدیل میشود.

شکل 4 روند توسعه ساختار بسته [5]

جدول 6 مقایسه ساختارهای بسته [18]

در حال حاضر، ساختار بسته بندی الکترونیکی قدرت به تدریج از ساختار بسته بندی استاندارد اتصال سیم به Overmold، دو طرفه، یکپارچه سازی اجزا و یکپارچه سازی قدرت سه بعدی توسعه یافته است. با حذف لیدها، تداخل الکترومغناطیسی را می توان کاهش داد، راندمان اتلاف گرما را می توان بهبود بخشید و یکپارچگی را افزایش داد. در میان آنها، ساختار قالب گیری تزریقی یک بسته مسطح فشرده است که برای تولید ماژول دسته ای آسان است. ساختار اتصال دو طرفه می تواند اتلاف حرارت دو طرفه را درک کند و کارایی اتلاف گرما را بهبود بخشد. ساختار یکپارچه دستگاه می تواند عملکردهای مختلف را در ماژول ادغام کند و سرعت سوئیچینگ را بهبود بخشد. ساختار ادغام قدرت سه بعدی برای چیدمان تراشه ها در جهت عمودی است که می تواند اندوکتانس انگلی را تا حد زیادی کاهش دهد و عملکرد سوئیچینگ را بهبود بخشد [5]. در مقایسه با بسته بندی دو بعدی، بسته بندی سه بعدی مزایای آشکاری دارد، مانند کوتاه کردن فاصله حلقه در جهت عمودی، کاهش اندوکتانس انگلی و تداخل الکترومغناطیسی، افزایش سرعت انتقال، بهبود عملکرد سوئیچینگ و کاهش تلفات برق. این میتواند انواع تراشهها و دستگاهها مانند مدارهای درایو دروازه، خازنهای جداکننده، هیت سینکها و غیره را برای بهبود بیشتر چگالی یکپارچهسازی توان و کاهش حجم بسته ادغام کند. با این حال، در حال حاضر، بستهبندی سه بعدی نیز با چالشهایی مانند مدیریت حرارتی، فناوری تولید و بازده ناشی از اتصال پشته تراشهها مواجه است و فرآیند تولید نیاز به بهبود بیشتر دارد [3،6,19].

3.1  بسته قالب گیری تزریقی ثانویه

بر اساس ساختار بسته بندی باندینگ سیم سنتی، ساختار بسته بندی دو شات ساختاری است که در آن تراشه به طور مستقیم به قاب سرب متصل می شود، سیم های اتصال حذف می شوند و رزین اپوکسی برای بسته بندی تزریقی استفاده می شود. در مقایسه با ساختار بسته اتصال سیم، ناحیه اتصال در بالای تراشه در بستهبندی قالبگیری تزریقی افزایش مییابد که باعث بهبود راندمان اتلاف گرما میشود. کاهش اندوکتانس انگلی تلفات توان را کاهش می دهد که برای تولید انبوه مدولار بسیار مفید است و به طور گسترده در یکسو کننده های وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.

3.2  بسته اتصال دو طرفه

ساختار اتصال دو طرفه تراشه را به ترتیب با زیرلایه های بالایی و پایینی متصل می کند، مانند ماژول برق SKiN [20] پیشنهاد شده توسط شرکت Ximenkang و ماژول قدرت SiC [21] پیشنهاد شده توسط فوجی الکتریک، که می تواند به هدف حذف دست یابد. سیم های اتصال ساختار بسته اتصال دو طرفه دارای دو مزیت اصلی است: (1) حذف اتصال سیم در سطح امیتر، کاهش موثر اندوکتانس انگلی، اضافه شدن ولتاژ و تلفات برق، و بهبود عملکرد سوئیچینگ. (2) اتلاف گرمای تراشه را در جهات بالا و پایین متوجه شوید، راندمان اتلاف گرما را بهبود بخشید و به طور موثر دمای اتصال تراشه را کاهش دهید و در نتیجه شکست را کاهش دهید. آزمایشگاه ملی اوک ریج یک ماژول قدرت Si IGBT یا SiC MOSFET با بستهبندی زیرلایه DBC دو طرفه پیشنهاد داد. در مقایسه با ماژول اتصال سیمی سنتی، اندوکتانس آن 62٪ کاهش یافته، تلفات سوئیچینگ 50٪ تا 90٪ کاهش یافته و راندمان اتلاف گرما 40٪ تا 50٪ افزایش یافته است [22].

با این حال، ساختار اتصال دو طرفه نیز دارای معایبی است. اولا، در مقایسه با ماژول اتصال سیم، ساختار اتصال دو طرفه دارای لایه های بیشتری از مواد است که پیچیدگی فرآیند بسته بندی را افزایش می دهد. ثانیاً، از آنجایی که CTE هر لایه از مواد متفاوت است، عدم تطابق حرارتی تنش حرارتی-مکانیکی بیشتری ایجاد می کند که باعث کاهش قابلیت اطمینان لایه اتصال می شود. به منظور کاهش تنش حرارتی-مکانیکی، برخی از فلزات مطابق با CTE تراشه، مانند Mo یا Cu/Mo/Cu[23]، به عنوان مواد میانلایه استفاده میشوند. ثالثاً، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، هنگام ساخت یک ماژول قدرت با اتصال دو طرفه چند تراشه با ضخامت های مختلف، لازم است که بین تراشه و زیرلایه DBC، پایه های Micro-Metal Post یا مسی با ارتفاع های مختلف، الکتروپلیت یا متصل شوند. برای حل مشکل اختلاف ارتفاع ناشی از ضخامت های مختلف چند تراشه [6]. چهارم، لحیم کاری بر پایه قلع رایج ترین ماده اتصال متقابل در بسته بندی ماژول است. در فرآیند بسته بندی ماژول اتصال دو طرفه، معمولاً به چندین مرحله اتصال نیاز دارد که به گروهی از لحیم ها با نقاط ذوب مختلف نیاز دارد که دمای سرویس ماژول را محدود می کند. بنابراین، در ساختار بسته اتصال دو طرفه، خمیر لحیم نقره متخلخل با رسانایی حرارتی بالا، هدایت الکتریکی بالا و نقطه ذوب بالا به انتخاب ارجح برای مواد اتصال تبدیل شده است.

شکل 5 ساختار بسته اتصال دو طرفه [6]

3.3  بسته بندی دستگاه یکپارچه

بسته یکپارچه دستگاهی است که عملکردهای متعددی را در یک ماژول ادغام می کند، مانند مدار محرک دروازه یکپارچه، خازن جداکننده، سنسور دما، سنسور جریان و مدار حفاظتی [18]. بسته بندی دستگاه یکپارچه مزایای زیادی دارد، به عنوان مثال، با یکپارچه کردن مدار درایو گیت و خازن جداسازی، می توان اندوکتانس انگلی باس بار یا کانکتور خارجی ماژول را کاهش داد، اتصال بین دستگاه برق و درایو گیت را می توان کوتاه کرد، اندوکتانس حلقه دروازه را می توان کاهش داد. ، تداخل الکترومغناطیسی را می توان سرکوب کرد، عملکرد اشتراک گذاری جریان و سرعت سوئیچینگ را می توان بهبود بخشید. با این حال، این ساختار بسته نیز دارای محدودیت هایی است. به عنوان مثال، مدار درایو گیت یکپارچه به طور کلی ساده است و اندازه کلی، ظرفیت حمل جریان و فرکانس سوئیچینگ ماژول توسط هر دستگاه یکپارچه محدود می شود. علاوه بر این، قبل از یکپارچه سازی و بسته بندی دستگاه ها، لازم است مقاومت دمایی هر دستگاه بررسی شود تا از تحت تأثیر قرار گرفتن عملکرد عادی دستگاه های حساس به دما جلوگیری شود زیرا فاصله یکپارچه سازی دستگاه بسیار نزدیک است [5] .

3.4   پکیج یکپارچه قدرت سه بعدی

ساختار بسته یکپارچه در شکل 6 نشان داده شده است. ساختار بسته سه بعدی عمدتا به بسته های سه بعدی پشته ای و بسته های سه بعدی تعبیه شده تقسیم می شود [24]. بر اساس بسته بندی دو بعدی، اتصال سیم، تراشه فلیپ، میکرو برآمدگی، آرایه شبکه توپ (BGA)، از طریق سیلیکون از طریق (TSV)، تعبیه PCB و سایر فناوری های فرآیندی را برای تحقق اتصال چند تراشه ای در حالت عمودی اتخاذ می کند. جهت [25

شکل 6 نمودار شماتیک ساختار بسته یکپارچه سه بعدی [6,29-31]

در بستهبندی سهبعدی انباشته، گذرگاههای سیلیکونی یکی از مهمترین فناوریها هستند که از اتصال عمودی گذرگاههای سیلیکونی از طریق بستر برای تحقق اتصال الکتریکی بین تراشههای مختلف استفاده میکنند [3]. فنآوریهای کلیدی بستهبندی از طریق سیلیکون شامل تشکیل سوراخ از طریق سیلیکون، پر کردن، نازک شدن تراشه و اتصال به یکدیگر است. مراحل بتن به شرح زیر است: ابتدا با حفاری لیزری، حفاری خشک یا اچ مرطوب، سوراخ های عبوری ایجاد می شود، سپس لایه عایق SiO2 و لایه رسانای مس با رسوب شیمیایی بخار پر می شوند، سپس براده ها با آسیاب نازک می شوند و در نهایت براده ها به هم متصل می شوند. از طریق پیوند یا پیوند بین فلزات [29]. در مقایسه با ساختار سنتی اتصال سربی دو بعدی مسطح، ساختار سه بعدی سیلیکون از طریق سوراخ دارای مزایای اندازه کوچک، وزن سبک، راندمان بالای استفاده از ویفر سیلیکونی، کاهش تاخیر سیگنال و کاهش مصرف برق و غیره است. به طور گسترده در سطح ویفر سه بعدی، سطح سیستم و بسته بندی مدار مجتمع استفاده می شود. با این حال، محدودیت هایی نیز دارد. در مرحله اول، قابلیت اطمینان، چگالی توان بالای ساختار بسته سیلیکونی و مشکل بزرگ مدیریت حرارتی تراشه چند لایه. در مرحله دوم، هزینه بالا است و ساختار بسته بندی، فرآیند و آزمایش پیچیده است.

بسته سه بعدی تعبیه شده از سیم مسی و ریز منفذ به جای سیم اتصال استفاده می کند و تراشه را در لمینت PCB تعبیه می کند که می تواند حجم را کاهش دهد، قابلیت اطمینان را بهبود بخشد و یکپارچگی سیستم را تسهیل کند [3]. بزرگترین چالش این ساختار خواص ترمو مکانیکی ضعیف آن است که به دلیل تنش حرارتی مکانیکی ناشی از دمای پایین انتقال شیشه و CTE بالای مواد PCB سنتی محدود شده است و دمای سرویس آن پایین است [18]. علاوه بر این، قدرت لایه برداری ورقه ورقه FR4-PCB کم است، حدود 0.9 ~ 1.25 N/mm. در مقایسه با بستر DBC، توان نامی ماژول تعبیه شده در PCB کم است [3].

علاوه بر اتصال جوشکاری فوق، بستهبندی سهبعدی را میتوان با پرس کردن نیز تشکیل داد. یک مورد معمول در شکل 7 نشان داده شده است که نمودار ساختار داخلی ماژول پرس کردن IGBT وستکد [32] است. اجزا به جای سیم، لحیمکاری یا تفجوشی، از طریق فشار مکانیکی خارجی به صورت فیزیکی متصل میشوند. با ساختار ساده، هزینه کم و قابلیت اطمینان بالا، به طور گسترده در شبکههای برق ولتاژ بالا و جریان بالا مورد استفاده قرار گرفته است. اما در ماژول چین دار، ابعاد داخلی ماژول، مسطح بودن و کیفیت سطح هر جزء لازم است بالا باشد و رسانایی حرارتی و هدایت الکتریکی اتصال به شدت تحت تاثیر فشار و یکنواختی قرار می گیرد. برای اطمینان از مقاومت تماس و مقاومت حرارتی کمتر، باید فشار گیره مناسب را انتخاب کرد، اما ناگزیر تحت تأثیر زبری سطح و تغییر شکل ساختاری قرار خواهد گرفت. ساختارهای بافر الاستیک و مواد با CTE کوچک، مانند واشر Mo یا Be و صفحات فنری، اغلب برای یکسان کردن فشار، کاهش تنش حرارتی-مکانیکی و بهبود قابلیت اطمینان به ساختار چیندار وارد میشوند.

شکل 7 ساختار داخلی ماژول پرس IGBT در سیما [6,32،XNUMX]

مواد کلیدی، فناوری اتصال و طراحی ساختار بستهبندی قدرت به تدریج در جهت حذف سرنخها، بهبود عملکرد اتلاف گرما، افزایش چگالی ادغام و غیره در حال توسعه هستند تا کاربرد قابل اعتماد در محیطهای دمای بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا را برآورده کنند. با رواج و کاربرد دستگاه های نیمه هادی نسل سوم، مواد اتصال خمیر لحیم نقره متخلخل، سیلیکون از طریق فناوری، ساختار بسته بندی یکپارچه سه بعدی و غیره روندهای اصلی در آینده هستند و من معتقدم چشم انداز کاربرد آنها بی نهایت است.

سلب مسئولیت: این مقاله از «الکترونیک و بسته بندی» بازتولید شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد و دیدگاه های Sacco Micro و صنعت را نشان نمی دهد. این فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً هنگام چاپ مجدد منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.