Progrès de la recherche sur les matériaux clés et la conception structurelle des emballages électroniques de puissance

abstrait:L'emballage électronique de puissance traditionnel est principalement basé sur des technologies d'emballage planaire bidimensionnel telles que la connexion par soudure et la liaison par fil, qui ne peuvent pas répondre à l'application fiable des dispositifs semi-conducteurs de troisième génération à haute fréquence, haute tension et haute température. Afin de résoudre ce problème, l'emballage plan bidimensionnel s'est progressivement développé en emballage intégré tridimensionnel. Les progrès de la recherche sur les matériaux clés et la conception de structures dans la technologie des emballages électroniques de puissance sont résumés et prospectés. Les matériaux de connexion se sont progressivement développés de la soudure à base d'étain à la soudure à base d'or, en passant par les matériaux de connexion en phase liquide transitoire, l'argent fritté et d'autres matériaux à haute conductivité thermique et résistance aux températures élevées, et la technologie de connexion s'est progressivement développée de la liaison filaire au double- refroidissement latéral, intégration de dispositifs et interconnexion de stratification verticale. Les performances du commutateur sont améliorées en supprimant les câbles, la densité de puissance est améliorée en intégrant diverses puces et dispositifs, et l'efficacité de dissipation thermique est améliorée par un refroidissement double face. L'emballage intégré tridimensionnel présente un grand potentiel de marché et deviendra l'une des principales tendances de développement à l'avenir.

mot-clé:Emballage électronique; Matériaux d'emballage; Structure d'emballage ; Emballage tridimensionnel ; Argent fritté ; Trou traversant en silicium

Projet de financement:Projet de la Commission scientifique et technologique de Shenzhen(JCYJ20180508161601937)

Les dispositifs électroniques de puissance évoluent vers des applications haute fréquence, haute densité, haute puissance et haute température [1]. À l'heure actuelle, les dispositifs à base de silicium (Si) dominent toujours. Cependant, en raison des caractéristiques des matériaux, la fréquence de commutation, la température de fonctionnement et la densité de puissance des dispositifs à base de silicium sont limitées. Par rapport aux dispositifs traditionnels à base de silicium, les semi-conducteurs de troisième génération tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont de plus en plus utilisés dans les applications haute tension, haute température et haute fréquence telles que la communication sans fil, l'électricité. les véhicules et l'aérospatiale en raison de leur tension de claquage plus élevée, de leur bande interdite plus large, de leur conductivité thermique plus élevée et de leur plus faible perte de puissance [2-3]. Dans le même temps, le développement rapide des dispositifs semi-conducteurs de troisième génération a imposé des exigences plus strictes en matière de technologie d'emballage.

La technologie d'emballage est un processus de connexion et de fixation de la puce avec le substrat porteur, faisant sortir les broches et les moulant en un dispositif ou un module d'alimentation complet, qui joue principalement le rôle de connexion électrique, de support structurel et de protection, et assure la dissipation thermique. [4]. En tant que cœur de l'intégration des modules, les matériaux, processus et structures d'emballage affectent directement les caractéristiques d'interférence thermique, électrique et électromagnétique des modules de puissance. À l'heure actuelle, la technologie d'emballage mature repose principalement sur des matériaux de connexion tels que la colle à l'argent ou la soudure à base d'étain, et sur des structures d'emballage telles que la connexion en plomb, qui ont une mauvaise résistance aux hautes températures et aux hautes pressions, des problèmes importants de compatibilité électromagnétique et ne peuvent pas fournir un moyen efficace de dissipation thermique. Récemment, les matériaux d'interconnexion en argent fritté, les structures de boîtier intégrées tridimensionnelles, etc. ont une excellente résistance aux températures élevées et une conductivité thermique élevée, ce qui peut permettre une dissipation thermique double face et réduire considérablement les pertes de commutation, ce qui confère aux modules de puissance de bonnes caractéristiques thermiques et électriques et fiabilité et ont gagné de plus en plus de recherche et d'attention. Il devrait répondre à l'application fiable des dispositifs semi-conducteurs de troisième génération dans les domaines des hautes températures, hautes tensions et hautes fréquences. Dans cet article, les derniers progrès de la recherche sur les matériaux de conditionnement électronique de puissance et la conception de structures sont résumés et prospectés.

Une structure typique de boîtier de module d'alimentation est illustrée à la figure 1, qui se compose d'une puce d'alimentation, de matériaux de connexion, de fils de liaison, d'un substrat en céramique, d'une plaque inférieure, de matériaux d'enrobage, d'une coque et de bornes d'alimentation [3,5]. Les propriétés thermiques, électriques, mécaniques et chimiques de chaque matériau d'emballage sont différentes, il est donc nécessaire de prendre en compte de manière exhaustive les propriétés de chaque matériau pour sélectionner les meilleures performances de l'ensemble du module de puissance.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

La tendance de développement des principaux matériaux et technologies d'emballage tels que la liaison des puces, la connexion et le substrat est illustrée à la figure 2. La technologie de connexion évolue depuis les fils de liaison jusqu'aux rubans, piliers en cuivre, grilles de connexion et trous traversants plaqués, etc. En supprimant les fils et en augmentant la zone de connexion, la conductivité thermique et électrique est améliorée. Les matériaux de liaison pour puces se sont développés du brasage traditionnel au brasage à haute température à base d'or, en passant par la liaison en phase liquide transitoire, l'argent fritté et le cuivre fritté, etc., qui améliorent considérablement la conductivité thermique et électrique et répondent aux températures élevées et fiables. applications. Le substrat se développe vers l'épaississement de la couche conductrice métallique et conductrice thermique du substrat céramique, améliorant ainsi l'efficacité de la dissipation thermique [5].

Figure 2 Tendances de développement des matériaux et technologies d'emballage tels que la connexion, le substrat et la liaison de puces [5]

2.1  Matériau de la puce

Les paramètres de performance des matériaux semi-conducteurs couramment utilisés sont présentés dans le tableau 1 [6-7]. En raison de sa technologie mature et de son faible coût, le Si est largement utilisé dans divers dispositifs discrets et circuits intégrés, dans l'ingénierie des réseaux d'informations électroniques et dans d'autres domaines. Comparé au Si, le GaAs présente les caractéristiques d'une large bande interdite et d'une mobilité électronique élevée, ce qui peut réduire considérablement la taille des RF et la consommation d'énergie, et est largement utilisé dans les dispositifs de faible consommation dans les domaines des RF, des communications sans fil et de l'optoélectronique. Le SiC et le GaN ont une bande interdite plus grande, ne sont pas faciles à absorber l'énergie du rayonnement thermique et à passer à la bande de conduction lorsqu'ils travaillent à haute température, et ont une intensité de champ de claquage plus élevée, de sorte que les semi-conducteurs à large bande interdite SiC et GaN sont plus adaptés aux températures élevées et élevées. occasions de tension que Si. Le SiC a une conductivité thermique plus élevée, une meilleure capacité de dissipation thermique, une mobilité des porteurs plus élevée, une densité de courant plus élevée et une résistance aux températures et aux hautes tensions. Il est donc souvent utilisé comme dispositif d'alimentation, ce qui présente des avantages évidents dans le domaine des hautes puissances avec une tension de 600. V et supérieur, et est largement utilisé dans les domaines des véhicules à énergie nouvelle et des équipements électriques. Le GaN présente une mobilité électronique et une vitesse de porteur plus rapides, une résistance à l'état passant et des paramètres parasites à haute tension plus faibles, et présente des avantages évidents dans le sens d'une radiofréquence haute puissance. Le GaN est principalement utilisé dans les domaines RF micro-ondes tels que la communication 5G et la communication par satellite, les domaines de l'électronique de puissance tels que la charge rapide de l'électronique grand public et des véhicules à énergie nouvelle, et les domaines optoélectroniques LED en raison de sa densité de puissance élevée, de sa faible consommation d'énergie, de sa haute fréquence et de sa portée plus large. bande passante. Semblable au SiC, la technologie GaN est encore actuellement en phase de développement rapide et son coût est relativement élevé.

Tableau 1 Propriétés des matériaux des puces semi-conductrices [6]

2.2  Matériau de liaison des copeaux

La soudure en alliage SnPb, telle que Sn63Pb37, a été largement utilisée dans les matériaux de liaison de puces en raison de ses excellentes propriétés, telles qu'un faible module de cisaillement, une mouillabilité élevée, une ductilité, des propriétés thermomécaniques et une fiabilité. Cependant, le SnPb ne répond pas à la norme européenne RoHS sans plomb et son point de fusion est faible (environ 180 ℃). Par conséquent, de nouveaux matériaux de liaison de puces sont nécessaires pour répondre aux exigences de correspondance du coefficient de dilatation thermique (CTE) et de résistance aux températures élevées des structures et des matériaux d'emballage.À l'heure actuelle, les matériaux de liaison de puces les plus largement utilisés sont présentés dans le tableau 2 [8]. La pâte d'argent conductrice est principalement composée d'une matrice de résine, de particules conductrices (principalement de poudre d'argent), d'additifs et d'additifs dispersants, etc. Sa conductivité électrique et sa conductivité thermique sont relativement faibles et sa température de transition vitreuse est d'environ 100 ~ 150 ℃, ce qui est limité dans le domaine du conditionnement de copeaux haute température et haute pression. Par rapport aux soudures SnPb, les soudures sans plomb, telles que SnAg ou SnAgCu, ont généralement une teneur en Sn supérieure à 90 % et un point de fusion plus élevé (environ 220 ℃). Dans le processus de solidification, le degré de sous-refroidissement est plus élevé et il est facile de former des structures dendritiques grossières et des composés intermétalliques, inégalement répartis, affaiblissant ainsi sa résistance au fluage. De plus, l'alliage SnAgCu a un module d'élasticité élevé et son CTE est assez différent de celui de la puce et du substrat. Sous l'action de la charge du cycle thermique, il est facile de provoquer des dommages par fatigue et de conduire au pelage du joint de soudure, ce qui réduit la fiabilité du joint de soudure [9].

Tableau 2 Propriétés des matériaux de collage de puces [8]

Les matériaux de liaison à haute température pour puces, tels que les soudures en alliages eutectiques à base d'or tels que AuSn ou AuGe, ont un point de fusion élevé (supérieur à 280 ℃), une conductivité thermique et une conductivité électrique élevées, et sont faciles à réaliser par brasage sans soudure. Cependant, la teneur en or des soudures à base d'or est généralement élevée et le coût est élevé, et en raison de la grande fragilité de la phase du composant, cela entraîne les inconvénients d'un traitement difficile, d'un faible rendement et de mauvaises performances du produit, ce qui affecte sérieusement sa large application dans le domaine du packaging électronique de puissance [10].

La liaison en phase liquide transitoire (TLPB) est un processus dans lequel des couches intermédiaires (telles que In et Sn) avec des points de fusion plus bas sont ajoutées aux matériaux de base joints (tels que Cu, Au, Ag et Ni) avec des points de fusion plus élevés, et le les couches intermédiaires et certains matériaux de base sont fondus et resolidifiés par chauffage, de sorte que le solide et le liquide se diffusent pour former une connexion. En choisissant des matériaux et des procédés appropriés, la liaison en phase liquide transitoire peut former des joints avec d'excellentes performances, telles qu'une force de liaison supérieure à 60 MPa[11]. Cependant, l'application de la connexion en phase liquide transitoire dans l'interconnexion de puces à haute température est fortement limitée en raison du faible choix de couche intermédiaire, du coût élevé et de l'oxydation de l'Au-In et d'autres matériaux.

L'interconnexion en argent fritté, également connue sous le nom de technologie de connexion à basse température, est basée sur la diffusion atomique en phase solide de particules de nano-argent ou de micro-argent pour former une connexion frittée. En raison de sa faible température de frittage (200 ~ 300 ℃) et de son point de fusion élevé (961 ℃), l'argent présente de nombreux avantages, tels qu'une conductivité thermique élevée, une résistance aux cycles de température et une grande fiabilité des cycles de puissance. Il est devenu le choix privilégié pour l’interconnexion des puces à haute température et a été largement étudié et appliqué [12]. Cependant, le frittage de l'argent présente également certains inconvénients, tels qu'un coût élevé, une agglomération à basse température de particules de nano-argent, un frittage sous pression de pâte à souder à l'argent micronique, un processus compliqué, un placage Ni/Au ou Ni/Ag sur la surface de la puce et du substrat. , et migration électrochimique de l'argent. Comparée à la pâte à souder nano-argent, la pâte à souder nano-cuivre a récemment attiré l'attention en raison de son coût inférieur et de l'absence de risque de migration électrochimique en termes de fiabilité [13]. Cependant, les nanoparticules de cuivre s'oxydent facilement et doivent être frittées dans une atmosphère inerte, ce qui augmente la complexité du processus et le coût de l'équipement, et présente certaines limites d'application.

2.3  Matériau d'emballage en plastique

La fonction principale du matériau d'emballage en plastique est l'isolation électrique et l'isolation environnementale, qui joue le rôle protecteur de résistance à l'humidité, aux projections de sel, à la moisissure, à la poussière, aux collisions et aux vibrations, évitant ainsi la corrosion et les dommages environnementaux. , garantissant ainsi les performances électriques des composants électroniques, améliorant même le niveau de tension des modules de puissance haute tension, évitant la décharge des électrodes et enfin améliorant la fiabilité des produits électroniques [14]. Les types et propriétés des matériaux d'emballage en plastique sont présentés dans le tableau 3. Les matériaux d'emballage en plastique peuvent être divisés en revêtements conformes, sous-remplissages, composés de moulage, composés d'empotage et globtops [14].      

Tableau 3 Types et propriétés des matériaux d'emballage en plastique [14]

Le revêtement conforme est un type de revêtement organique couramment utilisé pour la protection de surface des circuits imprimés, qui nécessite de bonnes performances de connexion avec le substrat et les composants. Généralement, des matériaux à faible absorption d'eau, à rigidité diélectrique élevée, à CTE adapté et à faible module élastique sont sélectionnés, tels que l'acide acrylique qui peut être utilisé à basse température inférieure à 120 ℃, le polyuréthane qui peut être utilisé à basse température inférieure à 165 ℃, résine époxy qui peut être utilisée à température moyenne inférieure à 200 ℃, et résine de silicone, parylène, benzocyclobutène et polyimide qui peut être utilisée à haute température supérieure à 250 ℃.

Comme le montre la figure 3, le sous-remplissage et le composé de moulage peuvent non seulement isoler du milieu environnant et réduire la contrainte du champ électrique, mais également améliorer la fiabilité des produits emballés en réduisant ou en redistribuant la contrainte thermomécanique causée par l'inadéquation du CTE [14]. Par conséquent, les matériaux correspondant au CTE de chaque composant de la structure de l'emballage doivent être sélectionnés autant que possible, tels que les matériaux durs avec un CTE de (20~30)×10-6/K et inférieur à 20×10-6/K. le sous-remplissage et le composé de moulage, respectivement, pour réduire la contrainte thermique des billes de soudure et de l'ensemble de la structure de l'emballage, y compris les billes de soudure. À l'heure actuelle, le composé de remplissage et de moulage le plus couramment utilisé est la résine époxy chargée de silice.

La colle d'enrobage et la colle d'encapsulation supérieure améliorent non seulement le niveau de tension contre les claquages du champ électrique et évitent la corrosion et les dommages de l'environnement, mais jouent également un certain rôle dans le support mécanique de la structure de l'emballage. À l'heure actuelle, les matériaux de colle d'empotage et de colle d'étanchéité supérieure les plus couramment utilisés sont le polyuréthane qui peut être appliqué à une basse température inférieure à 165 ℃, la résine époxy qui peut être appliquée à une température moyenne inférieure à 200 ℃ et le caoutchouc de silicone ou gel qui peut être appliqué à une température élevée inférieure à 300 ℃. Parmi eux, les matériaux souples tels que le caoutchouc ou le gel de silicone sont largement utilisés en raison de leur faible dureté et module, de leur plasticité et de leur élasticité élevées, qui ont peu d'influence sur la contrainte des composants d'emballage tels que les puces et les fils de liaison. Cependant, les matériaux souples tels que le caoutchouc de silicone et le gel ont de mauvaises performances de support mécanique et de protection. Afin de résister aux impacts extérieurs, des matériaux durs comme la résine peuvent être sélectionnés. Cependant, la résine a généralement un module élevé, il est donc nécessaire de choisir des matériaux avec un CTE adapté pour éviter des contraintes thermomécaniques excessives sur l'ensemble de la structure de l'emballage.

（b）模塑料示意图

Figure 3 Diagramme schématique du sous-remplissage et du composé de moulage dans la structure du boîtier électronique de puissance [14]

2.4  Matériau du substrat et de la plaque inférieure

D'une manière générale, le substrat est une structure sandwich de « couche conductrice métallique-couche d'isolation-couche conductrice métallique », et les couches conductrices métalliques supérieure et inférieure sont utilisées respectivement pour l'interconnexion de la puce et du fond de panier. Selon le processus de fabrication, les substrats peuvent être divisés en substrat de cuivre à liaison directe (DBC), substrat de cuivre imprimé directement (DPC), substrat d'aluminium à liaison directe (DBA), substrat de brasage métallique actif, AMB), substrat métallique isolé (IMS) et cuivre imprimé en couche épaisse (TPC), etc.

Le substrat DBC est une connexion eutectique entre la céramique et un mince oxyde de cuivre sur un film de cuivre, qui présente d'excellentes performances et un coût relativement faible, et est largement utilisé dans les emballages électroniques de puissance. Cependant, le film d'oxyde de cuivre à l'interface céramique est facile à décoller, ce qui entraîne une faible fiabilité du substrat DBC face aux cycles de température. Le substrat AMB relie le métal et la céramique par brasage métallique actif, ce qui peut éliminer la couche d'oxyde et améliorer la fiabilité. DBA utilise le brasage AlSi pour relier les plaques d'aluminium et la céramique. Par rapport à la couche de cuivre du DBC, la couche d'aluminium a une dureté inférieure, peut résister à des contraintes thermomécaniques plus élevées et améliorer la fiabilité [15]. Cependant, la conductivité thermique de l'aluminium est inférieure à celle du cuivre et les performances de dissipation thermique du substrat DBA ne sont pas aussi bonnes que celles du substrat DBC. Le substrat IMS comprend une couche de résine isolante à haute conductivité thermique, une plaque inférieure en cuivre et un film de cuivre épais. Par rapport au DBC, l'IMB présente les avantages d'un processus de fabrication simple, d'une faible température de traitement thermique, d'un faible coût et d'une fiabilité élevée. Le TPC est une couche de pâte de cuivre imprimée sur céramique par sérigraphie, qui est frittée à 850 ~ 950 ℃ pour former une connexion à haute résistance entre le film métallique et la céramique. La fiabilité du cycle de température est élevée et il peut être hautement intégré à des puces de circuits intégrés et à des dispositifs passifs pour former un module hybride. Récemment, le substrat basé sur une grille de connexion épaisse et une fine couche d'isolation est également apparu, ce qui a simplifié la structure du substrat multicouche et amélioré l'efficacité de la dissipation thermique [5].

Compte tenu de la conductivité thermique et du CTE, Al2O3, Si3N4, AlN et BeO sont les matériaux céramiques les plus couramment utilisés dans le substrat. Voir le tableau 4[8,16] pour leur comparaison de performances. BeO a la conductivité thermique la plus élevée, mais la poussière issue du processus de préparation est nocive pour le corps humain, ce qui limite son application. Al2O3 est le choix le plus économique, mais sa résistance mécanique est modérée et sa conductivité thermique est relativement mauvaise. La conductivité thermique de l'AlN est supérieure à celle de l'Al2O3 et le CTE correspond mieux à la puce. Le Si3N4 a une fiabilité de cyclage en température plus élevée, mais son coût est relativement élevé [17]. Relativement parlant, la fiabilité de la combinaison d'Al-AlN et de Cu-Si3N4 est plus élevée, car l'ancien matériau en aluminium est mou, son module d'élasticité est faible et il est facile à déformer, ce qui peut ralentir les dommages causés par la contrainte thermique à la céramique. . Ce dernier Si3N4 a une résistance à la flexion et une ténacité à la rupture plus élevées, et peut résister aux contraintes thermiques provoquées par le cuivre.

Tableau 4 Propriétés des matériaux céramiques dans les substrats [8]

Le matériau de plaque de base le plus couramment utilisé est le Cu. Afin de réduire le CTE et d'assurer une conductivité thermique élevée, des matériaux composites métalliques tels que AlSiC, W-Cu, Mo-Cu et Cu-Mo-Cu sont également largement utilisés. Voir le tableau 5[8] pour leurs paramètres de performances. Généralement, la plaque de base sera plaquée de nickel, ce qui peut empêcher la migration et l'oxydation des atomes de cuivre à haute température et améliorer la résistance et la résistance à la déformation de la plaque de base en cuivre.

Tableau 5 Propriétés matérielles de la plaque inférieure [8]

Selon les différentes méthodes d'assemblage de puces et processus d'interconnexion, les structures de boîtier électronique de puissance peuvent être divisées en deux types : le boîtier de soudure et le boîtier de sertissage. La tendance de développement du boîtier est illustrée à la figure 4, dans laquelle le boîtier soudé peut adopter une liaison filaire, une puce retournée (interconnexion BGA), une interconnexion de pilier métallique, une interconnexion de réseau encastré, une interconnexion de film métallique déposé et d'autres structures. L'emballage à pression est une structure d'interconnexion formée par une pression mécanique externe. Pour faciliter l'analyse comparative, les avantages et les inconvénients des méthodes de conditionnement ci-dessus sont répertoriés dans le tableau 6[18]. La liaison filaire présente les avantages d’une technologie mature, d’un faible coût et d’un câblage flexible. Cependant, les modules filaires ont une inductance parasite élevée, qui ne peut dissiper la chaleur que d'un côté du fond de panier [18]. De plus, en raison de l'inadéquation du CTE entre le fil de liaison et la puce, une contrainte thermomécanique importante est générée, ce qui rend les joints de soudure sujets à une défaillance par fatigue et devient la principale forme de défaillance du module lors du cycle d'alimentation.

Figure 4 Tendance de développement de la structure du package [5]

Tableau 6 Comparaison des structures de paquets [18]

À l'heure actuelle, la structure de conditionnement de l'électronique de puissance s'est progressivement développée, passant de la structure de conditionnement standard traditionnelle de liaison filaire au surmoulage, à la liaison double face, à l'intégration de composants et à l'intégration de puissance 3D. En supprimant les câbles, les interférences électromagnétiques peuvent être réduites, l'efficacité de la dissipation thermique peut être améliorée et l'intégration peut être augmentée. Parmi eux, la structure de moulage par injection est un emballage plan compact, facile à produire par lots ; La structure de connexion double face peut réaliser une dissipation thermique double face et améliorer l'efficacité de la dissipation thermique ; La structure intégrée de l'appareil peut intégrer diverses fonctions dans le module et améliorer la vitesse de commutation ; La structure d'intégration de puissance tridimensionnelle consiste à empiler les puces dans la direction verticale, ce qui peut réduire considérablement l'inductance parasite et améliorer les performances de commutation [5]. Par rapport à l'emballage bidimensionnel, l'emballage tridimensionnel présente des avantages évidents, tels que le raccourcissement considérablement de la distance de boucle dans la direction verticale, la réduction de l'inductance parasite et des interférences électromagnétiques, l'augmentation de la vitesse de transmission, l'amélioration des performances de commutation et la réduction des pertes de puissance ; Il peut intégrer une variété de puces et de dispositifs, tels que des circuits de commande de grille, des condensateurs de découplage, des dissipateurs thermiques, etc., pour améliorer encore la densité d'intégration de puissance et réduire le volume du boîtier. Cependant, à l’heure actuelle, l’emballage 3D est également confronté à certains défis, tels que la gestion thermique, la technologie de production et le rendement provoqués par l’interconnexion des piles de puces, et le processus de fabrication doit être encore amélioré [6,19].

3.1  Pack de moulage par injection secondaire

Sur la base de la structure d'emballage à liaison filaire traditionnelle, la structure d'emballage à deux injections est une structure dans laquelle la puce est directement liée à la grille de connexion, les fils de liaison sont retirés et la résine époxy est utilisée pour l'emballage par injection. Par rapport à la structure du boîtier de liaison filaire, la zone de connexion au sommet de la puce dans le boîtier de moulage par injection augmente, ce qui améliore l'efficacité de la dissipation thermique. La réduction de l'inductance parasite réduit la perte de puissance, ce qui est très bénéfique pour la production de masse modulaire et est largement utilisé dans les redresseurs des véhicules électriques.

3.2  Pack de connexion double face

La structure de connexion double face connecte la puce aux substrats supérieur et inférieur respectivement, tels que le module d'alimentation SKiN [20] proposé par Ximenkang Company et le module d'alimentation SiC [21] proposé par Fuji Electric, qui peuvent atteindre l'objectif de retirer fils de liaison. La structure du boîtier de connexion double face présente deux avantages principaux : (1) éliminer la liaison filaire sur la surface de l'émetteur, réduisant efficacement l'inductance parasite, le dépassement de tension et la perte de puissance, et améliorant les performances de commutation ; (2) Réalisez la dissipation thermique de la puce dans les directions supérieure et inférieure, améliorez l'efficacité de la dissipation thermique et réduisez efficacement la température de jonction de la puce, ralentissant ainsi la défaillance. Le Laboratoire national d'Oak Ridge a proposé un module de puissance IGBT Si ou MOSFET SiC avec un boîtier à substrat DBC double face. Comparé au module traditionnel à liaison par fils, son inductance a diminué de 62 %, les pertes de commutation ont diminué de 50 à 90 % et le rendement de dissipation thermique a augmenté de 40 à 50 %[22].

Cependant, la structure de connexion double face présente également certains inconvénients. Premièrement, par rapport au module de liaison filaire, la structure de connexion double face comporte davantage de couches de matériaux, ce qui augmente la complexité du processus d'emballage. Deuxièmement, étant donné que le CTE de chaque couche de matériaux est différent, une inadéquation thermique produira une contrainte thermomécanique plus importante, ce qui réduira la fiabilité de la couche de connexion. Afin de réduire les contraintes thermomécaniques, certains métaux correspondant au CTE de la puce, tels que Mo ou Cu/Mo/Cu[23], sont utilisés comme matériaux intercalaires. Troisièmement, comme le montre la figure 5, lors de la réalisation d'un module d'alimentation avec connexion double face multi-puces avec différentes épaisseurs, il est nécessaire de galvanoplastir ou de connecter des broches micro-métalliques ou des broches en cuivre de différentes hauteurs entre la puce et le substrat DBC, afin afin de résoudre le problème de différence de hauteur causé par différentes épaisseurs de multi-puces [6]. Quatrièmement, la soudure à base d’étain est le matériau d’interconnexion le plus couramment utilisé dans les emballages de modules. Dans le processus d'emballage d'un module de connexion double face, il faut généralement plusieurs étapes de connexion, ce qui nécessite un groupe de soudures avec différents points de fusion, ce qui limite la température de service du module. Par conséquent, dans la structure du boîtier de connexion double face, la pâte à souder à l'argent fritté à haute conductivité thermique, haute conductivité électrique et point de fusion élevé est devenue le choix préféré pour les matériaux d'interconnexion.

Figure 5 Structure du paquet de connexion double face [6]

3.3  Emballage d'appareil intégré

Un package intégré est un dispositif qui intègre plusieurs fonctions dans un module, telles qu'un circuit de commande de grille intégré, un condensateur de découplage, un capteur de température, un capteur de courant et un circuit de protection [18]. Le boîtier de dispositif intégré présente de nombreux avantages, par exemple en intégrant un circuit de commande de grille et un condensateur de découplage, l'inductance parasite de la barre omnibus ou du connecteur externe du module peut être réduite, la connexion entre le dispositif d'alimentation et le variateur de grille peut être raccourcie, l'inductance de boucle de grille peut être réduite. , les interférences électromagnétiques peuvent être supprimées, les performances de partage de courant et la vitesse de commutation peuvent être améliorées. Cependant, cette structure de package présente également certaines limites. Par exemple, le circuit intégré de commande de grille est généralement simple, et la taille globale, la capacité de transport de courant et la fréquence de commutation du module sont limitées par chaque dispositif intégré. De plus, avant l'intégration et l'emballage des appareils, il est nécessaire de vérifier la résistance à la température de chaque appareil, afin d'éviter que le fonctionnement normal des appareils sensibles à la température ne soit affecté parce que la distance d'intégration des appareils est trop proche [5] .

3.4   Ensemble de puissance intégré tridimensionnel

La structure du package intégré est illustrée à la figure 6. La structure du package tridimensionnel est principalement divisée en package tridimensionnel empilé et package tridimensionnel intégré [24]. Sur la base d'un boîtier bidimensionnel, il adopte la liaison filaire, la puce retournée, la micro-bump, le Ball Grid Array (BGA), le Through Silicon Via (TSV), l'intégration de PCB et d'autres technologies de processus pour réaliser une interconnexion empilée multi-puces dans le vertical. sens [25

Figure 6 Diagramme schématique de la structure du package intégré tridimensionnel [6,29-31]

Dans le packaging 3D empilé, les vias traversants en silicium sont l'une des technologies les plus concernées, qui utilisent l'interconnexion verticale des vias traversants en silicium à travers le substrat pour réaliser l'interconnexion électrique entre différentes puces [28]. Les technologies clés du conditionnement à travers le silicium comprennent la formation de trous à travers le silicium, le remplissage, l'amincissement des copeaux et l'interconnexion. Les étapes concrètes sont les suivantes : tout d'abord, les trous traversants sont formés par perçage au laser, gravure sèche ou gravure humide, puis la couche isolante de SiO2 et la couche conductrice de cuivre sont remplies par dépôt chimique en phase vapeur, puis les copeaux sont amincis par meulage et enfin les copeaux sont interconnectés. par collage ou collage entre métaux [29]. Par rapport à la structure d'interconnexion de plomb bidimensionnelle planaire traditionnelle, la structure tridimensionnelle du trou traversant en silicium présente les avantages d'une petite taille, d'un poids léger, d'une efficacité élevée d'utilisation de tranches de silicium, d'un retard de signal raccourci et d'une consommation d'énergie réduite, etc., et est largement utilisé dans les emballages tridimensionnels au niveau des plaquettes, au niveau du système et des circuits intégrés. Cependant, il présente également certaines limites. Premièrement, la fiabilité, la densité de puissance élevée de la structure du boîtier à travers le silicium et le gros problème de gestion thermique de la puce laminée ; Deuxièmement, le coût est élevé et la structure, le processus et les tests d'emballage sont compliqués.

Le boîtier 3D intégré utilise du fil de cuivre et des micropores au lieu du fil de liaison, et intègre la puce dans un stratifié PCB, ce qui peut réduire le volume, améliorer la fiabilité et faciliter l'intégration du système [30]. Le plus grand défi de cette structure réside dans ses mauvaises propriétés thermomécaniques, qui sont limitées par les contraintes thermomécaniques causées par la faible température de transition vitreuse et le CTE élevé des matériaux PCB traditionnels, et sa température de service est basse [18]. De plus, la résistance au pelage du stratifié FR4-PCB est faible, environ 0.9 à 1.25 N/mm. Par rapport au substrat DBC, la puissance nominale du module intégré dans le PCB est faible [3].

Outre la connexion par soudage décrite ci-dessus, un boîtier tridimensionnel peut également être formé par sertissage. Un cas typique est illustré à la figure 7, qui présente le schéma de la structure interne du module de sertissage IGBT Westcode [32]. Les composants sont physiquement connectés par pression mécanique externe plutôt que par des fils, une soudure ou un frittage. Grâce à sa structure simple, son faible coût et sa grande fiabilité, ce module est largement utilisé dans les réseaux électriques haute tension et courant fort. Cependant, dans le module de sertissage, les dimensions internes du module, la planéité et la qualité de surface de chaque composant doivent être élevées, et la conductivité thermique et la conductivité électrique du joint sont grandement affectées par la pression et l'uniformité. Il est nécessaire de sélectionner la pression de serrage appropriée pour garantir une résistance de contact et une résistance thermique plus faibles, mais elle sera inévitablement affectée par la rugosité de la surface et la déformation structurelle. Des structures tampons élastiques et des matériaux à faible CTE, tels que des joints et des plaques à ressort en Mo ou Be, sont souvent introduits dans la structure de sertissage pour égaliser la pression, réduire les contraintes thermomécaniques et améliorer la fiabilité.

Fig. 7 Structure interne du module de sertissage IGBT dans Sima [6,32]

Les matériaux clés, la technologie de connexion et la conception de la structure du boîtier d'alimentation évoluent progressivement dans le sens de la suppression des câbles, de l'amélioration des performances de dissipation thermique, de l'augmentation de la densité d'intégration, etc., pour répondre à une application fiable dans des environnements à haute température, haute tension et haute fréquence. Avec la popularisation et l'application des dispositifs semi-conducteurs de troisième génération, les matériaux de connexion en pâte à souder à l'argent fritté, le silicium via la technologie, la structure d'emballage intégrée tridimensionnelle, etc. sont les principales tendances à l'avenir, et je pense que leurs perspectives d'application sont infinies.

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