תַקצִיר:אריזות אלקטרוניות כוח מסורתיות מבוססות בעיקר על טכנולוגיות אריזה מישוריות דו מימדיות כגון חיבור הלחמה והדבקת חוטים, אשר אינן יכולות לעמוד ביישום האמין של התקני מוליכים למחצה מהדור השלישי בתדר גבוה, במתח גבוה ובטמפרטורה גבוהה. על מנת לפתור בעיה זו, אריזות מישוריות דו מימדיות התפתחו בהדרגה לאריזות משולבות תלת מימדיות. התקדמות המחקר של חומרי מפתח ועיצוב מבנה בטכנולוגיית אריזה אלקטרונית חשמלית מסוכמת ומצופה. חומרי החיבור התפתחו בהדרגה מהלחמה על בסיס פח להלחמה על בסיס זהב, חומרי חיבור שלב נוזלי חולף, כסף מחוטא וחומרים אחרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה ועמידות בטמפרטורה גבוהה, וטכנולוגיית החיבור התפתחה בהדרגה מחיבור חוט לכפול. קירור צדדי, שילוב מכשירים וחיבור למינציה אנכית. ביצועי המתג משתפרים על ידי הסרת לידים, צפיפות ההספק משתפרת על ידי שילוב שבבים והתקנים שונים, ויעילות פיזור החום משופרת על ידי קירור דו צדדי. לאריזות משולבות תלת מימדיות יש פוטנציאל שוק גדול והיא תהפוך לאחת ממגמות הפיתוח העיקריות בעתיד.

מילות מפתח:אריזה אלקטרונית; חומרי אריזה; מבנה האריזה; אריזה תלת מימדית; כסף מסונט; חור דרך סיליקון

פרויקט קרן:פרויקט ועדת המדע והטכנולוגיה של שנזן（JCYJ20180508161601937）

מכשירי כוח אלקטרוניים מתפתחים לקראת יישומים בתדר גבוה, בצפיפות גבוהה, בהספק גבוה ובטמפרטורה גבוהה [1]. נכון לעכשיו, מכשירים מבוססי סיליקון (Si) עדיין שולטים. עם זאת, בשל מאפייני החומרים, תדירות המיתוג, טמפרטורת הפעולה וצפיפות ההספק של מכשירים מבוססי סיליקון מוגבלים. בהשוואה למכשירים מסורתיים מבוססי סיליקון, מוליכים למחצה מהדור השלישי כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN) נמצאים יותר ויותר בשימוש ביישומי מתח גבוה, טמפרטורה גבוהה ותדר גבוה כגון תקשורת אלחוטית, חשמל כלי רכב ותעופה וחלל בגלל מתח התפרקות גבוה יותר, פער פס רחב יותר, מוליכות תרמית גבוהה יותר ואובדן הספק נמוך יותר [2-3]. יחד עם זאת, הפיתוח המהיר של מכשירי המוליכים למחצה מהדור השלישי העלה דרישות מחמירות יותר לטכנולוגיית אריזה.

טכנולוגיית אריזה היא תהליך של חיבור וקיבוע השבב עם מצע הנשא, הובלת הפינים וייצוקם להתקן כוח או מודול שלם, הממלא בעיקר את התפקיד של חיבור חשמלי, תמיכה והגנה מבנית, ומתן פיזור חום. [4]. בתור הליבה של שילוב מודול, חומרי אריזה, תהליכים ומבנים משפיעים ישירות על מאפייני ההפרעות התרמיות, החשמליות והאלקטרומגנטיות של מודולי הספק. כיום, טכנולוגיית האריזה הבוגרת מתבססת בעיקר על חומרי חיבור כגון דבק כסף או הלחמה על בסיס פח, ומבני אריזה כגון חיבור עופרת, בעלי עמידות ירודה לטמפרטורות גבוהות וללחץ גבוה, בעיות תאימות אלקטרומגנטיות בולטות ואינם יכולים. לספק דרך יעילה לפיזור חום. לאחרונה, לחומרי חיבור מכסף סנטף, מבני אריזה משולבים תלת מימדיים וכו' יש עמידות מצוינת בטמפרטורה גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה, שיכולים להשיג פיזור חום דו צדדי ולהפחית במידה רבה את הפסדי המיתוג, מה שהופך את מודולי הכוח לבעלי מאפיינים תרמיים וחשמליים טובים. מהימנות, וזכו ליותר ויותר מחקר ותשומת לב. הוא צפוי לעמוד ביישום האמין של מכשירי המוליכים למחצה מהדור השלישי בתחומי טמפרטורה גבוהה, מתח גבוה ותדר גבוה. במאמר זה, התקדמות המחקר העדכנית ביותר של חומרי אריזה אלקטרוניים ועיצוב מבנה מסוכמת ומצופה.

מבנה חבילת מודול כוח טיפוסי מוצג באיור 1, המורכב משבב חשמל, חומרי חיבור, חוטי מליטה, מצע קרמי, צלחת תחתונה, חומרי עציצים, מעטפת ומסופי חשמל [3,5]. התכונות התרמיות, החשמליות, המכניות והכימיות של כל חומר אריזה שונות, ולכן יש צורך לשקול באופן מקיף את המאפיינים של כל חומר כדי לבחור את הביצועים הטובים ביותר של מודול הכוח כולו.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

מגמת הפיתוח של חומרי אריזה וטכנולוגיות מפתח כגון הדבקת שבבים, חיבור ומצע מוצגת באיור 2. טכנולוגיית החיבור מתפתחת מחוטי מליטה לסרטים, עמודי נחושת, מסגרות עופרת ומצופה חורים, וכו'. על ידי הסרת לידים והגדלת שטח החיבור, המוליכות התרמית והחשמלית משתפרת. חומרי ההדבקה לשבבים התפתחו מהלחמה מסורתית להלחמה בטמפרטורה גבוהה על בסיס זהב, הדבקה של שלב נוזלי חולף, כסף מלוכלך ונחושת מרוסנת וכו', המשפרים מאוד את המוליכות התרמית והחשמלית ועומדים בטמפרטורה הגבוהה והאמינה. יישומים. המצע מתפתח לקראת עיבוי השכבה המוליך המתכת והמוליך התרמית של המצע הקרמי, ובכך משפר את יעילות פיזור החום [5].

איור 2 מגמות פיתוח של חומרי אריזה וטכנולוגיות כגון חיבור, מצע וחיבור שבב [5]

2.1  חומר שבב

פרמטרי הביצועים של חומרים מוליכים למחצה הנפוצים מוצגים בטבלה 1 [6-7]. בגלל הטכנולוגיה הבוגרת והעלות הנמוכה שלו, נעשה שימוש נרחב ב-Si בהתקנים דיסקרטיים ומעגלים משולבים שונים, הנדסת רשתות מידע אלקטרוניות ותחומים אחרים. בהשוואה ל-Si, ל-GaAs יש מאפיינים של פער פס רחב וניידות אלקטרונית גבוהה, שיכולים להפחית באופן משמעותי את גודל ה-RF וצריכת החשמל, והוא נמצא בשימוש נרחב במכשירים בעלי הספק נמוך ב-RF, תקשורת אלחוטית ושדות אופטו-אלקטרוניים. ל-SiC ול-GaN יש פער פס גדול יותר, לא קל לספוג אנרגיית קרינה תרמית ולקפוץ לרצועת הולכה בעת עבודה בטמפרטורה גבוהה, ובעלי חוזק שדה פירוק גבוה יותר, כך שמוליכי מרווחי פס רחבים למחצה SiC ו-GaN מתאימים יותר לטמפרטורה גבוהה וגבוהה אירועי מתח מאשר Si. ל-SiC מוליכות תרמית גבוהה יותר, יכולת פיזור חום טובה יותר, ניידות נושאת גבוהה יותר, צפיפות זרם גבוהה יותר והתנגדות לטמפרטורה גבוהה ומתח גבוה, ולכן הוא משמש לעתים קרובות כמכשיר כוח, שיש לו יתרונות ברורים בתחום ההספק הגבוה עם מתח של 600 V ומעלה, והוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי רכבי אנרגיה חדשים וציוד כוח. ל-GaN יש ניידות אלקטרונית ומהירות נושא מהירה יותר, התנגדות הפעלה קטנה יותר ופרמטרים טפיליים במתח גבוה, ויש לו יתרונות ברורים בכיוון של תדר רדיו בהספק גבוה. GaN משמש בעיקר בשדות RF מיקרוגל כגון תקשורת 5G ותקשורת לוויינית, שדות אלקטרוניקה כוח כגון טעינה מהירה של מוצרי אלקטרוניקה ורכבי אנרגיה חדשים, ושדות LED אופטואלקטרוניקה בגלל צפיפות ההספק הגבוהה, צריכת האנרגיה הנמוכה, התדר הגבוה ורחב יותר. רוחב פס. בדומה ל-SiC, טכנולוגיית GaN עדיין נמצאת בשלב פיתוח מהיר כיום, והעלות גבוהה יחסית.

טבלה 1 מאפיינים של חומרי שבב מוליכים למחצה [6]

2.2  חומר הדבקת שבב

הלחמה מסגסוגת SnPb, כגון Sn63Pb37, הייתה בשימוש נרחב בחומרי הדבקת שבבים בגלל התכונות המצוינות שלה, כגון מודול גזירה נמוך, הרטבה גבוהה, משיכות, תכונות תרמו-מכניות ואמינות. עם זאת, SnPb אינו עומד בתקן האיחוד האירופי RoHS ללא עופרת, ונקודת ההיתוך שלו נמוכה (בערך 180℃). לכן, יש צורך בחומרי הדבקה חדשים של שבבים כדי לעמוד בדרישות של התאמת מקדם התפשטות תרמי (CTE) ועמידות בטמפרטורה גבוהה של מבני אריזה וחומרי אריזה.נכון לעכשיו, חומרי הדבקת השבבים הנפוצים ביותר מוצגים בטבלה 2 [8]. משחת כסף מוליך מורכבת בעיקר ממטריקס שרף, חלקיקים מוליכים (בעיקר אבקת כסף), תוספים ותוספים מפזרים וכו'. המוליכות החשמלית והמוליכות התרמית שלה נמוכות יחסית, וטמפרטורת מעבר הזכוכית שלה היא כ-100~150℃, שהיא מוגבלת. בתחום אריזת שבבים בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה. בהשוואה להלחמות SnPb, להלחמות נטולות עופרת, כגון SnAg או SnAgCu, יש בדרך כלל תכולת Sn גבוהה מ-90% ונקודת התכה גבוהה יותר (כ-220℃). בתהליך ההתמצקות דרגת התת-קירור גבוהה יותר, וקל ליצור מבנים דנדריטים גסים ותרכובות בין-מתכתיות, המפוזרות בצורה לא אחידה, ובכך מחלישים את התנגדות הזחילה שלו. בנוסף, לסגסוגת SnAgCu יש מודול אלסטי גבוה, וה-CTE שלה שונה בתכלית מזה של שבב ומצע. תחת הפעולה של עומס מחזור תרמי, קל לגרום לנזק לעייפות ולהוביל לקילוף מפרק הלחמה, מה שמפחית את האמינות של מפרק הלחמה [9].

טבלה 2 מאפיינים של חומרי הדבקה במות [8]

לחומרי מליטה בטמפרטורה גבוהה עבור שבבים, כגון הלחמות סגסוגת אוטקטית על בסיס זהב כגון AuSn או AuGe, יש נקודת התכה גבוהה (מעל 280℃), מוליכות תרמית ומוליכות חשמלית, וקל למימוש הלחמה ללא הלחמה. עם זאת, תכולת הזהב בהלחמות על בסיס זהב היא בדרך כלל גבוהה והעלות גבוהה, ובגלל השבריריות הגבוהה של שלב הרכיבים, היא מובילה לחסרונות של עיבוד קשה, תפוקה נמוכה וביצועי מוצר גרועים, מה שמשפיע מאוד יישום רחב בתחום אריזה אלקטרונית כוח [10].

חיבור שלב נוזלי חולף (TLPB) הוא תהליך שבו שכבות ביניים (כגון In ו-Sn) עם נקודות התכה נמוכות מתווספות לחומרי הבסיס המחוברים (כגון Cu, Au, Ag ו-Ni) עם נקודות התכה גבוהות יותר, והן שכבות ביניים וכמה חומרי בסיס נמסים ומתמצקים מחדש על ידי חימום, כך שמוצק ונוזל מתפזרים זה בזה ויוצרים חיבור. בבחירת חומרים ותהליכים מתאימים, חיבור שלב נוזלי חולף יכול ליצור מפרקים בעלי ביצועים מצוינים, כגון חוזק מליטה גדול מ-60 MPa[11]. עם זאת, היישום של חיבור שלב נוזלי חולף בחיבור שבבים בטמפרטורה גבוהה מוגבל מאוד בגלל הבחירה הנמוכה של שכבת הביניים, העלות הגבוהה והחמצון של Au-In וחומרים אחרים.

חיבור כסף מרוסק, הידוע גם כטכנולוגיית חיבור בטמפרטורה נמוכה, מבוסס על דיפוזיה של אטומי פאזה מוצקה של חלקיקי ננו-כסף או מיקרו-כסף ליצירת חיבור סינטר. בגלל טמפרטורת הסינטר הנמוכה שלו (200 ~ 300 ℃) ונקודת ההיתוך הגבוהה (961 ℃), לכסף יש יתרונות רבים, כגון מוליכות תרמית גבוהה, עמידות בפני מחזורי טמפרטורה ואמינות גבוהה של רכיבת כוח. זה הפך לבחירה המועדפת עבור חיבור שבבים בטמפרטורה גבוהה, והוא נחקר ויושם רבות [12]. עם זאת, לכסף יש גם כמה חסרונות, כגון עלות גבוהה, צבירה בטמפרטורה נמוכה של חלקיקי ננו-כסף, סינת לחץ של משחת הלחמה כסף מיקרונית, תהליך מסובך, ציפוי Ni/Au או Ni/Ag על פני השבב והמצע. , והגירה אלקטרוכימית של כסף. בהשוואה למשחת הלחמה ננו-כסף, משחת הלחמה ננו-נחושת משכה תשומת לב לאחרונה בגלל העלות הנמוכה שלה וללא סיכון מהימנות להגירה אלקטרוכימית [13]. עם זאת, חלקיקי ננו-נחושת מתחמצנים בקלות וצריכים להיות סינטרים באווירה אינרטית, מה שמגדיל את מורכבות התהליך ואת עלות הציוד, ויש לו מגבלות יישום מסוימות.

2.3  חומר אריזה מפלסטיק

הפונקציה העיקרית של חומרי אריזה מפלסטיק היא בידוד חשמלי ובידוד סביבתי, הממלא את התפקיד המגן של לחות, עמיד בפני ריסוס מלח, עמיד בפני טחב, עמיד בפני אבק, עמיד בפני התנגשות ורעידות, הימנעות קורוזיה ונזקים סביבתיים. , ובכך להבטיח את הביצועים החשמליים של רכיבים אלקטרוניים, אפילו לשפר את רמת המתח של מודולי הספק במתח גבוה, למנוע פריקת אלקטרודות ולבסוף לשפר את האמינות של מוצרים אלקטרוניים [14]. הסוגים והמאפיינים של חומרי אריזה פלסטיים מוצגים בטבלה 3. ניתן לחלק חומרי אריזה מפלסטיק לציפויים קונפורמיים, מילוי תחתון, תרכובות דפוס, תרכובות עציצים וגלובטופים [14].      

טבלה 3 סוגים ומאפיינים של חומרי אריזה פלסטיים [14]

ציפוי קונפורמי הוא סוג של ציפוי אורגני הנפוץ להגנה על פני השטח של מעגל מודפס, אשר זקוק לביצועי חיבור טובים עם מצע ורכיבים. בדרך כלל, נבחרים חומרים בעלי ספיגת מים נמוכה, חוזק דיאלקטרי גבוה, CTE מותאם ומודול אלסטי נמוך, כגון חומצה אקרילית שניתן להשתמש בה בטמפרטורה נמוכה מ-120 מעלות צלזיוס, פוליאוריטן שניתן להשתמש בו בטמפרטורה נמוכה פחות מ-165 מעלות צלזיוס, שרף אפוקסי שניתן להשתמש בו בטמפרטורה בינונית של פחות מ-200 מעלות צלזיוס, ושרף סיליקון, פארילן, בנזוציקלובוטן ופולימיד שניתן להשתמש בהם בטמפרטורה גבוהה יותר מ-250 מעלות.

כפי שמוצג באיור 3, תרכובת תת מילוי ויציקה יכולים לא רק לבודד מהסביבה הסובבת ולהפחית את מתח השדה החשמלי, אלא גם לשפר את האמינות של מוצרים ארוזים על ידי הפחתת או חלוקה מחדש של הלחץ התרמו-מכני הנגרם מחוסר התאמה של CTE [14]. לכן, חומרים התואמים ל-CTE של כל רכיב במבנה החבילה צריכים להיבחר ככל האפשר, כגון חומרים קשים עם CTE של (20~30)×10-6/K ופחות מ-20×10-6/K כמו תת מילוי ותרכובת דפוס, בהתאמה, כדי להפחית את הלחץ התרמי מכדורי הלחמה ומכל מבנה החבילה כולל כדורי הלחמה. נכון לעכשיו, תרכובת המילוי והיציקה הנפוצה ביותר היא שרף אפוקסי במילוי סיליקה.

דבק העציצים והדבק המעטפת העליון לא רק משפרים את רמת המתח נגד התמוטטות שדה חשמלי ומונעים קורוזיה ונזק של הסביבה הסובבת, אלא גם ממלאים תפקיד מסוים בתמיכה מכנית במבנה האריזה. כיום, דבק העציצים הנפוץ ביותר וחומרי דבק איטום עליון הם פוליאוריטן שניתן ליישם בטמפרטורה נמוכה של פחות מ-165 מעלות, שרף אפוקסי שניתן ליישם בטמפרטורה בינונית של פחות מ-200 מעלות וגומי סיליקון או ג'ל שניתן למרוח בטמפרטורה גבוהה של פחות מ-300℃. ביניהם, חומרים רכים כגון גומי סיליקון או ג'ל נמצאים בשימוש נרחב בגלל הקשיות והמודול הנמוכים שלהם, הפלסטיות והאלסטיות הגבוהות שלהם, שיש להם השפעה מועטה על הלחץ של רכיבי אריזה כמו שבבים וחוטי מליטה. עם זאת, לחומרים רכים כגון גומי סיליקון וג'ל יש תמיכה מכנית וביצועי הגנה גרועים. על מנת לעמוד בפני פגיעה חיצונית, ניתן לבחור חומרים קשים כגון שרף. עם זאת, לשרף יש בדרך כלל מודולוס גבוה, ולכן יש צורך לבחור חומרים עם CTE תואמים כדי למנוע לחץ תרמו-מכני מוגזם על כל מבנה האריזה.

（b）模塑料示意图

איור 3 תרשים סכמטי של תרכובת מילוי ויציקה במבנה אריזה אלקטרונית כוח [14]

2.4  מצע וחומר לוח תחתון

באופן כללי, המצע הוא מבנה סנדוויץ' של "שכבה מוליכה מתכת-שכבת בידוד-שכבה מוליכה מתכת", והשכבות המוליכות המתכתיות העליונות והתחתונות משמשות לחיבור בין השבב והמישור האחורי בהתאמה. על פי תהליך הייצור, ניתן לחלק את המצעים למצע נחושת מלוכדת ישירות (DBC), מצע נחושת מודפס ישיר (DPC), מצע אלומיניום מלוכד ישיר (DBA), מצע הלחמת מתכת פעילה, AMB), מצע מתכת מבודד (IMS) ונחושת מודפסת עם סרט עבה (TPC) וכו'.

מצע DBC הוא חיבור אוקטי בין תחמוצת נחושת קרמית ודקה על סרט נחושת, בעל ביצועים מצוינים ועלות נמוכה יחסית, והוא נמצא בשימוש נרחב באריזה אלקטרונית. עם זאת, סרט תחמוצת הנחושת בממשק הקרמי קל לדה-למינציה, וכתוצאה מכך אמינות נמוכה של מצע DBC נגד מחזורי טמפרטורה. מצע AMB מחבר מתכת וקרמיקה יחדיו על ידי הלחמת מתכת אקטיבית, שיכולה לבטל שכבת תחמוצת ולשפר את האמינות. DBA משתמש בהלחמת AlSi לחיבור לוחות אלומיניום וקרמיקה. בהשוואה לשכבת הנחושת של DBC, שכבת האלומיניום היא בעלת קשיות נמוכה יותר, יכולה לעמוד בלחץ תרמי-מכני גבוה יותר ולשפר את האמינות [15]. עם זאת, המוליכות התרמית של אלומיניום נמוכה מזו של נחושת, וביצועי פיזור החום של מצע DBA אינם טובים כמו מצע DBC. מצע IMS כולל שכבה של שרף מבודד עם מוליכות תרמית גבוהה, לוח תחתית נחושת וסרט נחושת עבה. בהשוואה ל-DBC, ל-IMB יש את היתרונות של תהליך ייצור פשוט, טמפרטורת טיפול בחום נמוכה, עלות נמוכה ואמינות גבוהה. TPC היא שכבה של משחת נחושת המודפסת על קרמיקה על ידי הדפסת מסך, אשר מושחתת ב-850 ~ 950 ℃ כדי ליצור חיבור חוזק גבוה בין סרט מתכת לקרמיקה. אמינות מחזור הטמפרטורה גבוהה, וניתן לשלב אותה מאוד עם שבבי מעגלים משולבים והתקנים פסיביים ליצירת מודול היברידי. לאחרונה הופיע גם המצע המבוסס על מסגרת עופרת עבה ושכבת בידוד דקה, אשר פשטו את מבנה המצע הרב שכבתי ושיפרו את יעילות פיזור החום [5].

בהתחשב במוליכות התרמית וב-CTE, Al2O3, Si3N4, AlN ו-BeO הם החומרים הקרמיים הנפוצים ביותר במצע. ראה טבלה 4[8,16] להשוואת הביצועים שלהם. ל-BeO יש את המוליכות התרמית הגבוהה ביותר, אך האבק בתהליך ההכנה מזיק לגוף האדם, מה שמגביל את היישום שלו. Al2O3 היא הבחירה החסכונית ביותר, אך החוזק המכני שלו בינוני והמוליכות התרמית שלו ירודה יחסית. המוליכות התרמית של AlN גבוהה מזו של Al2O3, וה-CTE מותאם טוב יותר לשבב. ל-Si3N4 אמינות רכיבה על אופניים בטמפרטורה גבוהה יותר, אך העלות שלו גבוהה יחסית [17]. באופן יחסי, אמינות השילוב של Al-AlN ו-Cu-Si3N4 גבוהה יותר, מכיוון שחומר האלומיניום לשעבר רך, מודול האלסטי שלו נמוך וקל לעיוות, מה שעלול להאט את הנזק הנגרם מלחץ תרמי לקרמיקה . ל-Si3N4 האחרון יש חוזק כיפוף וקשיחות שבר גבוהה יותר, והוא יכול לעמוד בפני הלחץ התרמי הנגרם מנחושת.

טבלה 4 מאפיינים של חומרים קרמיים במצעים [8]

חומר לוחות הבסיס הנפוץ ביותר הוא Cu. על מנת להפחית CTE ולהבטיח מוליכות תרמית גבוהה, נעשה שימוש נרחב גם בחומרים מרוכבים ממתכת כגון AlSiC, W-Cu, Mo-Cu ו-Cu-Mo-Cu. ראה טבלה 5[8] לפרמטרי הביצועים שלהם. בדרך כלל, לוח הבסיס יהיה מצופה בניקל, אשר יכול למנוע נדידה וחמצון של אטומי נחושת בטמפרטורה גבוהה ולשפר את החוזק וההתנגדות לעיוות של לוח הבסיס הנחושת.

טבלה 5 מאפייני החומר של הצלחת התחתונה [8]

על פי שיטות הרכבה שונות של שבבים ותהליכי חיבור גומלין, ניתן לחלק מבני אריזה אלקטרוניים עם חשמל לשני סוגים: אריזות הלחמה ואריזות כיווץ. מגמת הפיתוח של החבילה מוצגת באיור 4, שבו החבילה המולחמת יכולה לאמץ חיבור חוט, שבב היפוך (חיבור BGA), חיבור בין עמודי מתכת, חיבור מערך שקוע, חיבור סרט מתכת מופקד ומבנים אחרים. אריזה בלחיצה היא מבנה חיבור שנוצר על ידי לחץ מכני חיצוני. לנוחות הניתוח ההשוואתי, היתרונות והחסרונות של שיטות האריזה לעיל מפורטים בטבלה 6[18]. לחיבור חוטים יש את היתרונות של טכנולוגיה בוגרת, עלות נמוכה וחיווט גמיש. עם זאת, למודולים המחוברים חוטים יש השראות טפילית גבוהה, שיכולה לפזר חום רק מצד אחד של המטוס האחורי [18]. יתרה מכך, עקב חוסר ההתאמה של CTE בין חוט ההדבקה לשבב, נוצר לחץ תרמו-מכני גדול, אשר גורם למפרקי ההלחמה להיות מועדים לכשל עייפות, והופך לצורת הכשל העיקרית של המודול בתהליך מחזור החשמל.

איור 4 מגמת פיתוח של מבנה החבילה [5]

טבלה 6 השוואה של מבני חבילה [18]

נכון לעכשיו, מבנה האריזה האלקטרונית הכוחנית התפתח בהדרגה ממבנה האריזה הסטנדרטי של הדבקת חוטים ל-Overmold, Double-Side Bonding, Component Integration ו-3D Power Integration. על ידי הסרת מובילים, ניתן להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות, לשפר את יעילות פיזור החום ולהגביר את האינטגרציה. ביניהם, מבנה ההזרקה הוא חבילה מישורית קומפקטית, שקל לייצור מודול אצווה; מבנה חיבור דו צדדי יכול לממש פיזור חום דו צדדי ולשפר את יעילות פיזור החום; המבנה המשולב של המכשיר יכול לשלב פונקציות שונות במודול, ולשפר את מהירות המיתוג; מבנה שילוב כוח תלת מימדי מיועד לערום שבבים בכיוון האנכי, מה שיכול להפחית במידה ניכרת השראות טפילית ולשפר את ביצועי המיתוג [5]. בהשוואה לאריזה דו מימדית, לאריזה תלת מימדית יש יתרונות ברורים, כגון קיצור ניכר של מרחק הלולאה בכיוון האנכי, הפחתת השראות טפילית והפרעות אלקטרומגנטיות, הגדלת מהירות השידור, שיפור ביצועי המיתוג והפחתת אובדן הספק; זה יכול לשלב מגוון של שבבים והתקנים, כגון מעגלי כונן שער, קבלים לניתוק, גופי קירור וכו', כדי לשפר עוד יותר את צפיפות שילוב הכוח ולהפחית את נפח החבילה. עם זאת, כיום, אריזה תלת-ממדית מתמודדת עם כמה אתגרים, כגון ניהול תרמי, טכנולוגיית ייצור ותפוקה הנגרמים על ידי חיבור מחסנית שבבים, ותהליך הייצור צריך להשתפר עוד יותר [3].

3.1  חבילת הזרקה משנית

על בסיס מבנה האריזה המסורתי של חוט מליטה, מבנה האריזה הדו-שוט הוא מבנה שבו השבב מחובר ישירות למסגרת העופרת, מסירים את חוטי ההדבקה, ושרף האפוקסי משמש לאריזה בהזרקה. בהשוואה למבנה החבילה של חיבור תיל, אזור החיבור בחלק העליון של השבב בחבילת הזרקה גדל, מה שמשפר את יעילות פיזור החום. הפחתת השראות הטפילית מפחיתה את אובדן ההספק, מה שמועיל מאוד לייצור המוני מודולרי ונמצא בשימוש נרחב במיישרים של כלי רכב חשמליים.

3.2  חבילת חיבור דו צדדית

מבנה החיבור הדו-צדדי מחבר את השבב עם המצע העליון והתחתון בהתאמה, כמו מודול הכוח SKiN [20] שהוצע על ידי חברת Ximenkang ומודול הכוח SiC [21] המוצע על ידי Fuji Electric, שיכול להשיג את מטרת ההסרה חוטי מליטה. למבנה חבילת החיבור הדו-צדדית יש שני יתרונות עיקריים: (1) ביטול חיבור החוט על פני הפולט, הפחתת השראות טפילית ביעילות, חריגות מתח ואובדן הספק, ושיפור ביצועי המיתוג; (2) להבין את פיזור החום של השבב בכיוונים העליונים והתחתונים, לשפר את יעילות פיזור החום ולהפחית ביעילות את טמפרטורת הצומת של השבב, ובכך להאט את הכשל. המעבדה הלאומית אוק רידג' הציעה מודול הספק Si IGBT או SiC MOSFET עם מארז מצע DBC דו-צדדי. בהשוואה למודול קשירת חוטים מסורתי, ההשראות שלו ירדה ב-62%, הפסדי המיתוג ירדו ב-50%~90%, ויעילות פיזור החום גדלה ב-40%~50%[22].

עם זאת, למבנה החיבור הדו-צדדי יש גם כמה חסרונות. ראשית, בהשוואה למודול חיבור החוטים, למבנה החיבור הדו-צדדי יש יותר שכבות של חומרים, מה שמגביר את המורכבות של תהליך האריזה. שנית, מכיוון שה-CTE של כל שכבת חומרים שונה, אי התאמה תרמית תיצור מתח תרמי-מכני גדול יותר, מה שיפחית את האמינות של השכבה המחברת. על מנת להפחית את הלחץ התרמו-מכני, כמה מתכות התואמות את ה-CTE של השבב, כגון Mo או Cu/Mo/Cu[23], משמשות כחומרים בין השכבות. שלישית, כפי שמוצג באיור 5, בעת מימוש מודול כוח עם חיבור דו-צדדי רב-שבב עם עובי שונה, יש צורך לבצע ציפוי אלקטרוני או לחבר פיני מיקרו-מתכת פוסט או נחושת בגבהים שונים בין השבב למצע DBC, כך באשר לפתרון בעיית הפרשי הגובה הנגרמת על ידי עוביים שונים של ריבוי שבבים [6]. רביעית, הלחמה על בסיס בדיל היא חומר החיבור הנפוץ ביותר באריזת מודול. בתהליך של אריזת מודול חיבור דו צדדי, הוא זקוק בדרך כלל למספר שלבי חיבור, מה שמצריך קבוצת הלחמות עם נקודות התכה שונות, מה שמגביל את טמפרטורת השירות של המודול. לכן, במבנה חבילת החיבור הדו-צדדית, משחת הלחמה מכסף מחוטא עם מוליכות תרמית גבוהה, מוליכות חשמלית גבוהה ונקודת התכה גבוהה הפכה לבחירה המועדפת לחומרי חיבור.

איור 5 מבנה חבילת חיבור דו-צדדית [6]

3.3  אריזת מכשיר משולבת

חבילה משולבת היא התקן המשלב פונקציות מרובות במודול, כגון מעגל כונן שער משולב, קבל ניתוק, חיישן טמפרטורה, חיישן זרם ומעגל הגנה [18]. לאריזת מכשירים משולבים יש יתרונות רבים, למשל, על ידי שילוב מעגל כונן שער וקבל ניתוק, ניתן להפחית את השראות הטפילית של פס אוטובוס או מחבר חיצוני של המודול, ניתן לקצר את החיבור בין התקן החשמל לכונן השער, ניתן להפחית את השראות לולאת השער , ניתן לדכא הפרעות אלקטרומגנטיות, ניתן לשפר את ביצועי שיתוף הזרם ואת מהירות המיתוג. עם זאת, למבנה החבילה הזה יש גם כמה מגבלות. לדוגמה, מעגל כונן השער המשולב הוא בדרך כלל פשוט, והגודל הכולל, יכולת נשיאת הזרם ותדירות המיתוג של המודול מוגבלים על ידי כל התקן משולב. בנוסף, לפני שילוב המכשירים ואריזתם, יש צורך לבדוק את התנגדות הטמפרטורה של כל מכשיר, כדי למנוע שהפעולה הרגילה של המכשירים הרגישים לטמפרטורה תיפגע מכיוון שמרחק שילוב המכשיר קרוב מדי [5] .

3.4   חבילה משולבת כוח תלת מימדית

מבנה החבילה המשולב מוצג באיור 6. מבנה החבילה התלת מימד מחולק בעיקר לחבילה תלת מימדית מוערמת וחבילה תלת מימדית משובצת [24]. על בסיס חבילה דו-ממדית, היא מאמצת חיבור תיל, שבב היפוך, מיקרו בליטה, מערך רשת כדורי (BGA), דרך סיליקון ויה (TSV), הטבעת PCB וטכנולוגיות תהליך אחרות כדי לממש חיבור מוערם רב-שבבים באנכי כיוון [25

איור 6 תרשים סכמטי של מבנה חבילה משולבת תלת מימדית [6,29-31]

באריזת תלת מימד מוערמת, דרך סיליקון היא אחת הטכנולוגיות המודאגות ביותר, המשתמשות בחיבור האנכי של דרך סיליקון דרך המצע כדי לממש את החיבור החשמלי בין שבבים שונים [3]. טכנולוגיות המפתח של אריזות דרך סיליקון כוללות יצירת חור דרך סיליקון, מילוי, דילול שבבים וחיבור הדדי. שלבי הבטון הם כדלקמן: ראשית, נוצרים חורים מבעד לקידוח לייזר, תחריט יבש או תחריט רטוב, לאחר מכן ממלאים שכבת בידוד SiO2 ושכבת מוליכת נחושת על ידי שקיעת אדים כימיים, לאחר מכן מדללים שבבים באמצעות שחיקה, ולבסוף שבבים מחוברים זה לזה. על ידי חיבור או חיבור בין מתכות [29]. בהשוואה למבנה המסורתי של חיבורי העופרת הדו-ממדיים המישוריים, למבנה התלת-ממדי של חור סיליקון יש את היתרונות של גודל קטן, משקל קל, יעילות גבוהה של שימוש בפרוסות סיליקון, עיכוב אות מקוצר וצריכת חשמל מופחתת וכו'. נמצא בשימוש נרחב ברמת פרוסות תלת מימדיות, רמת מערכת ואריזות מעגלים משולבים. עם זאת, יש לו גם כמה מגבלות. ראשית, האמינות, צפיפות ההספק הגבוהה של מבנה חבילת הסיליקון, ובעיית הניהול התרמי הגדולה של השבב המרובד; שנית, העלות גבוהה, ומבנה האריזה, התהליך והבדיקה מסובכים.

חבילת תלת מימד משובצת משתמשת בחוטי נחושת ומיקרו-נקבים במקום חוט מליטה, ומטביעה את השבב ברבד PCB, מה שיכול להפחית את הנפח, לשפר את האמינות ולהקל על שילוב המערכת [3]. האתגר הגדול ביותר של מבנה זה הוא התכונות התרמו-מכניות הירודות שלו, המוגבלת על ידי הלחץ התרמו-מכני הנגרם מטמפרטורת מעבר זכוכית נמוכה ו-CTE גבוה של חומרי PCB מסורתיים, וטמפרטורת השירות שלו נמוכה [18]. בנוסף, חוזק הקילוף של לרבד FR4-PCB נמוך, בערך 0.9 ~ 1.25 N/mm. בהשוואה למצע DBC, ההספק המדורג של המודול המוטבע ב-PCB נמוך [3].

בנוסף לחיבור הריתוך הנ"ל, ניתן ליצור מארז תלת-ממדי גם באמצעות לחיצה. מקרה טיפוסי מוצג באיור 7, שהוא דיאגרמת המבנה הפנימי של מודול לחיצה IGBT מסוג Westcode [32]. הרכיבים מחוברים פיזית באמצעות לחץ מכני חיצוני במקום באמצעות מוליכים, הלחמה או סינטור. עם מבנה פשוט, עלות נמוכה ואמינות גבוהה, הוא נמצא בשימוש נרחב ברשתות חשמל במתח גבוה ובזרם גבוה. עם זאת, במודול ה-crimping, הממדים הפנימיים של המודול, השטיחות ואיכות פני השטח של כל רכיב נדרשים להיות גבוהים, והמוליכות התרמית והמוליכות החשמלית של המפרק מושפעות מאוד מהלחץ והאחידות. יש צורך לבחור את לחץ ההידוק המתאים כדי להבטיח את התנגדות המגע וההתנגדות התרמית הקטנה יותר, אך הוא יושפע בהכרח מחספוס פני השטח ועיוות מבני. מבני חיץ אלסטיים וחומרים עם CTE קטן, כגון אטמי Mo או Be ולוחות קפיצים, מוכנסים לעתים קרובות למבנה המתכווץ כדי להשוות לחץ, להפחית מתח תרמו-מכני ולשפר את האמינות.

איור 7 מבנה פנימי של מודול לחיצה IGBT ב-Sima [6,32]

חומרי המפתח, טכנולוגיית החיבור ועיצוב המבנה של אריזות כוח מתפתחים בהדרגה בכיוון של הסרת לידים, שיפור ביצועי פיזור חום, הגדלת צפיפות האינטגרציה וכו', כדי לעמוד ביישום האמין בסביבות טמפרטורה גבוהה, מתח גבוה ותדר גבוה. עם הפופולריות והיישום של מכשירי המוליכים למחצה מהדור השלישי, חומרי חיבור של משחת הלחמה מכסף סנטף, סיליקון באמצעות טכנולוגיה, מבנה אריזה משולב תלת מימדי וכו' הם המגמות העיקריות בעתיד, ואני מאמין שסיכויי היישום שלהם אינסופיים.

כתב ויתור: מאמר זה משוכפל מתוך "אלקטרוניקה ואריזות". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, ואינו מייצג את דעותיהם של Sacco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. נא לציין את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפיסה המחודשת. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.