abstrak:Pengemasan elektronik daya tradisional terutama didasarkan pada teknologi pengemasan planar dua dimensi seperti sambungan solder dan pengikatan kawat, yang tidak dapat memenuhi penerapan perangkat semikonduktor generasi ketiga yang andal pada frekuensi tinggi, tegangan tinggi, dan suhu tinggi. Untuk mengatasi masalah ini, kemasan planar dua dimensi secara bertahap berkembang menjadi kemasan terintegrasi tiga dimensi. Kemajuan penelitian bahan utama dan desain struktur dalam teknologi pengemasan elektronik daya dirangkum dan diprospek. Bahan penghubung secara bertahap berkembang dari solder berbasis timah menjadi solder berbasis emas, bahan penghubung fase cair sementara, perak sinter dan bahan lainnya dengan konduktivitas termal tinggi dan ketahanan suhu tinggi, dan teknologi penghubung secara bertahap berkembang dari ikatan kawat menjadi ikatan ganda. pendinginan sisi, integrasi perangkat, dan interkoneksi laminasi vertikal. Kinerja sakelar ditingkatkan dengan menghilangkan kabel, kepadatan daya ditingkatkan dengan mengintegrasikan berbagai chip dan perangkat, dan efisiensi pembuangan panas ditingkatkan dengan pendinginan dua sisi. Kemasan terintegrasi tiga dimensi memiliki potensi pasar yang besar dan akan menjadi salah satu tren perkembangan utama di masa depan.

kata kunci:Kemasan elektronik; Bahan pengemas; Struktur pengemasan; Kemasan tiga dimensi; Perak yang disinter; Silikon melalui lubang

Proyek dana:Proyek Komisi Sains dan Teknologi Shenzhen（JCYJ20180508161601937）

Perangkat elektronika daya berkembang menuju aplikasi frekuensi tinggi, kepadatan tinggi, daya tinggi, dan suhu tinggi [1]. Saat ini perangkat berbasis silikon (Si) masih mendominasi. Namun, karena karakteristik material, frekuensi peralihan, suhu pengoperasian, dan kepadatan daya perangkat berbasis silikon terbatas. Dibandingkan dengan perangkat berbasis silikon tradisional, semikonduktor generasi ketiga seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) semakin banyak digunakan dalam aplikasi tegangan tinggi, suhu tinggi, dan frekuensi tinggi seperti komunikasi nirkabel, listrik. kendaraan dan ruang angkasa karena tegangan tembusnya yang lebih tinggi, celah pita yang lebih lebar, konduktivitas termal yang lebih tinggi, dan kehilangan daya yang lebih rendah [2-3]. Namun, pada saat yang sama, perkembangan pesat perangkat semikonduktor generasi ketiga telah menuntut persyaratan yang lebih ketat pada teknologi pengemasan.

Teknologi pengemasan adalah proses menghubungkan dan memasang chip dengan substrat pembawa, mengeluarkan pin, dan mencetaknya menjadi perangkat atau modul daya utuh, yang terutama berperan sebagai sambungan listrik, dukungan dan perlindungan struktural, serta menyediakan pembuangan panas. [4]. Sebagai inti integrasi modul, bahan pengemasan, proses, dan struktur secara langsung memengaruhi karakteristik interferensi termal, listrik, dan elektromagnetik dari modul daya. Saat ini, teknologi pengemasan yang matang terutama didasarkan pada bahan penghubung seperti lem perak atau solder berbahan dasar timah, dan struktur pengemasan seperti sambungan timbal, yang memiliki ketahanan suhu tinggi dan tekanan tinggi yang buruk, masalah kompatibilitas elektromagnetik yang menonjol, dan tidak dapat Memberikan cara pembuangan panas yang efisien. Baru-baru ini, bahan interkoneksi perak sinter, struktur paket terintegrasi tiga dimensi, dll. memiliki ketahanan suhu tinggi yang sangat baik dan konduktivitas termal yang tinggi, yang dapat mencapai pembuangan panas dua sisi dan sangat mengurangi kerugian peralihan, membuat modul daya memiliki karakteristik termal dan listrik yang baik dan keandalan, dan telah mendapatkan lebih banyak penelitian dan perhatian. Diharapkan dapat memenuhi penerapan perangkat semikonduktor generasi ketiga yang andal di bidang suhu tinggi, tegangan tinggi, dan frekuensi tinggi. Dalam makalah ini, kemajuan penelitian terbaru dari bahan kemasan elektronik daya dan desain struktur dirangkum dan diprospek.

Struktur paket modul daya tipikal ditunjukkan pada Gambar 1, yang terdiri dari chip daya, bahan penghubung, kabel pengikat, substrat keramik, pelat bawah, bahan pot, cangkang, dan terminal daya [3,5]. Sifat termal, listrik, mekanik, dan kimia setiap bahan kemasan berbeda-beda, sehingga perlu mempertimbangkan sifat masing-masing bahan secara komprehensif untuk memilih kinerja terbaik dari keseluruhan modul daya.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

Tren perkembangan bahan dan teknologi pengemasan utama seperti pengikatan chip, sambungan dan substrat ditunjukkan pada Gambar 2. Teknologi penyambungan berkembang mulai dari mengikat kabel ke pita, pilar tembaga, rangka timah dan melapisi lubang, dll. Dengan menghilangkan kabel dan meningkatkan area sambungan, konduktivitas termal dan listrik ditingkatkan. Bahan pengikat untuk chip telah berkembang dari penyolderan tradisional menjadi penyolderan suhu tinggi berbasis emas, ikatan fase cair sementara, perak sinter dan tembaga sinter, dll., yang sangat meningkatkan konduktivitas termal dan listrik serta memenuhi suhu tinggi dan dapat diandalkan aplikasi. Substrat berkembang ke arah penebalan lapisan konduktif logam dan konduktif termal dari substrat keramik, sehingga meningkatkan efisiensi pembuangan panas [5].

Gambar 2 Tren perkembangan bahan dan teknologi pengemasan seperti sambungan, substrat, dan pengikatan chip [5]

2.1  bahan chip

Parameter kinerja bahan semikonduktor yang umum digunakan ditunjukkan pada Tabel 1 [6-7]. Karena teknologinya yang matang dan biayanya yang rendah, Si banyak digunakan di berbagai perangkat diskrit dan sirkuit terpadu, teknik jaringan informasi elektronik, dan bidang lainnya. Dibandingkan dengan Si, GaAs memiliki karakteristik celah pita lebar dan mobilitas elektron tinggi, yang secara signifikan dapat mengurangi ukuran RF dan konsumsi daya, dan banyak digunakan pada perangkat berdaya rendah di bidang RF, komunikasi nirkabel, dan optoelektronik. SiC dan GaN memiliki celah pita yang lebih besar, tidak mudah menyerap energi radiasi termal dan melompat ke pita konduksi ketika bekerja pada suhu tinggi, dan memiliki kekuatan medan tembus yang lebih tinggi, sehingga semikonduktor celah pita lebar SiC dan GaN lebih cocok untuk suhu tinggi dan tinggi. tegangan kali lebih besar dari Si. SiC memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi, kapasitas pembuangan panas yang lebih baik, mobilitas pembawa yang lebih tinggi, kepadatan arus yang lebih tinggi, dan ketahanan suhu dan tegangan tinggi yang tinggi, sehingga sering digunakan sebagai perangkat listrik, yang memiliki keunggulan jelas di bidang daya tinggi dengan tegangan 600 V ke atas, dan banyak digunakan di bidang kendaraan energi baru dan peralatan listrik. GaN memiliki mobilitas elektron dan kecepatan pembawa yang lebih cepat, parameter resistansi dan parasit yang lebih kecil pada tegangan tinggi, dan memiliki keunggulan yang jelas terhadap frekuensi radio berdaya tinggi. GaN terutama digunakan dalam bidang RF gelombang mikro seperti komunikasi 5G dan komunikasi satelit, bidang elektronika daya seperti pengisian cepat elektronik konsumen dan kendaraan energi baru, dan bidang optoelektronik LED karena kepadatan dayanya yang tinggi, konsumsi energi yang rendah, frekuensi tinggi dan lebih luas. lebar pita. Mirip dengan SiC, teknologi GaN saat ini masih dalam tahap perkembangan pesat, dan biayanya relatif tinggi.

Tabel 1 Sifat Bahan Chip Semikonduktor [6]

2.2  Bahan pengikat chip

Solder paduan SnPb, seperti Sn63Pb37, telah banyak digunakan dalam bahan pengikat chip karena sifatnya yang sangat baik, seperti modulus geser rendah, keterbasahan tinggi, keuletan, sifat termo-mekanis, dan keandalan. Namun, SnPb tidak memenuhi standar bebas timah RoHS UE, dan titik lelehnya rendah (sekitar 180℃). Oleh karena itu, bahan pengikat chip baru diperlukan untuk memenuhi persyaratan pencocokan koefisien ekspansi termal (CTE) dan ketahanan suhu tinggi pada struktur dan bahan kemasan.Saat ini, bahan pengikat chip yang paling banyak digunakan ditunjukkan pada Tabel 2 [8]. Pasta perak konduktif terutama terdiri dari matriks resin, partikel konduktif (terutama bubuk perak), aditif pendispersi dan aditif, dll. Konduktivitas listrik dan konduktivitas termalnya relatif rendah, dan suhu transisi gelasnya sekitar 100~150℃, yang terbatas. di bidang pengemasan chip suhu tinggi dan tekanan tinggi. Dibandingkan dengan solder SnPb, solder bebas timbal, seperti SnAg atau SnAgCu, umumnya memiliki kandungan Sn lebih tinggi dari 90% dan titik leleh lebih tinggi (sekitar 220℃). Dalam proses pemadatan, derajat pendinginan bawah lebih tinggi, dan mudah untuk membentuk struktur dendritik kasar dan senyawa intermetalik, yang tersebar tidak merata, sehingga melemahkan ketahanan mulurnya. Selain itu, paduan SnAgCu memiliki modulus elastisitas yang tinggi, dan CTE-nya sangat berbeda dengan chip dan substrat. Di bawah aksi beban siklus termal, mudah menyebabkan kerusakan kelelahan dan menyebabkan terkelupasnya sambungan solder, yang mengurangi keandalan sambungan solder [9].

Tabel 2 Sifat bahan pengikat mati [8]

Bahan pengikat suhu tinggi untuk chip, seperti solder paduan eutektik berbasis emas seperti AuSn atau AuGe, memiliki titik leleh tinggi (lebih besar dari 280℃), konduktivitas termal dan konduktivitas listrik, dan mudah untuk mewujudkan pematrian tanpa solder. Namun, kandungan emas dalam solder berbahan dasar emas umumnya tinggi dan biayanya tinggi, dan karena kerapuhan fase komponen yang tinggi, hal ini menyebabkan kerugian berupa pemrosesan yang sulit, hasil yang rendah, dan kinerja produk yang buruk, yang berdampak serius pada solder tersebut. aplikasi luas di bidang pengemasan elektronik daya [10].

Ikatan fase cair sementara (TLPB) adalah suatu proses di mana lapisan perantara (seperti In dan Sn) dengan titik leleh lebih rendah ditambahkan ke bahan dasar yang digabungkan (seperti Cu, Au, Ag dan Ni) dengan titik leleh lebih tinggi, dan lapisan perantara dan beberapa bahan dasar dicairkan dan dipadatkan kembali dengan pemanasan, sehingga padatan dan cairan saling berdifusi membentuk suatu sambungan. Dengan memilih material dan proses yang sesuai, ikatan fase cair transien dapat membentuk sambungan dengan kinerja yang sangat baik, seperti kekuatan ikatan yang lebih besar dari 60 MPa[11]. Namun, penerapan koneksi fase cair transien dalam interkoneksi chip suhu tinggi sangat terbatas karena rendahnya pilihan lapisan perantara, biaya tinggi dan oksidasi Au-In dan bahan lainnya.

Interkoneksi perak sinter, juga dikenal sebagai teknologi sambungan suhu rendah, didasarkan pada difusi atom fase padat partikel nano-perak atau mikro-perak untuk membentuk sambungan sinter. Karena suhu sinteringnya yang rendah (200~300℃) dan titik leleh yang tinggi (961℃), perak memiliki banyak keunggulan, seperti konduktivitas termal yang tinggi, ketahanan terhadap siklus suhu, dan keandalan siklus daya yang tinggi. Ini telah menjadi pilihan utama untuk interkoneksi chip suhu tinggi, dan telah dipelajari dan diterapkan secara luas [12]. Namun, sintering perak juga memiliki beberapa kelemahan, seperti biaya tinggi, aglomerasi partikel nano-perak pada suhu rendah, sintering tekanan pasta solder perak mikron, proses yang rumit, pelapisan Ni/Au atau Ni/Ag pada permukaan chip dan substrat. , dan migrasi elektrokimia perak. Dibandingkan dengan pasta solder nano-perak, pasta solder nano-tembaga telah menarik perhatian baru-baru ini karena biayanya yang lebih rendah dan tidak ada risiko keandalan migrasi elektrokimia [13]. Namun, partikel nano-tembaga mudah teroksidasi dan perlu disinter dalam atmosfer inert, yang meningkatkan kompleksitas proses dan biaya peralatan, serta memiliki keterbatasan penerapan tertentu.

2.3  Bahan kemasan plastik

Fungsi utama bahan kemasan plastik adalah isolasi listrik dan isolasi lingkungan, yang berperan sebagai pelindung tahan lembab, tahan semprotan garam, tahan jamur, tahan debu, tahan benturan dan tahan getaran, menghindari korosi dan kerusakan lingkungan. , sehingga menjamin kinerja kelistrikan komponen elektronik, bahkan meningkatkan level tegangan modul daya tegangan tinggi, menghindari pelepasan elektroda, dan akhirnya meningkatkan keandalan produk elektronik [14]. Jenis dan sifat bahan kemasan plastik ditunjukkan pada Tabel 3. Bahan kemasan plastik dibedakan menjadi Conformal Coatings, Underfills, Moulding Compounds, Potting Compounds dan globtops [14].      

Tabel 3 Jenis dan sifat bahan kemasan plastik [14]

Pelapisan konformal adalah sejenis pelapis organik yang biasa digunakan untuk perlindungan permukaan sirkuit cetak, yang memerlukan kinerja sambungan yang baik dengan substrat dan komponen. Umumnya dipilih bahan dengan daya serap air rendah, kekuatan dielektrik tinggi, CTE cocok, dan modulus elastisitas rendah, seperti asam akrilat yang dapat digunakan pada suhu rendah kurang dari 120℃, poliuretan yang dapat digunakan pada suhu rendah kurang dari 165℃, resin epoksi yang dapat digunakan pada suhu sedang kurang dari 200℃, dan resin silikon, parilena, benzosiklobutena, dan polimida yang dapat digunakan pada suhu tinggi lebih dari 250℃.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, senyawa underfill dan molding tidak hanya dapat mengisolasi dari lingkungan sekitar dan mengurangi tegangan medan listrik, namun juga meningkatkan keandalan produk yang dikemas dengan mengurangi atau mendistribusikan kembali tegangan termo-mekanis yang disebabkan oleh ketidaksesuaian CTE [14]. Oleh karena itu, material yang cocok dengan CTE setiap komponen dalam struktur kemasan harus dipilih sebanyak mungkin, seperti material keras dengan CTE (20~30)×10-6/K dan kurang dari 20×10-6/K sebagai senyawa underfill dan molding, masing-masing, untuk mengurangi tekanan termal dari bola solder dan seluruh struktur paket termasuk bola solder. Saat ini, senyawa underfill dan molding yang paling umum digunakan adalah resin epoksi yang diisi silika.

Lem pot dan lem enkapsulasi atas tidak hanya meningkatkan tingkat tegangan terhadap kerusakan medan listrik dan menghindari korosi dan kerusakan lingkungan sekitar, tetapi juga memainkan peran tertentu dalam dukungan mekanis pada struktur kemasan. Saat ini, bahan lem pot dan lem penyegel atas yang paling umum digunakan adalah poliuretan yang dapat diaplikasikan pada suhu rendah kurang dari 165℃, resin epoksi yang dapat diaplikasikan pada suhu sedang kurang dari 200℃, dan karet silikon atau gel yang dapat diaplikasikan pada suhu tinggi kurang dari 300℃. Diantaranya, bahan lunak seperti karet silikon atau gel banyak digunakan karena kekerasan dan modulusnya yang rendah, plastisitas dan elastisitasnya yang tinggi, yang memiliki pengaruh yang kecil terhadap tegangan komponen kemasan seperti keripik dan kabel pengikat. Namun, bahan lunak seperti karet silikon dan gel memiliki kinerja dukungan dan perlindungan mekanis yang buruk. Untuk menahan benturan luar, bahan keras seperti resin dapat dipilih. Namun resin biasanya memiliki modulus yang tinggi, sehingga perlu dipilih bahan dengan CTE yang cocok untuk menghindari tekanan termo-mekanis yang berlebihan pada keseluruhan struktur kemasan.

（b）模塑料示意图

Gambar 3 Diagram skema senyawa underfill dan cetakan dalam struktur kemasan elektronik daya [14]

2.4  Bahan substrat dan pelat bawah

Secara umum, substrat adalah struktur sandwich dari "lapisan konduktif logam-lapisan insulasi-lapisan konduktif logam", dan lapisan konduktif logam atas dan bawah masing-masing digunakan untuk interkoneksi chip dan bidang belakang. Menurut proses pembuatannya, media dapat dibagi menjadi substrat Tembaga Berikat Langsung (DBC), substrat Tembaga Cetak Langsung (DPC), substrat Aluminium Berikat Langsung (DBA), substrat Pemateri Logam Aktif, AMB), Substrat Logam Terisolasi (IMS) dan Tembaga Cetak Film Tebal (TPC), dll.

Substrat DBC adalah sambungan eutektik antara keramik dan oksida tembaga tipis pada film tembaga, yang memiliki kinerja sangat baik dan biaya yang relatif rendah, dan banyak digunakan dalam kemasan elektronika daya. Namun, film oksida tembaga pada antarmuka keramik mudah mengalami delaminasi, sehingga menyebabkan rendahnya keandalan substrat DBC terhadap siklus suhu. Substrat AMB menghubungkan logam dan keramik bersama-sama dengan mematri logam aktif, yang dapat menghilangkan lapisan oksida dan meningkatkan keandalan. DBA menggunakan pematrian AlSi untuk menyambung pelat aluminium dan keramik. Dibandingkan dengan lapisan tembaga DBC, lapisan aluminium memiliki kekerasan yang lebih rendah, dapat menahan tekanan termal-mekanis yang lebih tinggi dan meningkatkan keandalan [15]. Namun, konduktivitas termal aluminium lebih rendah dibandingkan tembaga, dan kinerja pembuangan panas substrat DBA tidak sebaik substrat DBC. Substrat IMS mencakup lapisan resin isolasi dengan konduktivitas termal tinggi, pelat bawah tembaga, dan film tembaga tebal. Dibandingkan dengan DBC, IMB memiliki keunggulan proses pembuatan yang sederhana, suhu perlakuan panas yang rendah, biaya rendah dan keandalan yang tinggi. TPC adalah lapisan pasta tembaga yang dicetak pada keramik dengan sablon, yang disinter pada suhu 850~950℃ untuk membentuk sambungan berkekuatan tinggi antara film logam dan keramik. Keandalan siklus suhu tinggi, dan dapat sangat terintegrasi dengan chip sirkuit terintegrasi dan perangkat pasif untuk membentuk modul hybrid. Baru-baru ini, substrat berdasarkan kerangka timah tebal dan lapisan insulasi tipis juga muncul, yang menyederhanakan struktur substrat multilayer dan meningkatkan efisiensi pembuangan panas [5].

Mengingat konduktivitas termal dan CTE, Al2O3, Si3N4, AlN dan BeO adalah bahan keramik yang paling umum digunakan dalam substrat. Lihat Tabel 4[8,16] untuk perbandingan kinerjanya. BeO memiliki konduktivitas termal tertinggi, namun debu dalam proses persiapan berbahaya bagi tubuh manusia, sehingga membatasi penerapannya. Al2O3 adalah pilihan yang paling ekonomis, namun kekuatan mekaniknya sedang dan konduktivitas termalnya relatif buruk. Konduktivitas termal AlN lebih tinggi dibandingkan Al2O3, dan CTE lebih cocok dengan chip. Si3N4 memiliki keandalan siklus suhu yang lebih tinggi, namun biayanya relatif tinggi [17]. Secara relatif, keandalan kombinasi Al-AlN dan Cu-Si3N4 lebih tinggi, karena bahan bekas aluminium lunak, modulus elastisitasnya rendah, dan mudah berubah bentuk, sehingga dapat memperlambat kerusakan akibat tekanan termal pada keramik. . Si3N4 yang terakhir memiliki kekuatan lentur dan ketangguhan patah yang lebih tinggi, serta dapat menahan tekanan termal yang disebabkan oleh tembaga.

Tabel 4 Sifat Bahan Keramik pada Substrat [8]

Bahan pelat dasar yang paling umum digunakan adalah Cu. Untuk mengurangi CTE dan memastikan konduktivitas termal yang tinggi, material komposit logam seperti AlSiC, W-Cu, Mo-Cu dan Cu-Mo-Cu juga banyak digunakan. Lihat Tabel 5[8] untuk parameter kinerjanya. Umumnya pelat dasar akan dilapisi dengan nikel, yang dapat mencegah migrasi dan oksidasi atom tembaga pada suhu tinggi serta meningkatkan kekuatan dan ketahanan deformasi pelat dasar tembaga.

Tabel 5 Sifat Material Pelat Bawah [8]

Menurut metode perakitan chip dan proses interkoneksi yang berbeda, struktur pengemasan elektronik daya dapat dibagi menjadi dua jenis: pengemasan solder dan pengemasan crimping. Tren perkembangan paket ditunjukkan pada Gambar 4, di mana paket yang disolder dapat mengadopsi ikatan kawat, chip flip (interkoneksi BGA), interkoneksi pilar logam, interkoneksi susunan tersembunyi, interkoneksi film logam yang disimpan, dan struktur lainnya. Pengemasan press-on adalah struktur interkoneksi yang dibentuk oleh tekanan mekanis eksternal. Untuk memudahkan analisis perbandingan, kelebihan dan kekurangan metode pengemasan di atas tercantum pada Tabel 6[18]. Ikatan kawat memiliki keunggulan teknologi yang matang, biaya rendah dan kabel yang fleksibel. Namun, modul berikat kawat memiliki induktansi parasit yang tinggi, yang hanya dapat menghilangkan panas dari satu sisi bidang belakang [18]. Selain itu, karena ketidaksesuaian CTE antara kawat pengikat dan chip, timbul tegangan termo-mekanis yang besar, yang membuat sambungan solder rentan terhadap kegagalan kelelahan, dan menjadi bentuk kegagalan utama modul dalam proses siklus daya.

Gambar 4 Tren perkembangan struktur paket [5]

Tabel 6 Perbandingan struktur paket [18]

Saat ini, struktur pengemasan elektronik daya telah berkembang secara bertahap dari struktur pengemasan standar ikatan kawat tradisional menjadi Overmold, Ikatan Dua Sisi, Integrasi Komponen, dan Integrasi Daya 3D. Dengan menghilangkan kabel, interferensi elektromagnetik dapat dikurangi, efisiensi pembuangan panas dapat ditingkatkan, dan integrasi dapat ditingkatkan. Diantaranya, struktur cetakan injeksi adalah paket planar kompak, yang memudahkan produksi modul batch; Struktur koneksi dua sisi dapat mewujudkan pembuangan panas dua sisi dan meningkatkan efisiensi pembuangan panas; Struktur perangkat yang terintegrasi dapat mengintegrasikan berbagai fungsi dalam modul, dan meningkatkan kecepatan peralihan; Struktur integrasi daya tiga dimensi adalah menumpuk chip dalam arah vertikal, yang dapat sangat mengurangi induktansi parasit dan meningkatkan kinerja peralihan [5]. Dibandingkan dengan kemasan dua dimensi, kemasan tiga dimensi memiliki keunggulan yang jelas, seperti memperpendek jarak loop dalam arah vertikal, mengurangi induktansi parasit dan interferensi elektromagnetik, meningkatkan kecepatan transmisi, meningkatkan kinerja peralihan dan mengurangi kehilangan daya; Ini dapat mengintegrasikan berbagai chip dan perangkat, seperti sirkuit penggerak gerbang, kapasitor decoupling, heat sink, dll., untuk lebih meningkatkan kepadatan integrasi daya dan mengurangi volume paket. Namun, saat ini, pengemasan 3D juga menghadapi beberapa tantangan, seperti manajemen termal, teknologi produksi dan hasil yang disebabkan oleh interkoneksi tumpukan chip, dan proses produksinya perlu ditingkatkan lebih lanjut [6,19].

3.1  Paket cetakan injeksi sekunder

Berdasarkan struktur pengemasan ikatan kawat tradisional, struktur pengemasan dua-shot adalah struktur di mana chip diikat langsung ke rangka timah, kabel pengikat dilepas, dan resin epoksi digunakan untuk pengemasan injeksi. Dibandingkan dengan struktur paket ikatan kawat, area sambungan di bagian atas chip dalam paket cetakan injeksi meningkat, yang meningkatkan efisiensi pembuangan panas. Pengurangan induktansi parasit mengurangi kehilangan daya, yang sangat bermanfaat untuk produksi massal modular dan banyak digunakan dalam penyearah kendaraan listrik.

3.2  Paket koneksi dua sisi

Struktur koneksi dua sisi menghubungkan chip dengan substrat atas dan bawah, seperti modul daya SKiN [20] yang diusulkan oleh Perusahaan Ximenkang dan modul daya SiC [21] yang diusulkan oleh Fuji Electric, yang dapat mencapai tujuan menghilangkan kabel pengikat. Struktur paket sambungan dua sisi memiliki dua keuntungan utama: (1) menghilangkan ikatan kawat pada permukaan emitor, secara efektif mengurangi induktansi parasit, kelebihan tegangan dan kehilangan daya, serta meningkatkan kinerja peralihan; (2) Sadarilah pembuangan panas chip ke arah atas dan bawah, tingkatkan efisiensi pembuangan panas, dan secara efektif kurangi suhu persimpangan chip, sehingga memperlambat kegagalan. Laboratorium Nasional Oak Ridge mengusulkan modul daya IGBT Si atau MOSFET SiC dengan paket substrat DBC dua sisi. Dibandingkan dengan modul pengikat kawat tradisional, induktansinya berkurang 62%, rugi-rugi switching berkurang 50%~90%, dan efisiensi pembuangan panas meningkat 40%~50%[22].

Namun, struktur sambungan dua sisi juga memiliki beberapa kelemahan. Pertama, dibandingkan dengan modul pengikatan kawat, struktur sambungan dua sisi memiliki lebih banyak lapisan bahan, sehingga meningkatkan kompleksitas proses pengemasan. Kedua, karena CTE setiap lapisan material berbeda, ketidaksesuaian termal akan menghasilkan tekanan termal-mekanis yang lebih besar, yang akan mengurangi keandalan lapisan penghubung. Untuk mengurangi tegangan termo-mekanis, beberapa logam yang cocok dengan CTE chip, seperti Mo atau Cu/Mo/Cu[23], digunakan sebagai bahan interlayer. Ketiga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, ketika merealisasikan modul daya dengan koneksi dua sisi multi-chip dengan ketebalan berbeda, perlu untuk melapisi atau menyambungkan Micro-Metal Post atau pin tembaga dengan ketinggian berbeda antara chip dan substrat DBC, sehingga untuk mengatasi masalah perbedaan ketinggian yang disebabkan oleh perbedaan ketebalan multi-chip [6]. Keempat, solder berbahan dasar timah merupakan bahan interkoneksi yang paling umum digunakan dalam kemasan modul. Dalam proses pengemasan modul sambungan dua sisi, biasanya diperlukan beberapa langkah penyambungan, yang memerlukan sekelompok solder dengan titik leleh berbeda, yang membatasi suhu servis modul. Oleh karena itu, dalam struktur paket sambungan dua sisi, pasta solder perak sinter dengan konduktivitas termal yang tinggi, konduktivitas listrik yang tinggi, dan titik leleh yang tinggi telah menjadi pilihan utama untuk bahan interkoneksi.

Gambar 5 Struktur paket koneksi dua sisi [6]

3.3  Kemasan perangkat terintegrasi

Paket terintegrasi adalah perangkat yang mengintegrasikan beberapa fungsi dalam suatu modul, seperti rangkaian penggerak gerbang terintegrasi, kapasitor decoupling, sensor suhu, sensor arus, dan rangkaian proteksi [18]. Pengemasan perangkat terintegrasi memiliki banyak keuntungan, misalnya dengan mengintegrasikan rangkaian penggerak gerbang dan kapasitor decoupling, induktansi parasit pada batang bus atau konektor eksternal modul dapat dikurangi, koneksi antara perangkat daya dan penggerak gerbang dapat dipersingkat, induktansi loop gerbang dapat dikurangi. , interferensi elektromagnetik dapat ditekan, kinerja pembagian arus dan kecepatan peralihan dapat ditingkatkan. Namun, struktur paket ini juga memiliki beberapa keterbatasan. Misalnya, rangkaian penggerak gerbang terintegrasi umumnya sederhana, dan ukuran keseluruhan, daya dukung arus, dan frekuensi peralihan modul dibatasi oleh masing-masing perangkat terintegrasi. Selain itu, sebelum perangkat diintegrasikan dan dikemas, perlu dilakukan pengecekan ketahanan suhu masing-masing perangkat, untuk menghindari pengoperasian normal perangkat yang sensitif terhadap suhu akan terpengaruh karena jarak integrasi perangkat terlalu dekat [5] .

3.4   Paket terintegrasi daya tiga dimensi

Struktur paket terintegrasi ditunjukkan pada Gambar 6. Struktur paket tiga dimensi terutama dibagi menjadi paket tiga dimensi bertumpuk dan paket tiga dimensi tertanam [24]. Berdasarkan paket dua dimensi, ia mengadopsi ikatan kawat, chip flip, micro bump, Ball Grid Array (BGA), Through Silicon Via (TSV), penyematan PCB, dan teknologi proses lainnya untuk mewujudkan interkoneksi bertumpuk multi-chip secara vertikal. arah [25

Gambar 6 Diagram skema struktur paket terintegrasi tiga dimensi [6,29-31]

Dalam kemasan 3D bertumpuk, vias silikon tembus adalah salah satu teknologi yang paling diperhatikan, yang menggunakan interkoneksi vertikal vias silikon tembus melalui substrat untuk mewujudkan interkoneksi listrik antara chip yang berbeda [28]. Teknologi utama pengemasan silikon tembus mencakup pembentukan lubang silikon tembus, pengisian, penipisan chip, dan interkoneksi. Tahapan konkritnya adalah sebagai berikut: pertama, lubang tembus dibentuk dengan pengeboran laser, etsa kering atau etsa basah, kemudian lapisan isolasi SiO2 dan lapisan konduktif tembaga diisi dengan pengendapan uap kimia, kemudian serpihan ditipiskan dengan cara digiling, dan terakhir serpihan tersebut saling berhubungan. dengan mengikat atau mengikat antar logam [29]. Dibandingkan dengan struktur interkoneksi timbal dua dimensi planar tradisional, struktur tiga dimensi silikon melalui lubang memiliki keunggulan ukuran kecil, ringan, efisiensi tinggi penggunaan wafer silikon, penundaan sinyal yang lebih pendek dan pengurangan konsumsi daya, dll., dan banyak digunakan dalam level wafer tiga dimensi, level sistem dan pengemasan sirkuit terpadu. Namun, hal ini juga memiliki beberapa keterbatasan. Pertama, keandalan, kepadatan daya yang tinggi dari struktur paket silikon tembus, dan masalah manajemen termal yang besar dari chip yang dilaminasi; Kedua, biayanya tinggi, dan struktur pengemasan, proses, dan pengujiannya rumit.

Paket 3D tertanam menggunakan kawat tembaga dan mikropori sebagai pengganti kawat pengikat, dan menyematkan chip dalam laminasi PCB, yang dapat mengurangi volume, meningkatkan keandalan, dan memfasilitasi integrasi sistem [30]. Tantangan terbesar dari struktur ini adalah sifat termo-mekanisnya yang buruk, yang dibatasi oleh tekanan termo-mekanis yang disebabkan oleh suhu transisi kaca yang rendah dan CTE yang tinggi pada bahan PCB tradisional, serta suhu layanannya yang rendah [18]. Selain itu, kekuatan kupas laminasi FR4-PCB rendah, sekitar 0.9 ~ 1.25 N/mm. Dibandingkan dengan substrat DBC, daya pengenal modul yang tertanam dalam PCB rendah [3].

Selain sambungan pengelasan di atas, paket tiga dimensi juga dapat dibentuk dengan crimping. Contoh kasusnya ditunjukkan pada Gambar 7, yaitu diagram struktur internal modul crimping IGBT Westcode [32]. Komponen-komponennya dihubungkan secara fisik melalui tekanan mekanis eksternal, alih-alih kabel, penyolderan, atau sintering. Dengan struktur yang sederhana, biaya rendah, dan keandalan yang tinggi, modul ini telah banyak digunakan dalam jaringan listrik tegangan tinggi dan arus tinggi. Namun, dalam modul crimping, dimensi internal modul, kerataan dan kualitas permukaan setiap komponen harus tinggi, dan konduktivitas termal serta konduktivitas listrik sambungan sangat dipengaruhi oleh tekanan dan keseragaman. Penting untuk memilih tekanan penjepitan yang tepat untuk memastikan resistansi kontak dan ketahanan termal yang lebih kecil, namun hal ini pasti akan dipengaruhi oleh kekasaran permukaan dan deformasi struktural. Struktur penyangga elastis dan material dengan CTE kecil, seperti gasket Mo atau Be dan pelat pegas, sering kali dimasukkan ke dalam struktur crimping untuk menyamakan tekanan, mengurangi tegangan termo-mekanis, dan meningkatkan keandalan.

Gambar 7 Struktur internal modul crimping IGBT di Sima [6,32]

Bahan utama, teknologi koneksi, dan desain struktur kemasan daya secara bertahap berkembang ke arah menghilangkan timbal, meningkatkan kinerja pembuangan panas, meningkatkan kepadatan integrasi, dll., untuk memenuhi aplikasi yang andal di lingkungan suhu tinggi, tegangan tinggi, dan frekuensi tinggi. Dengan mempopulerkan dan penerapan perangkat semikonduktor generasi ketiga, bahan penghubung pasta solder perak sinter, teknologi silikon melalui, struktur pengemasan terintegrasi tiga dimensi, dll. adalah tren utama di masa depan, dan saya yakin prospek penerapannya tidak terbatas.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Elektronik dan Pengemasan". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulisnya saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.