パワーエレクトロニクス実装の主要材料と構造設計の研究の進捗状況

抽象的な：従来のパワーエレクトロニクスのパッケージングは主に、はんだ接続やワイヤボンディングなどの二次元平面パッケージング技術に基づいており、高周波、高電圧、高温での第 3 世代半導体デバイスの信頼性の高いアプリケーションを満たすことができません。 この問題を解決するために、2次元の平面実装から3次元の一体実装へ徐々に発展してきました。 パワーエレクトロニクス実装技術における主要な材料と構造設計の研究の進歩を要約し、展望します。 接続材料は錫系はんだから金系はんだ、過渡液相接続材料、焼結銀など熱伝導性と耐高温性が高い材料と徐々に発展し、接続技術もワイヤボンディングからダブルボンディングへと徐々に発展してきました。側面冷却、デバイス統合、垂直積層相互接続。 リード線をなくすことでスイッチ性能を向上させ、各種チップやデバイスを統合することで電力密度を向上させ、両面冷却により放熱効率を向上させます。 三次元一体型パッケージングは大きな市場可能性を秘めており、今後の主要な開発トレンドの一つとなるでしょう。

キーワード：電子パッケージング。 包装材料; 包装構造。 立体的なパッケージング。 焼結銀; シリコンスルーホール

ファンドプロジェクト：深セン市科学技術委員会プロジェクト（JCYJ20180508161601937）

パワー エレクトロニクス デバイスは、高周波、高密度、高出力、高温のアプリケーションに向けて開発されています [1]。 現時点では、依然としてシリコン (Si) ベースのデバイスが主流です。ただし、材料の特性により、シリコンベースのデバイスのスイッチング周波数、動作温度、電力密度には制限があります。 従来のシリコンベースのデバイスと比較して、炭化ケイ素 (SiC) や窒化ガリウム (GaN) などの第 2 世代半導体は、無線通信、電気通信などの高電圧、高温、高周波のアプリケーションでますます使用されています。より高い降伏電圧、より広いバンドギャップ、より高い熱伝導率、より低い電力損失のため、車両や航空宇宙に使用されています[3-XNUMX]。 しかし同時に、第 3 世代半導体デバイスの急速な発展により、パッケージング技術に対する要件がさらに厳しくなりました。

パッケージング技術は、チップをキャリア基板に接続して固定し、ピンを引き出してパワーデバイスまたはモジュール全体に成形するプロセスであり、主に電気接続、構造的支持と保護、放熱の役割を果たします。 [4]。 モジュール統合の中核として、パッケージング材料、プロセス、構造は、パワーモジュールの熱的、電気的、電磁干渉特性に直接影響します。 現在、成熟したパッケージング技術は、主に銀接着剤や錫ベースのはんだなどの接続材料や、リード接続などのパッケージ構造に基づいており、高温高圧耐性が低く、電磁両立性の問題が顕著であり、実装することができません。効率的な熱放散方法を提供します。 最近では、焼結銀配線材料や三次元集積パッケージ構造などが優れた耐高温性と高い熱伝導性を備えており、両面放熱を実現し、スイッチング損失を大幅に低減できるため、パワーモジュールの熱的・電気的特性が良好になり、信頼性が高く、ますます研究と注目を集めています。高温、高電圧、高周波分野における第3世代半導体デバイスの確実な応用に期待されます。 この論文では、パワーエレクトロニクスのパッケージ材料と構造設計の最新の研究の進歩を要約し、展望します。

典型的なパワーモジュールのパッケージ構造を図 1 に示します。これは、パワーチップ、接続材料、ボンディングワイヤ、セラミック基板、底板、ポッティング材料、シェル、および電源端子で構成されています [3,5、XNUMX]。 各パッケージ材料の熱的、電気的、機械的、化学的特性は異なるため、パワーモジュール全体の最適な性能を選択するには、各材料の特性を総合的に考慮する必要があります。

图1  典型的な電力モジュールの封止構造【5]

チップボンディング、接続、基板などの主要なパッケージング材料と技術の開発動向を図 2 に示します。 接続技術はボンディングワイヤーからリボン、銅ピラー、リードフレーム、メッキスルーホールなどに発展しており、リードをなくし接続面積を増やすことで熱伝導性や電気伝導性が向上します。 チップの接合材料は、従来のはんだ付けから、金ベースの高温はんだ付け、過渡液相接合、焼結銀、焼結銅などに発展し、熱伝導率と電気伝導率が大幅に向上し、高温と信頼性を満たします。アプリケーション。 基板は、セラミック基板の金属伝導層と熱伝導層を厚くする方向に開発され、その結果、熱放散効率が向上します[5]。

図 2 パッケージング材料と接続、基板、チップボンディングなどの技術の開発動向 [5]

2.1  チップ材質

一般的に使用される半導体材料の性能パラメータを表 1 に示します [6-7]。 Siは、その成熟した技術と低コストにより、さまざまなディスクリートデバイスや集積回路、電子情報ネットワーク工学などの分野で広く使用されています。 GaAsはSiと比較して、広いバンドギャップと高い電子移動度の特性を備えており、RFのサイズと消費電力を大幅に削減でき、RF、無線通信、光電子分野の低電力デバイスに広く使用されています。 SiC と GaN はバンドギャップが大きく、高温での作業時に熱放射エネルギーを吸収しにくく、伝導帯にジャンプしにくく、破壊電界強度が高いため、バンドギャップの広い半導体 SiC と GaN は高温および高温環境に適しています。 Siよりも電圧がかかる場合があります。 SiC は、より高い熱伝導率、より優れた放熱能力、より高いキャリア移動度、より高い電流密度、および高温および高電圧耐性を備えているため、パワーデバイスとしてよく使用され、電圧 600 の高出力分野では明らかな利点があります。 V以上であり、新エネルギー車や電力機器の分野で広く使用されています。 GaN は、電子移動度およびキャリア速度が速く、高電圧でのオン抵抗および寄生パラメータが小さく、高出力無線周波数の方向において明らかな利点を持っています。 GaNは、その高出力密度、低エネルギー消費、高周波などの特性により、主に5G通信や衛星通信などのマイクロ波RF分野、家電製品や新エネルギー自動車の急速充電などのパワーエレクトロニクス分野、LEDオプトエレクトロニクス分野で使用されています。帯域幅。 SiC と同様に、GaN 技術は現在まだ急速な開発段階にあり、コストが比較的高いです。

表 1 半導体チップ材料の特性 [6]

2.2  チップ接合材

Sn63Pb37などのSnPb合金はんだは、低いせん断弾性率、高い濡れ性、延性、熱機械特性、信頼性などの優れた特性により、チップボンディング材料に広く使用されています。 しかし、SnPbはEU RoHSの鉛フリー基準を満たしておらず、融点も低い（約180℃）。したがって、パッケージ構造と材料の熱膨張係数 (CTE) のマッチングと高温耐性の要件を満たすために、新しいチップ ボンディング材料が必要です。現在、最も広く使用されているチップボンディング材料を表 2 に示します [8]。 導電性銀ペーストは、主に樹脂マトリックス、導電性粒子（主に銀粉）、分散剤、添加剤などで構成されています。導電率、熱伝導率は比較的低く、ガラス転移温度は100～150℃程度と限界があります。高温高圧チップパッケージングの分野で。 SnAgやSnAgCuなどの鉛フリーはんだは、一般にSnPbはんだに比べてSn含有量が90%以上高く、融点（約220℃）が高くなります。凝固過程では過冷却度が高くなり、粗大な樹枝状組織や偏在した金属間化合物が生成しやすくなり、耐クリープ性が低下します。 さらに、SnAgCu 合金は弾性率が高く、その CTE はチップや基板の CTE とは大きく異なります。熱サイクル負荷が作用すると疲労損傷が発生しやすくはんだ接合部の剥離につながり、はんだ接合部の信頼性が低下します[9]。

表2 ダイボンド材の特性[8]

AuSnやAuGeなどの金系共晶合金はんだなどのチップ用高温接合材料は、融点（280℃以上）、熱伝導率、電気伝導率が高く、無はんだろう付けが容易です。 しかし、一般的に金系はんだは金の含有量が多くコストが高く、成分相の脆性が高いため、加工が難しく、歩留まりが低く、製品性能が劣るという欠点があり、はんだの品質に重大な影響を及ぼします。パワーエレクトロニクス実装の分野で広く応用されています[10]。

過渡液相接合 (TLPB) は、融点の高い接合母材 (Cu、Au、Ag、Ni など) に融点の低い中間層 (In や Sn など) を追加するプロセスです。中間層や一部の基材を加熱により溶融・再固化させ、固体と液体が相互に拡散して結合します。 適切な材料とプロセスを選択すると、一時液相接合により、60 MPa を超える接合強度などの優れた性能を備えた接合を形成できます[11]。 しかし、高温チップ相互接続における過渡液相接続の応用は、中間層の選択肢が少ないこと、コストが高いこと、Au-In やその他の材料が酸化することなどにより、大きく制限されています。

低温接続技術としても知られる焼結銀相互接続は、ナノ銀またはマイクロ銀粒子の固相原子拡散に基づいて焼結接続を形成します。 銀は焼結温度が低く（200～300℃）、融点が高い（961℃）ため、高い熱伝導率、温度サイクルに対する耐性、パワーサイクルに対する高い信頼性など、多くの利点を持っています。これは、高温チップ相互接続に推奨される選択肢となっており、広く研究され、応用されています[12]。 しかし、銀焼結には、高コスト、ナノ銀粒子の低温凝集、ミクロン銀はんだペーストの加圧焼結、複雑なプロセス、チップと基板の表面へのNi/AuまたはNi/Agメッキなどの欠点もあります。 、および銀の電気化学的移動。 ナノ銀はんだペーストと比較して、ナノ銅はんだペーストは、コストが低く、電気化学的マイグレーションの信頼性リスクがないため、最近注目を集めています[13]。 ただし、ナノ銅粒子は酸化されやすいため、不活性雰囲気中で焼結する必要があり、プロセスの複雑さと設備コストが増加し、用途に一定の制限があります。

2.3  プラスチック製の梱包材

プラスチック包装材料の主な機能は電気絶縁と環境隔離であり、防湿、塩水噴霧、防カビ、防塵、衝突防止、振動防止の保護的な役割を果たし、環境腐食や損傷を回避します。これにより、電子部品の電気的性能が確保され、高電圧パワーモジュールの電圧レベルも向上し、電極の放電が回避され、最終的には電子製品の信頼性が向上します[14]。 プラスチック包装材料の種類と特性を表 3 に示します。プラスチック包装材料は、コンフォーマル コーティング、アンダーフィル、モールディング コンパウンド、ポッティング コンパウンド、およびグロブトップに分類できます [14]。      

表 3 プラスチック包装材料の種類と特性 [14]

コンフォーマルコーティングは、基板や部品との良好な接続性能が必要なプリント回路の表面保護に一般的に使用される有機コーティングの一種です。 一般に、120℃以下の低温で使用できるアクリル酸、165℃以下の低温で使用できるポリウレタンなど、吸水性が低く、絶縁耐力が高く、熱膨張率が高く、弾性率が低い材料が選択されます。 200℃以下の中温で使用可能なエポキシ樹脂、250℃以上の高温で使用可能なシリコーン樹脂、パリレン、ベンゾシクロブテン、ポリイミドなどがあります。

図 3 に示すように、アンダーフィルと成形材料は周囲の環境から隔離し、電界ストレスを軽減するだけでなく、CTE の不一致によって引き起こされる熱機械ストレスを軽減または再配分することでパッケージ製品の信頼性も向上します [14]。 したがって、パッケージ構造の各部品の熱膨張率に可能な限り適合する材料を選択する必要があります。例えば、熱膨張率が(20～30)×10-6/K以上、20×10-6/K未満の硬質材料などです。はんだボールおよびはんだボールを含むパッケージ構造全体からの熱応力を軽減するために、それぞれアンダーフィルとモールディングコンパウンドを使用します。 現在、最も一般的に使用されているアンダーフィルおよび成形材料は、シリカを充填したエポキシ樹脂です。

ポッティング接着剤と上部封止接着剤は、電界破壊に対する電圧レベルを向上させ、周囲環境の腐食や損傷を回避するだけでなく、パッケージ構造の機械的サポートにおいて一定の役割も果たします。 現在、ポッティング接着剤やトップシール接着剤の材料としては、165℃以下の低温で塗布できるポリウレタン、200℃以下の中温で塗布できるエポキシ樹脂、シリコーンゴムやシリコンゴムなどが主に使用されています。 300℃以下の高温でも塗布可能なジェルです。 中でもシリコーンゴムやゲルなどのソフトマテリアルは、硬度や弾性率が低く、可塑性や弾性に富み、チップやボンディングワイヤなどのパッケージ部品への応力への影響が少ないため、広く使用されています。 ただし、シリコーンゴムやゲルなどの柔らかい素材は、機械的サポートや保護性能が不十分です。 外部からの衝撃に耐えるため、樹脂などの硬い材質を選択することも可能です。 ただし、樹脂は通常、弾性率が高いため、パッケージ構造全体に対する過度の熱機械的ストレスを避けるために、適合する CTE を持つ材料を選択する必要があります。

（b）成形プラスチックの概略図

図 3 パワーエレクトロニクスのパッケージ構造におけるアンダーフィルと成形材料の概略図 [14]

2.4  基板と底板の材質

一般に、基板は「金属導電層-絶縁層-金属導電層」のサンドイッチ構造であり、上部と下部の金属導電層はそれぞれチップとバックプレーンの相互接続に使用されます。 製造プロセスに応じて、基板は直接接合銅基板 (DBC)、直接印刷銅基板 (DPC)、直接接合アルミニウム基板 (DBA)、活性金属ろう付け基板、 AMB）、絶縁金属基板（IMS）、厚膜銅箔（TPC）など

DBC 基板は、セラミックと銅膜上の薄い酸化銅との共晶接続であり、優れた性能と比較的低コストを備え、パワー エレクトロニクスのパッケージングに広く使用されています。 しかし、セラミック界面の酸化銅膜は剥離しやすいため、温度サイクルに対するDBC基板の信頼性が低くなります。 AMB 基板は、活性金属ろう付けによって金属とセラミックを接続します。これにより、酸化層が除去され、信頼性が向上します。 DBAはAlSiろう付けを使用してアルミニウム板とセラミックを接続します。 DBC の銅層と比較して、アルミニウム層は硬度が低く、より高い熱機械的ストレスに耐えることができ、信頼性が向上します [15]。 ただし、アルミニウムの熱伝導率は銅よりも低く、DBA 基板の放熱性能は DBC 基板ほど良くありません。 IMS基板は、熱伝導率の高い絶縁樹脂層、銅底板、厚い銅膜で構成されています。 IMBはDBCと比較して、製造プロセスが簡単、熱処理温度が低く、コストが低く、信頼性が高いという利点があります。 TPCは、スクリーン印刷によりセラミック上に銅ペーストを印刷し、850～950℃で焼結して金属膜とセラミックの間に高強度の接合を形成したものです。温度サイクル信頼性が高く、集積回路チップや受動素子と高度に統合してハイブリッドモジュールを形成できます。 最近では、厚いリードフレームと薄い絶縁層をベースにした基板も登場し、多層基板の構造が簡素化され、放熱効率が向上しました[5]。

熱伝導率と CTE を考慮すると、Al2O3、Si3N4、AlN、BeO が基板に最も一般的に使用されるセラミック材料です。パフォーマンスの比較については、表 4[8,16]を参照してください。 BeOは最も高い熱伝導率を持っていますが、製造過程で発生する粉塵が人体に有害であるため、その用途は限られています。 Al2O3 は最も経済的な選択肢ですが、機械的強度は中程度であり、熱伝導率は比較的劣ります。 AlN の熱伝導率は Al2O3 の熱伝導率よりも高く、CTE はチップとよりよく一致します。 Si3N4 は温度サイクルの信頼性が高くなりますが、コストが比較的高くなります [17]。 比較的に、Al-AlN と Cu-Si3N4 の組み合わせの信頼性は高くなります。前者のアルミニウム材料は柔らかく、弾性率が低く、変形しやすいため、セラミックスへの熱応力による損傷を遅らせることができます。 。 後者の Si3N4 は曲げ強度と破壊靱性が高く、銅による熱応力に耐えることができます。

表 4 基板におけるセラミック材料の特性 [8]

最も一般的に使用されるベースプレートの材料はCuです。 CTEを低減し、高い熱伝導率を確保するために、AlSiC、W-Cu、Mo-Cu、Cu-Mo-Cuなどの金属複合材料も広く使用されています。性能パラメータについては表 5[8]を参照してください。 一般に、ベースプレートはニッケルでメッキされます。これにより、高温での銅原子の移動と酸化が防止され、銅ベースプレートの強度と変形抵抗が向上します。

表 5 底板の材質 [8]

チップの組み立て方法と相互接続プロセスの違いに応じて、パワー エレクトロニクスのパッケージ構造は、はんだ付けパッケージと圧着パッケージの 2 つのタイプに分類できます。 パッケージの開発動向を図4に示します。はんだ付けパッケージには、ワイヤボンディング、フリップチップ（BGA配線）、金属ピラー配線、リセスアレイ配線、蒸着金属膜配線などの構造が採用されています。 プレスオン パッケージングは、外部の機械的圧力によって形成される相互接続構造です。 比較分析の便宜のために、上記のパッケージング方法の長所と短所を表 6 に示します[18]。 ワイヤボンディングには、成熟した技術、低コスト、柔軟な配線という利点があります。 ただし、ワイヤボンディングされたモジュールには高い寄生インダクタンスがあり、バックプレーンの片側からしか熱を放散できません [18]。 さらに、ボンディングワイヤとチップ間の熱膨張率の不一致により、大きな熱機械応力が発生し、はんだ接合部が疲労破壊しやすくなり、電源サイクルの過程でモジュールの主な故障形態となります。

図4 パッケージ構造の開発動向[5]

表 6 パッケージ構造の比較 [18]

現在、パワーエレクトロニクスのパッケージ構造は、従来のワイヤボンディングの標準パッケージ構造から、オーバーモールド、両面ボンディング、コンポーネント統合、および 3D パワー統合へと徐々に発展しています。 リード線をなくすことで電磁干渉を低減し、放熱効率を向上させ、集積度を高めることができます。 その中で、射出成形構造はコンパクトな平面パッケージであり、バッチモジュールの生産が容易です。 両面接続構造により両面放熱が実現でき、放熱効率が向上します。 デバイスの統合構造により、さまざまな機能をモジュールに統合でき、スイッチング速度が向上します。 5 次元電力統合構造は、チップを垂直方向に積層するもので、寄生インダクタンスを大幅に低減し、スイッチング性能を向上させることができます [XNUMX]。 二次元パッケージングと比較して、三次元パッケージングには、垂直方向のループ距離の大幅な短縮、寄生インダクタンスと電磁干渉の低減、伝送速度の向上、スイッチング性能の向上、電力損失の低減など、明らかな利点があります。 ゲート駆動回路、デカップリングコンデンサ、ヒートシンクなどのさまざまなチップやデバイスを統合して、電力集積密度をさらに向上させ、パッケージ体積を削減できます。 しかし、現在、3D パッケージングは、熱管理、製造技術、チップスタックの相互接続に起因する歩留まりなど、いくつかの課題にも直面しており、製造プロセスをさらに改善する必要があります [6,19]。

3.1  二次射出成形パッケージ

ツーショットパッケージ構造は、従来のワイヤボンディングパッケージ構造をベースに、チップをリードフレームに直接ボンディングし、ボンディングワイヤを除去し、エポキシ樹脂を用いてインジェクションパッケージングを行う構造です。 射出成形パッケージはワイヤボンディングのパッケージ構造に比べ、チップ上部の接続面積が増えるため、放熱効率が向上します。 寄生インダクタンスの低減により電力損失が低減されるため、モジュール式の大量生産に非常に有益であり、電気自動車の整流器に広く使用されています。

3.2  両面接続パッケージ

西門康社が提案するSKiNパワーモジュール[20]や富士電機が提案するSiCパワーモジュール[21]のように、チップを上下の基板にそれぞれ接続する両面接続構造により、実装上の目的を達成することができます。ボンディングワイヤー。 両面接続パッケージ構造には 1 つの主な利点があります。(XNUMX) エミッタ表面のワイヤボンディングを排除し、寄生インダクタンス、電圧オーバーシュート、電力損失を効果的に低減し、スイッチング性能を向上させます。 (2) チップの上下方向への放熱を実現し、放熱効率を向上させ、チップのジャンクション温度を効果的に下げ、故障を遅らせます。 オークリッジ国立研究所は、両面DBC基板パッケージを採用したSi IGBTまたはSiC MOSFETパワーモジュールを提案した。従来のワイヤボンディングモジュールと比較して、インダクタンスは62%、スイッチング損失は50%～90%、放熱効率は40%～50%向上した[22]。

しかしながら、両面接続構造にはいくつかの欠点もあります。 まず、ワイヤボンディングモジュールと比較して、両面接続構造には材料の層が多くなり、パッケージングプロセスが複雑になります。 第 2 に、材料の各層の CTE が異なるため、熱的不整合によってより大きな熱機械応力が生じ、接続層の信頼性が低下します。 熱機械応力を軽減するために、Mo または Cu/Mo/Cu[23] など、チップの CTE に適合する金属が中間層材料として使用されます。 第三に、図5に示すように、厚さの異なるマルチチップ両面接続のパワーモジュールを実現する場合、チップとDBC基板の間に高さの異なるマイクロメタルポストや銅ピンを電気めっきまたは接続する必要があるため、マルチチップの厚さの違いによって引き起こされる高さの差の問題を解決するために。[6]。 第 4 に、錫ベースのはんだは、モジュールのパッケージングで最も一般的に使用される相互接続材料です。両面接続モジュールのパッケージングのプロセスでは、通常、複数の接続ステップが必要であり、融点の異なるはんだのグループが必要となるため、モジュールの使用温度が制限されます。 したがって、両面接続パッケージ構造では、高熱伝導率、高電気伝導率、高融点を備えた焼結銀半田ペーストが相互接続材料として好ましい選択肢となっています。

図5 両面接続パッケージ構造[6]

3.3  統合されたデバイスのパッケージング

統合パッケージは、統合ゲート駆動回路、デカップリング コンデンサ、温度センサー、電流センサー、保護回路などの複数の機能をモジュールに統合したデバイスです [18]。 デバイス一体型パッケージングには、ゲートドライブ回路とデカップリングコンデンサを一体化することにより、モジュールのバスバーや外部コネクタの寄生インダクタンスを低減でき、パワーデバイスとゲートドライブ間の接続を短くでき、ゲートループインダクタンスを低減できるなど、多くの利点があります。 、電磁干渉を抑制でき、電流分配性能とスイッチング速度を向上できます。 ただし、このパッケージ構造にはいくつかの制限もあります。たとえば、集積ゲート駆動回路は一般に単純であり、モジュールの全体のサイズ、電流容量、スイッチング周波数は各集積デバイスによって制限されます。 さらに、デバイスの集積距離が近すぎるために温度に敏感なデバイスの通常の動作が影響を受けることを避けるために、デバイスを統合してパッケージ化する前に、各デバイスの温度耐性をチェックする必要があります[5]。 。

3.4   三次元パワー一体型パッケージ

統合パッケージ構造を図 6 に示します。三次元パッケージ構造は、主に積層型三次元パッケージと埋め込み型三次元パッケージに分けられます [24]。 25次元パッケージをベースに、ワイヤボンディング、フリップチップ、マイクロバンプ、ボールグリッドアレイ(BGA)、シリコン貫通ビア(TSV)、PCB埋め込みなどのプロセス技術を採用し、垂直方向のマルチチップ積層相互接続を実現します。方向 [XNUMX

図 6 三次元集積パッケージ構造の模式図 [6,29-31]

スタック型 3D パッケージングでは、シリコン貫通ビアは最も懸念される技術の 28 つであり、基板を通るシリコン貫通ビアの垂直相互接続を使用して、異なるチップ間の電気的相互接続を実現します [XNUMX]。 スルーシリコンパッケージングの主要技術には、スルーシリコンホールの形成、充填、チップの薄化、相互接続が含まれます。 具体的な手順は次のとおりです。まず、レーザードリル、ドライエッチングまたはウェットエッチングによってスルーホールを形成し、次に化学気相成長法によってSiO2絶縁層と銅導電層を充填し、次に研削によってチップを薄くし、最後にチップを相互接続します。金属間の結合または結合による[29]。 従来の平面的な二次元リード配線構造と比較して、シリコンスルーホールの三次元構造は、小型、軽量、シリコンウェーハの使用効率が高く、信号遅延の短縮、消費電力の削減などの利点を持ちます。三次元ウェーハレベル、システムレベル、集積回路パッケージングで広く使用されています。 ただし、いくつかの制限もあります。第一に、信頼性、シリコン貫通パッケージ構造の高電力密度、および積層チップの大きな熱管理問題です。 第二に、コストが高く、パッケージング構造、プロセス、テストが複雑です。

埋め込み型 3D パッケージは、ボンディング ワイヤの代わりに銅線とマイクロポアを使用し、チップを PCB ラミネートに埋め込むことで、体積を削減し、信頼性を向上させ、システム統合を容易にすることができます [30]。 この構造の最大の課題は、熱機械特性が劣ることであり、従来の PCB 材料の低いガラス転移温度と高い CTE によって引き起こされる熱機械応力によって制限され、使用温度も低い[18]。 また、FR4-PCB積層板の剥離強度は0.9～1.25N/mm程度と低いです。 DBC 基板と比較すると、PCB に埋め込まれたモジュールの定格電力は低くなります [3]。

上記の溶接接続に加え、圧着によっても立体パッケージを形成することが可能です。図7はWestcode社製IGBT圧着モジュール[32]の内部構造図であり、典型的な例を示しています。部品は、リード線、はんだ付け、焼結ではなく、外部からの機械的圧力によって物理的に接続されます。構造がシンプルでコストが低く、信頼性が高いため、高電圧・大電流の電力網に広く使用されています。 しかし、圧着モジュールではモジュールの内寸、各部品の平面度や表面品質が高く要求され、接合部の熱伝導率や電気伝導率は圧力や均一性に大きく影響されます。接触抵抗や熱抵抗を小さくするには適切なクランプ圧力を選択する必要がありますが、表面粗さや構造変形の影響を必ず受けます。 圧力を均一化し、熱機械応力を軽減し、信頼性を向上させるために、Mo または Be ガスケットやスプリング プレートなどの弾性緩衝構造や CTE の小さな材料が圧着構造に導入されることがよくあります。

図7 シマのIGBT圧着モジュールの内部構造[6,32]

パワーパッケージングの主要な材料、接続技術、構造設計は、高温、高電圧、高周波環境での信頼性の高いアプリケーションに応えるために、リード線の削除、放熱性能の向上、集積密度の向上などの方向に徐々に開発されています。 第3世代半導体デバイスの普及と応用に伴い、焼結銀ソルダーペースト接続材料、シリコンビア技術、三次元集積実装構造等が今後の主流となり、その応用の可能性は無限大であると考えております。

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