Kemajuan penyelidikan bahan utama pembungkusan elektronik kuasa dan reka bentuk struktur

abstrak：Pembungkusan elektronik kuasa tradisional terutamanya berdasarkan teknologi pembungkusan planar dua dimensi seperti sambungan pateri dan ikatan wayar, yang tidak dapat memenuhi penggunaan peranti semikonduktor generasi ketiga yang boleh dipercayai pada frekuensi tinggi, voltan tinggi dan suhu tinggi. Untuk menyelesaikan masalah ini, pembungkusan planar dua dimensi telah berkembang secara beransur-ansur menjadi pembungkusan bersepadu tiga dimensi. Kemajuan penyelidikan bahan utama dan reka bentuk struktur dalam teknologi pembungkusan elektronik kuasa diringkaskan dan diprospek. Bahan penyambung telah berkembang secara beransur-ansur daripada pateri berasaskan timah kepada pateri berasaskan emas, bahan penyambung fasa cecair sementara, perak tersinter dan bahan lain dengan kekonduksian haba yang tinggi dan rintangan suhu tinggi, dan teknologi penyambung telah berkembang secara beransur-ansur daripada ikatan wayar kepada dua- penyejukan sisi, penyepaduan peranti dan sambung sambung laminasi menegak. Prestasi suis dipertingkatkan dengan mengeluarkan petunjuk, ketumpatan kuasa dipertingkatkan dengan menyepadukan pelbagai cip dan peranti, dan kecekapan pelesapan haba dipertingkatkan dengan penyejukan dua muka. Pembungkusan bersepadu tiga dimensi mempunyai potensi pasaran yang besar dan akan menjadi salah satu trend pembangunan utama pada masa hadapan.

kata kunci:Pembungkusan elektronik; Bahan pembungkusan; Struktur pembungkusan; Pembungkusan tiga dimensi; Perak tersinter; Silikon melalui lubang

Projek dana:Projek Suruhanjaya Sains dan Teknologi Shenzhen（JCYJ20180508161601937）

Peranti elektronik kuasa sedang berkembang ke arah aplikasi frekuensi tinggi, ketumpatan tinggi, kuasa tinggi dan suhu tinggi [1]. Pada masa ini, peranti berasaskan silikon (Si) masih mendominasi. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh ciri-ciri bahan, kekerapan pensuisan, suhu operasi dan ketumpatan kuasa peranti berasaskan silikon adalah terhad. Berbanding dengan peranti berasaskan silikon tradisional, semikonduktor generasi ketiga seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) semakin banyak digunakan dalam aplikasi voltan tinggi, suhu tinggi dan frekuensi tinggi seperti komunikasi tanpa wayar, elektrik. kenderaan dan aeroangkasa kerana voltan kerosakan yang lebih tinggi, jurang jalur yang lebih luas, kekonduksian terma yang lebih tinggi dan kehilangan kuasa yang lebih rendah [2-3]. Walau bagaimanapun, pada masa yang sama, perkembangan pesat peranti semikonduktor generasi ketiga telah mengemukakan keperluan yang lebih ketat untuk teknologi pembungkusan.

Teknologi pembungkusan ialah satu proses menyambung dan membetulkan cip dengan substrat pembawa, membawa keluar pin, dan membentuknya menjadi peranti atau modul kuasa keseluruhan, yang memainkan peranan terutamanya sebagai sambungan elektrik, sokongan struktur dan perlindungan, dan menyediakan pelesapan haba [4]. Sebagai teras penyepaduan modul, bahan pembungkusan, proses dan struktur secara langsung mempengaruhi ciri-ciri gangguan haba, elektrik dan elektromagnet modul kuasa. Pada masa ini, teknologi pembungkusan matang terutamanya berdasarkan bahan penyambung seperti gam perak atau pateri berasaskan timah, dan struktur pembungkusan seperti sambungan plumbum, yang mempunyai rintangan suhu tinggi dan tekanan tinggi yang lemah, masalah keserasian elektromagnet yang menonjol, dan tidak boleh menyediakan cara pelesapan haba yang cekap. Baru-baru ini, bahan sambung perak tersinter, struktur pakej bersepadu tiga dimensi, dsb. mempunyai rintangan suhu tinggi yang sangat baik dan kekonduksian haba yang tinggi, yang boleh mencapai pelesapan haba dua sisi dan mengurangkan kehilangan pensuisan dengan banyak, menjadikan modul kuasa mempunyai ciri-ciri haba dan elektrik yang baik dan kebolehpercayaan, dan telah mendapat lebih banyak penyelidikan dan perhatian. Ia dijangka dapat memenuhi aplikasi peranti semikonduktor generasi ketiga yang boleh dipercayai dalam bidang suhu tinggi, voltan tinggi dan frekuensi tinggi. Dalam kertas kerja ini, kemajuan penyelidikan terkini bahan pembungkusan elektronik kuasa dan reka bentuk struktur diringkaskan dan diprospek.

Struktur pakej modul kuasa biasa ditunjukkan dalam Rajah 1, yang terdiri daripada cip kuasa, bahan penyambung, wayar ikatan, substrat seramik, plat bawah, bahan pasu, cangkerang dan terminal kuasa [3,5]. Sifat terma, elektrik, mekanikal dan kimia setiap bahan pembungkusan adalah berbeza, jadi perlu mempertimbangkan secara menyeluruh sifat setiap bahan untuk memilih prestasi terbaik bagi keseluruhan modul kuasa.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

Trend pembangunan bahan dan teknologi pembungkusan utama seperti ikatan cip, sambungan dan substrat ditunjukkan dalam Rajah 2. Teknologi sambungan berkembang daripada wayar ikatan kepada reben, tiang tembaga, bingkai plumbum dan disalut melalui lubang, dsb. Dengan mengeluarkan plumbum dan meningkatkan kawasan sambungan, kekonduksian terma dan elektrik dipertingkatkan. Bahan ikatan untuk cip telah dibangunkan daripada pematerian tradisional kepada pematerian suhu tinggi berasaskan emas, ikatan fasa cecair sementara, perak tersinter dan kuprum tersinter, dsb., yang meningkatkan kekonduksian haba dan elektrik serta memenuhi suhu tinggi dan boleh dipercayai. aplikasi. Substrat berkembang ke arah menebal lapisan konduktif logam dan konduktif haba substrat seramik, sekali gus meningkatkan kecekapan pelesapan haba [5].

Rajah 2 Trend pembangunan bahan dan teknologi pembungkusan seperti sambungan, substrat dan ikatan cip [5]

2.1  Bahan kerepek

Parameter prestasi bahan semikonduktor yang biasa digunakan ditunjukkan dalam Jadual 1 [6-7]. Kerana teknologi matang dan kos rendah, Si digunakan secara meluas dalam pelbagai peranti diskret dan litar bersepadu, kejuruteraan rangkaian maklumat elektronik dan bidang lain. Berbanding dengan Si, GaAs mempunyai ciri-ciri jurang jalur lebar dan mobiliti elektron tinggi, yang boleh mengurangkan saiz RF dan penggunaan kuasa dengan ketara, dan digunakan secara meluas dalam peranti berkuasa rendah dalam RF, komunikasi tanpa wayar dan medan optoelektronik. SiC dan GaN mempunyai jurang jalur yang lebih besar, tidak mudah menyerap tenaga sinaran haba dan melompat ke jalur pengaliran apabila bekerja pada suhu tinggi, dan mempunyai kekuatan medan pecahan yang lebih tinggi, jadi semikonduktor jurang jalur lebar SiC dan GaN lebih sesuai untuk suhu tinggi dan tinggi. kejadian voltan daripada Si. SiC mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi, kapasiti pelesapan haba yang lebih baik, mobiliti pembawa yang lebih tinggi, ketumpatan arus yang lebih tinggi, dan rintangan suhu tinggi dan voltan tinggi, jadi ia sering digunakan sebagai peranti kuasa, yang mempunyai kelebihan yang jelas dalam medan kuasa tinggi dengan voltan 600 V dan ke atas, dan digunakan secara meluas dalam bidang kenderaan tenaga baharu dan peralatan kuasa. GaN mempunyai mobiliti elektron dan halaju pembawa yang lebih pantas, parameter pada rintangan dan parasit yang lebih kecil pada voltan tinggi, dan mempunyai kelebihan yang jelas dalam arah frekuensi radio kuasa tinggi. GaN digunakan terutamanya dalam medan RF gelombang mikro seperti komunikasi 5G dan komunikasi satelit, medan elektronik kuasa seperti pengecasan pantas elektronik pengguna dan kenderaan tenaga baharu, dan medan optoelektronik LED kerana ketumpatan kuasa yang tinggi, penggunaan tenaga yang rendah, frekuensi tinggi dan lebih luas. lebar jalur. Sama seperti SiC, teknologi GaN masih dalam peringkat pembangunan pesat pada masa ini, dan kosnya agak tinggi.

Jadual 1 Sifat Bahan Cip Semikonduktor [6]

2.2  Bahan ikatan cip

Pateri aloi SnPb, seperti Sn63Pb37, telah digunakan secara meluas dalam bahan ikatan cip kerana sifatnya yang sangat baik, seperti modulus ricih rendah, kebolehbasahan tinggi, kemuluran, sifat termo-mekanikal dan kebolehpercayaan. Walau bagaimanapun, SnPb tidak memenuhi piawaian bebas plumbum RoHS EU dan takat leburnya rendah (kira-kira 180 ℃). Oleh itu, bahan ikatan cip baharu diperlukan untuk memenuhi keperluan padanan pekali pengembangan terma (CTE) dan rintangan suhu tinggi struktur dan bahan pembungkusan.Pada masa ini, bahan ikatan cip yang paling banyak digunakan ditunjukkan dalam Jadual 2 [8]. Pes perak konduktif terutamanya terdiri daripada matriks resin, zarah konduktif (terutamanya serbuk perak), bahan tambahan penyebaran dan aditif, dan lain-lain. Kekonduksian elektrik dan kekonduksian habanya agak rendah, dan suhu peralihan kacanya adalah kira-kira 100 ~ 150 ℃, yang terhad dalam bidang pembungkusan cip suhu tinggi dan tekanan tinggi. Berbanding dengan pemateri SnPb, pemateri tanpa plumbum, seperti SnAg atau SnAgCu, umumnya mempunyai kandungan Sn yang lebih tinggi daripada 90% dan takat lebur yang lebih tinggi (kira-kira 220℃). Dalam proses pemejalan, tahap penyejukan kurang lebih tinggi, dan mudah untuk membentuk struktur dendritik kasar dan sebatian antara logam, yang diagihkan tidak sekata, sekali gus melemahkan rintangan rayapannya. Selain itu, aloi SnAgCu mempunyai modulus elastik yang tinggi, dan CTEnya agak berbeza daripada cip dan substrat. Di bawah tindakan beban kitaran haba, mudah menyebabkan kerosakan keletihan dan membawa kepada pengelupasan sendi pateri, yang mengurangkan kebolehpercayaan sendi pateri [9].

Jadual 2 Sifat bahan ikatan die [8]

Bahan ikatan suhu tinggi untuk cip, seperti pemateri aloi eutektik berasaskan emas seperti AuSn atau AuGe, mempunyai takat lebur yang tinggi (lebih daripada 280 ℃), kekonduksian terma dan kekonduksian elektrik, dan mudah direalisasikan pematerian tanpa pateri. Walau bagaimanapun, kandungan emas dalam pateri berasaskan emas secara amnya tinggi dan kosnya tinggi, dan kerana kerapuhan fasa komponen yang tinggi, ia membawa kepada keburukan pemprosesan yang sukar, hasil yang rendah dan prestasi produk yang lemah, yang menjejaskan dengan serius aplikasi yang luas dalam bidang pembungkusan elektronik kuasa [10].

Ikatan fasa cecair sementara (TLPB) ialah proses di mana lapisan perantaraan (seperti In dan Sn) dengan takat lebur yang lebih rendah ditambah kepada bahan asas yang dicantum (seperti Cu, Au, Ag dan Ni) dengan takat lebur yang lebih tinggi, dan lapisan perantaraan dan beberapa bahan asas dicairkan dan dipejal semula dengan pemanasan, supaya pepejal dan cecair meresap antara satu sama lain untuk membentuk sambungan. Memilih bahan dan proses yang sesuai, ikatan fasa cecair sementara boleh membentuk sambungan dengan prestasi cemerlang, seperti kekuatan ikatan lebih besar daripada 60 MPa[11]. Walau bagaimanapun, penggunaan sambungan fasa cecair sementara dalam interkoneksi cip suhu tinggi adalah sangat terhad disebabkan oleh pilihan lapisan perantaraan yang rendah, kos yang tinggi dan pengoksidaan Au-In dan bahan lain.

Sambungan perak tersinter, juga dikenali sebagai teknologi sambungan suhu rendah, adalah berdasarkan resapan atom fasa pepejal zarah nano-perak atau mikro-perak untuk membentuk sambungan tersinter. Kerana suhu pensinterannya yang rendah (200~300 ℃) dan takat lebur yang tinggi (961 ℃), perak mempunyai banyak kelebihan, seperti kekonduksian terma yang tinggi, ketahanan terhadap kitaran suhu dan kebolehpercayaan yang tinggi bagi kitaran kuasa. Ia telah menjadi pilihan pilihan untuk interkoneksi cip suhu tinggi, dan telah dikaji dan digunakan secara meluas [12]. Walau bagaimanapun, pensinteran perak juga mempunyai beberapa kelemahan, seperti kos yang tinggi, penggumpalan suhu rendah zarah nano-perak, pensinteran tekanan pes pateri perak mikron, proses yang rumit, penyaduran Ni/Au atau Ni/Ag pada permukaan cip dan substrat. , dan penghijrahan elektrokimia perak. Berbanding dengan pes pateri nano-perak, pes pateri nano-kuprum telah menarik perhatian baru-baru ini kerana kosnya yang lebih rendah dan tiada risiko kebolehpercayaan penghijrahan elektrokimia [13]. Walau bagaimanapun, zarah nano-kuprum mudah teroksida dan perlu disinter dalam suasana lengai, yang meningkatkan kerumitan proses dan kos peralatan, dan mempunyai had penggunaan tertentu.

2.3  Bahan pembungkusan plastik

Fungsi utama bahan pembungkusan plastik ialah penebat elektrik dan pengasingan alam sekitar, yang memainkan peranan perlindungan kalis lembapan, kalis semburan garam, kalis cendawan, kalis debu, kalis perlanggaran dan kalis getaran, mengelakkan kakisan dan kerosakan alam sekitar. , dengan itu memastikan prestasi elektrik komponen elektronik, malah meningkatkan tahap voltan modul kuasa voltan tinggi, mengelakkan nyahcas elektrod, dan akhirnya meningkatkan kebolehpercayaan produk elektronik [14]. Jenis dan sifat bahan pembungkus plastik ditunjukkan dalam Jadual 3. Bahan pembungkusan plastik boleh dibahagikan kepada Coatings Conformal, Underfills, Molding Compounds, Potting Compounds dan globtops [14].      

Jadual 3 Jenis dan sifat bahan pembungkus plastik [14]

Salutan konformal ialah sejenis salutan organik yang biasa digunakan untuk perlindungan permukaan litar bercetak, yang memerlukan prestasi sambungan yang baik dengan substrat dan komponen. Secara amnya, bahan dengan penyerapan air yang rendah, kekuatan dielektrik tinggi, CTE dipadankan dan modulus elastik rendah dipilih, seperti asid akrilik yang boleh digunakan pada suhu rendah kurang daripada 120 ℃, poliuretana yang boleh digunakan pada suhu rendah kurang daripada 165 ℃, resin epoksi yang boleh digunakan pada suhu sederhana kurang daripada 200 ℃, dan resin silikon, parylene, benzocyclobutene dan polimida yang boleh digunakan pada suhu tinggi melebihi 250 ℃.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, sebatian underfill dan acuan bukan sahaja boleh mengasingkan daripada persekitaran sekeliling dan mengurangkan tekanan medan elektrik, tetapi juga meningkatkan kebolehpercayaan produk yang dibungkus dengan mengurangkan atau mengagihkan semula tekanan termo-mekanikal yang disebabkan oleh ketidakpadanan CTE [14]. Oleh itu, bahan yang sepadan dengan CTE setiap komponen dalam struktur pakej hendaklah dipilih sebanyak mungkin, seperti bahan keras dengan CTE (20~30)×10-6/K dan kurang daripada 20×10-6/K sebagai isian bawah dan kompaun acuan, masing-masing, untuk mengurangkan tegasan haba daripada bebola pateri dan keseluruhan struktur pakej termasuk bola pateri. Pada masa ini, sebatian underfill dan acuan yang paling biasa digunakan ialah resin epoksi yang diisi dengan silika.

Gam pasu dan gam pengekap atas bukan sahaja meningkatkan tahap voltan terhadap kerosakan medan elektrik dan mengelakkan kakisan dan kerosakan persekitaran sekeliling, tetapi juga memainkan peranan tertentu dalam sokongan mekanikal struktur pembungkusan. Pada masa ini, gam pasu yang paling biasa digunakan dan bahan gam pengedap atas ialah poliuretana yang boleh digunakan pada suhu rendah kurang daripada 165 ℃, resin epoksi yang boleh digunakan pada suhu sederhana kurang daripada 200 ℃, dan getah silikon atau gel yang boleh digunakan pada suhu tinggi kurang daripada 300 ℃. Antaranya, bahan lembut seperti getah silikon atau gel digunakan secara meluas kerana kekerasan dan modulusnya yang rendah, keplastikan dan keanjalan yang tinggi, yang mempunyai sedikit pengaruh terhadap tegasan komponen pembungkusan seperti cip dan wayar ikatan. Walau bagaimanapun, bahan lembut seperti getah silikon dan gel mempunyai sokongan mekanikal dan prestasi perlindungan yang lemah. Untuk menahan kesan luaran, bahan keras seperti resin boleh dipilih. Walau bagaimanapun, resin biasanya mempunyai modulus yang tinggi, jadi perlu memilih bahan dengan CTE yang sepadan untuk mengelakkan tekanan termo-mekanikal yang berlebihan pada keseluruhan struktur pakej.

（b）模塑料示意图

Rajah 3 Gambarajah skematik isian bawah dan sebatian acuan dalam struktur pembungkusan elektronik kuasa [14]

2.4  Bahan substrat dan plat bawah

Secara umumnya, substrat ialah struktur sandwic "lapisan konduktif logam-lapisan penebat-lapisan konduktif logam", dan lapisan konduktif logam atas dan bawah digunakan untuk penyambungan cip dan satah belakang masing-masing. Mengikut proses pembuatan, substrat boleh dibahagikan kepada substrat Tembaga Berikat Langsung (DBC), substrat Tembaga Bercetak Langsung (DPC), substrat Aluminium Terikat Langsung (DBA), substrat Brazing Logam Aktif, AMB), Substrat Logam Bertebat (IMS) dan Tembaga Bercetak Filem Tebal (TPC), dsb.

Substrat DBC ialah sambungan eutektik antara oksida tembaga seramik dan nipis pada filem tembaga, yang mempunyai prestasi cemerlang dan kos yang agak rendah, dan digunakan secara meluas dalam pembungkusan elektronik kuasa. Walau bagaimanapun, filem oksida kuprum pada antara muka seramik mudah dipisahkan, menyebabkan kebolehpercayaan substrat DBC yang rendah terhadap kitaran suhu. Substrat AMB menghubungkan logam dan seramik bersama-sama dengan pematerian logam aktif, yang boleh menghilangkan lapisan oksida dan meningkatkan kebolehpercayaan. DBA menggunakan pematerian AlSi untuk menyambung plat aluminium dan seramik. Berbanding dengan lapisan tembaga DBC, lapisan aluminium mempunyai kekerasan yang lebih rendah, boleh menahan tekanan mekanikal haba yang lebih tinggi dan meningkatkan kebolehpercayaan [15]. Walau bagaimanapun, kekonduksian haba aluminium adalah lebih rendah daripada tembaga, dan prestasi pelesapan haba substrat DBA tidak sebaik substrat DBC. Substrat IMS termasuk lapisan resin penebat dengan kekonduksian haba yang tinggi, plat bawah tembaga dan filem tembaga tebal. Berbanding dengan DBC, IMB mempunyai kelebihan proses pembuatan yang mudah, suhu rawatan haba yang rendah, kos rendah dan kebolehpercayaan yang tinggi. TPC ialah lapisan pes tembaga yang dicetak pada seramik dengan percetakan skrin, yang disinter pada 850~950℃ untuk membentuk sambungan kekuatan tinggi antara filem logam dan seramik. Kebolehpercayaan kitaran suhu adalah tinggi, dan ia boleh disepadukan dengan cip litar bersepadu dan peranti pasif untuk membentuk modul hibrid. Baru-baru ini, substrat berdasarkan bingkai plumbum tebal dan lapisan penebat nipis juga muncul, yang memudahkan struktur substrat berbilang lapisan dan meningkatkan kecekapan pelesapan haba [5].

Memandangkan kekonduksian terma dan CTE, Al2O3, Si3N4, AlN dan BeO ialah bahan seramik yang paling biasa digunakan dalam substrat. Lihat Jadual 4[8,16] untuk perbandingan prestasi mereka. BeO mempunyai kekonduksian terma tertinggi, tetapi habuk dalam proses penyediaan berbahaya kepada tubuh manusia, yang mengehadkan penggunaannya. Al2O3 adalah pilihan yang paling menjimatkan, tetapi kekuatan mekanikalnya sederhana dan kekonduksian termanya agak lemah. Kekonduksian terma AlN adalah lebih tinggi daripada Al2O3, dan CTE lebih baik dipadankan dengan cip. Si3N4 mempunyai kebolehpercayaan berbasikal suhu yang lebih tinggi, tetapi kosnya agak tinggi [17]. Secara relatifnya, kebolehpercayaan gabungan Al-AlN dan Cu-Si3N4 adalah lebih tinggi, kerana bekas bahan aluminium lembut, modulus keanjalannya rendah, dan mudah berubah bentuk, yang boleh melambatkan kerosakan yang disebabkan oleh tekanan haba kepada seramik. . Si3N4 yang terakhir mempunyai kekuatan lentur yang lebih tinggi dan keliatan patah, dan boleh menahan tekanan haba yang disebabkan oleh tembaga.

Jadual 4 Sifat Bahan Seramik dalam Substrat [8]

Bahan plat asas yang paling biasa digunakan ialah Cu. Untuk mengurangkan CTE dan memastikan kekonduksian terma yang tinggi, bahan komposit logam seperti AlSiC, W-Cu, Mo-Cu dan Cu-Mo-Cu juga digunakan secara meluas. Lihat Jadual 5[8] untuk parameter prestasinya. Secara amnya, plat asas akan disalut dengan nikel, yang boleh menghalang penghijrahan dan pengoksidaan atom tembaga pada suhu tinggi dan meningkatkan kekuatan dan rintangan ubah bentuk plat asas tembaga.

Jadual 5 Sifat Bahan Plat Bawah [8]

Mengikut kaedah pemasangan cip yang berbeza dan proses saling sambungan, struktur pembungkusan elektronik kuasa boleh dibahagikan kepada dua jenis: pembungkusan pematerian dan pembungkusan pengelim. Trend pembangunan pakej ditunjukkan dalam Rajah 4, di mana pakej yang dipateri boleh menerima pakai ikatan wayar, cip flip (sambungan BGA), sambung tiang logam, sambung tatasusunan tersembunyi, sambung filem logam terdeposit dan struktur lain. Pembungkusan tekan adalah struktur saling sambungan yang dibentuk oleh tekanan mekanikal luaran. Untuk kemudahan analisis perbandingan, kebaikan dan keburukan kaedah pembungkusan di atas disenaraikan dalam Jadual 6[18]. Ikatan wayar mempunyai kelebihan teknologi matang, kos rendah dan pendawaian fleksibel. Walau bagaimanapun, modul terikat wayar mempunyai kearuhan parasit yang tinggi, yang hanya boleh menghilangkan haba dari satu sisi satah belakang [18]. Selain itu, disebabkan oleh ketidakpadanan CTE antara wayar ikatan dan cip, tekanan termo-mekanikal yang besar dijana, yang menjadikan sendi pateri terdedah kepada kegagalan keletihan, dan menjadi bentuk kegagalan utama modul dalam proses kitaran kuasa.

Rajah 4 Trend pembangunan struktur pakej [5]

Jadual 6 Perbandingan struktur pakej [18]

Pada masa ini, struktur pembungkusan elektronik kuasa telah berkembang secara beransur-ansur daripada struktur pembungkusan standard pengikatan dawai tradisional kepada Overmold, Ikatan Dua Sisi, Integrasi Komponen dan Integrasi Kuasa 3D. Dengan mengeluarkan petunjuk, gangguan elektromagnet boleh dikurangkan, kecekapan pelesapan haba boleh dipertingkatkan, dan penyepaduan boleh ditingkatkan. Antaranya, struktur pengacuan suntikan adalah pakej planar padat, yang mudah untuk pengeluaran modul kelompok; Struktur sambungan dua belah boleh merealisasikan pelesapan haba dua muka dan meningkatkan kecekapan pelesapan haba; Struktur bersepadu peranti boleh mengintegrasikan pelbagai fungsi dalam modul, dan meningkatkan kelajuan pensuisan; Struktur penyepaduan kuasa tiga dimensi adalah untuk menyusun cip dalam arah menegak, yang boleh mengurangkan kearuhan parasit dan meningkatkan prestasi pensuisan [5]. Berbanding dengan pembungkusan dua dimensi, pembungkusan tiga dimensi mempunyai kelebihan yang jelas, seperti sangat memendekkan jarak gelung dalam arah menegak, mengurangkan kearuhan parasit dan gangguan elektromagnet, meningkatkan kelajuan penghantaran, meningkatkan prestasi pensuisan dan mengurangkan kehilangan kuasa; Ia boleh menyepadukan pelbagai cip dan peranti, seperti litar pemacu pintu, kapasitor penyahgandingan, sink haba, dsb., untuk meningkatkan lagi ketumpatan penyepaduan kuasa dan mengurangkan volum pakej. Walau bagaimanapun, pada masa ini, pembungkusan 3D juga menghadapi beberapa cabaran, seperti pengurusan haba, teknologi pengeluaran dan hasil yang disebabkan oleh interkoneksi timbunan cip, dan proses pembuatan perlu dipertingkatkan lagi [6,19].

3.1  Pakej pengacuan suntikan sekunder

Berdasarkan struktur pembungkusan pengikatan dawai tradisional, struktur pembungkusan dua pukulan ialah struktur di mana cip diikat terus ke bingkai plumbum, wayar ikatan dikeluarkan, dan resin epoksi digunakan untuk pembungkusan suntikan. Berbanding dengan struktur pakej ikatan wayar, kawasan sambungan di bahagian atas cip dalam pakej pengacuan suntikan meningkat, yang meningkatkan kecekapan pelesapan haba. Pengurangan induktansi parasit mengurangkan kehilangan kuasa, yang sangat bermanfaat kepada pengeluaran besar-besaran modular dan digunakan secara meluas dalam penerus kenderaan elektrik.

3.2  Pakej sambungan dua belah

Struktur sambungan dua muka masing-masing menghubungkan cip dengan substrat atas dan bawah, seperti modul kuasa SKiN [20] yang dicadangkan oleh Syarikat Ximenkang dan modul kuasa SiC [21] yang dicadangkan oleh Fuji Electric, yang boleh mencapai tujuan untuk mengeluarkan wayar ikatan. Struktur pakej sambungan dua sisi mempunyai dua kelebihan utama: (1) menghapuskan ikatan wayar pada permukaan pemancar, mengurangkan kearuhan parasit, overshoot voltan dan kehilangan kuasa dengan berkesan, dan meningkatkan prestasi pensuisan; (2) Menyedari pelesapan haba cip di arah atas dan bawah, meningkatkan kecekapan pelesapan haba, dan mengurangkan suhu simpang cip dengan berkesan, sekali gus memperlahankan kegagalan. Makmal Kebangsaan Oak Ridge mencadangkan modul kuasa Si IGBT atau SiC MOSFET dengan pakej substrat DBC dua sisi. Berbanding dengan modul ikatan dawai tradisional, kearuhannya berkurangan sebanyak 62%, kehilangan pensuisan menurun sebanyak 50%~90%, dan kecekapan pelesapan haba meningkat sebanyak 40%~50%[22].

Walau bagaimanapun, struktur sambungan dua sisi juga mempunyai beberapa kelemahan. Pertama, berbanding dengan modul ikatan wayar, struktur sambungan dua sisi mempunyai lebih banyak lapisan bahan, yang meningkatkan kerumitan proses pembungkusan. Kedua, kerana CTE setiap lapisan bahan adalah berbeza, ketidakpadanan terma akan menghasilkan tekanan mekanikal terma yang lebih besar, yang akan mengurangkan kebolehpercayaan lapisan penyambung. Untuk mengurangkan tegasan termo-mekanikal, beberapa logam yang sepadan dengan CTE cip, seperti Mo atau Cu/Mo/Cu[23], digunakan sebagai bahan interlayer. Ketiga, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, apabila merealisasikan modul kuasa dengan sambungan dua sisi berbilang cip dengan ketebalan yang berbeza, adalah perlu untuk menyadur elektrik atau menyambungkan Pos Logam Mikro atau pin tembaga dengan ketinggian yang berbeza antara cip dan substrat DBC, jadi untuk menyelesaikan masalah perbezaan ketinggian yang disebabkan oleh ketebalan pelbagai cip yang berbeza [6]. Keempat, pateri berasaskan timah ialah bahan penyambung yang paling biasa digunakan dalam pembungkusan modul. Dalam proses pembungkusan modul sambungan dua sisi, ia biasanya memerlukan beberapa langkah sambungan, yang memerlukan sekumpulan pateri dengan titik lebur yang berbeza, yang mengehadkan suhu perkhidmatan modul. Oleh itu, dalam struktur pakej sambungan dua sisi, pes pateri perak tersinter dengan kekonduksian haba yang tinggi, kekonduksian elektrik yang tinggi dan takat lebur yang tinggi telah menjadi pilihan utama untuk bahan sambungan.

Rajah 5 Struktur pakej sambungan dua muka [6]

3.3  Pembungkusan peranti bersepadu

Pakej bersepadu ialah peranti yang mengintegrasikan pelbagai fungsi dalam modul, seperti litar pemacu gerbang bersepadu, kapasitor penyahgandingan, sensor suhu, sensor arus dan litar perlindungan [18]. Pembungkusan peranti bersepadu mempunyai banyak kelebihan, contohnya, dengan menyepadukan litar pemacu pintu dan kapasitor penyahgandingan, kearuhan parasit bar bas atau penyambung luar modul boleh dikurangkan, sambungan antara peranti kuasa dan pemacu pintu boleh dipendekkan, kearuhan gelung pintu boleh dikurangkan. , gangguan elektromagnet boleh ditindas, prestasi perkongsian semasa dan kelajuan pensuisan boleh dipertingkatkan. Walau bagaimanapun, struktur pakej ini juga mempunyai beberapa batasan. Sebagai contoh, litar pemacu pintu bersepadu secara amnya mudah, dan saiz keseluruhan, kapasiti bawaan semasa dan kekerapan pensuisan modul dihadkan oleh setiap peranti bersepadu. Di samping itu, sebelum peranti disepadukan dan dibungkus, adalah perlu untuk memeriksa rintangan suhu setiap peranti, untuk mengelakkan operasi normal peranti sensitif suhu akan terjejas kerana jarak penyepaduan peranti terlalu dekat [5] .

3.4   Pakej bersepadu kuasa tiga dimensi

Struktur pakej bersepadu ditunjukkan dalam Rajah 6. Struktur pakej tiga dimensi terutamanya dibahagikan kepada pakej tiga dimensi bertindan dan pakej tiga dimensi terbenam [24]. Berdasarkan pakej dua dimensi, ia mengguna pakai ikatan wayar, cip flip, bonggol mikro, Ball Grid Array (BGA), Melalui Silicon Via (TSV), pembenaman PCB dan teknologi proses lain untuk merealisasikan sambung bertindan berbilang cip dalam menegak arah [25

Rajah 6 Diagram skematik struktur pakej bersepadu tiga dimensi [6,29-31]

Dalam pembungkusan 3D bertindan, vias melalui silikon adalah salah satu teknologi yang paling prihatin, yang menggunakan sambungan menegak vias melalui silikon melalui substrat untuk merealisasikan sambungan elektrik antara cip yang berbeza [28]. Teknologi utama pembungkusan melalui silikon termasuk pembentukan lubang melalui silikon, pengisian, penipisan cip dan saling sambungan. Langkah-langkah konkrit adalah seperti berikut: pertama, melalui lubang dibentuk oleh penggerudian laser, etsa kering atau etsa basah, kemudian lapisan penebat SiO2 dan lapisan konduktif tembaga diisi oleh pemendapan wap kimia, kemudian cip ditipiskan dengan pengisaran, dan akhirnya cip disambungkan. dengan ikatan atau ikatan antara logam [29]. Berbanding dengan struktur sambung plumbum dua dimensi satah tradisional, struktur tiga dimensi silikon melalui lubang mempunyai kelebihan saiz kecil, ringan, kecekapan tinggi penggunaan wafer silikon, kelewatan isyarat yang dipendekkan dan penggunaan kuasa yang berkurangan, dsb., dan digunakan secara meluas dalam tahap wafer tiga dimensi, tahap sistem dan pembungkusan litar bersepadu. Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai beberapa batasan. Pertama, kebolehpercayaan, ketumpatan kuasa tinggi struktur pakej melalui silikon, dan masalah pengurusan haba yang besar bagi cip berlamina; Kedua, kosnya tinggi, dan struktur pembungkusan, proses dan ujian adalah rumit.

Pakej 3D terbenam menggunakan wayar kuprum dan mikropori dan bukannya wayar ikatan, dan membenamkan cip dalam laminat PCB, yang boleh mengurangkan volum, meningkatkan kebolehpercayaan dan memudahkan penyepaduan sistem [30]. Cabaran terbesar struktur ini ialah sifat termo-mekanikalnya yang lemah, yang dihadkan oleh tegasan termo-mekanikal yang disebabkan oleh suhu peralihan kaca yang rendah dan CTE tinggi bahan PCB tradisional, dan suhu perkhidmatannya adalah rendah [18]. Di samping itu, kekuatan kulit laminat FR4-PCB adalah rendah, kira-kira 0.9 ~ 1.25 N/mm. Berbanding dengan substrat DBC, kuasa undian modul yang dibenamkan dalam PCB adalah rendah [3].

Sebagai tambahan kepada sambungan kimpalan di atas, pakej tiga dimensi juga boleh dibentuk dengan mengelim. Kes biasa ditunjukkan dalam Rajah 7, iaitu gambar rajah struktur dalaman modul pengelim IGBT Westcode [32]. Komponen disambungkan secara fizikal oleh tekanan mekanikal luaran dan bukannya plumbum, pematerian atau pensinteran. Dengan struktur ringkas, kos rendah dan kebolehpercayaan yang tinggi, ia telah digunakan secara meluas dalam grid kuasa voltan tinggi dan arus tinggi. Walau bagaimanapun, dalam modul pengelim, dimensi dalaman modul, kerataan dan kualiti permukaan setiap komponen dikehendaki tinggi, dan kekonduksian terma dan kekonduksian elektrik sambungan sangat dipengaruhi oleh tekanan dan keseragaman. Ia adalah perlu untuk memilih tekanan pengapit yang sesuai untuk memastikan rintangan sentuhan dan rintangan haba yang lebih kecil, tetapi ia pasti akan terjejas oleh kekasaran permukaan dan ubah bentuk struktur. Struktur dan bahan penimbal elastik dengan CTE kecil, seperti gasket Mo atau Be dan plat spring, sering dimasukkan ke dalam struktur pengelim untuk menyamakan tekanan, mengurangkan tekanan termo-mekanikal dan meningkatkan kebolehpercayaan.

Rajah 7 Struktur dalaman modul pengelim IGBT dalam Sima [6,32]

Bahan utama, teknologi sambungan dan reka bentuk struktur pembungkusan kuasa secara beransur-ansur berkembang ke arah mengeluarkan petunjuk, meningkatkan prestasi pelesapan haba, meningkatkan ketumpatan integrasi, dan lain-lain, untuk memenuhi aplikasi yang boleh dipercayai dalam persekitaran suhu tinggi, voltan tinggi dan frekuensi tinggi. Dengan popularisasi dan aplikasi peranti semikonduktor generasi ketiga, bahan penyambung tampal pateri perak tersinter, silikon melalui teknologi, struktur pembungkusan bersepadu tiga dimensi, dan lain-lain adalah trend utama pada masa hadapan, dan saya percaya prospek aplikasi mereka adalah tidak terhingga.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Elektronik dan Pembungkusan". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi pengarang, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk mencetak semula dan berkongsi untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber dan pengarang asal semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.