Onderzoeksvoortgang van belangrijke elektronische verpakkingsmaterialen en structureel ontwerp

abstract:Traditionele vermogenselektronische verpakkingen zijn voornamelijk gebaseerd op tweedimensionale vlakke verpakkingstechnologieën zoals soldeerverbinding en draadverbinding, die niet kunnen voldoen aan de betrouwbare toepassing van halfgeleiderapparaten van de derde generatie bij hoge frequentie, hoge spanning en hoge temperatuur. Om dit probleem op te lossen heeft de tweedimensionale vlakke verpakking zich geleidelijk ontwikkeld tot een driedimensionale geïntegreerde verpakking. De onderzoeksvoortgang van belangrijke materialen en structuurontwerp in vermogenselektronische verpakkingstechnologie wordt samengevat en geprospecteerd. De verbindingsmaterialen hebben zich geleidelijk ontwikkeld van soldeer op tinbasis tot soldeer op goudbasis, verbindingsmaterialen in de vloeibare fase van voorbijgaande aard, gesinterd zilver en andere materialen met hoge thermische geleidbaarheid en hoge temperatuurbestendigheid, en de verbindingstechnologie heeft zich geleidelijk ontwikkeld van draadbinding tot dubbele verbinding. dubbelzijdige koeling, apparaatintegratie en verticale lamineringsinterconnectie. De schakelprestaties worden verbeterd door het verwijderen van kabels, de vermogensdichtheid wordt verbeterd door verschillende chips en apparaten te integreren, en de efficiëntie van de warmteafvoer wordt verbeterd door dubbelzijdige koeling. Driedimensionale geïntegreerde verpakkingen hebben een groot marktpotentieel en zullen een van de belangrijkste ontwikkelingstrends in de toekomst worden.

trefwoord:Elektronische verpakking; Verpakkings materialen; Verpakkingsstructuur; Driedimensionale verpakking; Gesinterd zilver; Silicium door gat

Fonds project:Project van de Shenzhen Wetenschap en Technologie Commissie(JCYJ20180508161601937)

Vermogenselektronische apparaten ontwikkelen zich in de richting van toepassingen met hoge frequentie, hoge dichtheid, hoog vermogen en hoge temperaturen [1]. Op dit moment domineren op silicium (Si) gebaseerde apparaten nog steeds. Vanwege de eigenschappen van materialen zijn de schakelfrequentie, bedrijfstemperatuur en vermogensdichtheid van op silicium gebaseerde apparaten echter beperkt. Vergeleken met traditionele op silicium gebaseerde apparaten worden halfgeleiders van de derde generatie, zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), steeds vaker gebruikt in hoogspannings-, hoge temperatuur- en hoogfrequente toepassingen zoals draadloze communicatie, elektrische voertuigen en de ruimtevaart vanwege hun hogere doorslagspanning, grotere bandafstand, hogere thermische geleidbaarheid en lager vermogensverlies [2-3]. Tegelijkertijd heeft de snelle ontwikkeling van de derde generatie halfgeleiderapparaten echter strengere eisen aan de verpakkingstechnologie gesteld.

Verpakkingstechnologie is een proces waarbij de chip met het dragersubstraat wordt verbonden en gefixeerd, de pinnen naar buiten worden geleid en tot een geheel voedingsapparaat of module worden gegoten, dat voornamelijk de rol speelt van elektrische verbinding, structurele ondersteuning en bescherming, en zorgt voor warmteafvoer. [4]. Verpakkingsmaterialen, processen en structuren vormen de kern van module-integratie en hebben een directe invloed op de thermische, elektrische en elektromagnetische interferentie-eigenschappen van voedingsmodules. Momenteel is de volwassen verpakkingstechnologie voornamelijk gebaseerd op verbindingsmaterialen zoals zilverlijm of soldeer op tinbasis, en verpakkingsstructuren zoals loodverbindingen, die een slechte weerstand tegen hoge temperaturen en hoge druk hebben, prominente problemen met elektromagnetische compatibiliteit en die niet kunnen zorgen voor een efficiënte warmteafvoer manier. Onlangs hebben gesinterde zilveren verbindingsmaterialen, driedimensionale geïntegreerde pakketstructuren, enz. Uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen en hoge thermische geleidbaarheid, waardoor dubbelzijdige warmtedissipatie kan worden bereikt en schakelverliezen aanzienlijk kunnen worden verminderd, waardoor voedingsmodules goede thermische en elektrische eigenschappen hebben en betrouwbaarheid, en hebben steeds meer onderzoek en aandacht gekregen. Er wordt verwacht dat het zal voldoen aan de betrouwbare toepassing van halfgeleiderapparaten van de derde generatie op het gebied van hoge temperaturen, hoge spanning en hoge frequentie. In dit artikel wordt de nieuwste onderzoeksvoortgang op het gebied van verpakkingsmaterialen voor vermogenselektronica en structuurontwerp samengevat en geprospecteerd.

In figuur 1 wordt een typische pakketstructuur voor een voedingsmodule getoond, die bestaat uit een voedingschip, verbindingsmaterialen, verbindingsdraden, keramisch substraat, bodemplaat, inkapselingsmaterialen, omhulsel en voedingsterminals [3,5]. De thermische, elektrische, mechanische en chemische eigenschappen van elk verpakkingsmateriaal zijn verschillend, dus het is noodzakelijk om de eigenschappen van elk materiaal uitgebreid in overweging te nemen om de beste prestaties van de hele voedingsmodule te selecteren.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

De ontwikkelingstrend van belangrijke verpakkingsmaterialen en -technologieën zoals chipbonding, verbinding en substraat wordt weergegeven in figuur 2. De verbindingstechnologie ontwikkelt zich van het verbinden van draden tot linten, koperen pilaren, leadframes en geplateerde gaten, enz. Door het verwijderen van draden en het vergroten van het verbindingsoppervlak wordt de thermische en elektrische geleidbaarheid verbeterd. De verbindingsmaterialen voor chips hebben zich ontwikkeld van traditioneel solderen tot op goud gebaseerd solderen op hoge temperatuur, tijdelijke vloeistoffase-binding, gesinterd zilver en gesinterd koper, enz., Die de thermische en elektrische geleidbaarheid aanzienlijk verbeteren en voldoen aan de hoge temperatuur en betrouwbare toepassingen. Het substraat ontwikkelt zich in de richting van een verdikking van de metaalgeleidende en warmtegeleidende laag van het keramische substraat, waardoor de efficiëntie van de warmteafvoer wordt verbeterd [5].

Figuur 2 Ontwikkelingstrends van verpakkingsmaterialen en technologieën zoals verbinding, substraat en chipbonding [5]

2.1  Chip materiaal

De prestatieparameters van veelgebruikte halfgeleidermaterialen worden weergegeven in Tabel 1 [6-7]. Vanwege zijn volwassen technologie en lage kosten wordt Si veel gebruikt in verschillende discrete apparaten en geïntegreerde schakelingen, elektronische informatienetwerktechniek en andere gebieden. Vergeleken met Si heeft GaAs de kenmerken van een brede bandafstand en een hoge elektronenmobiliteit, waardoor de RF-grootte en het energieverbruik aanzienlijk kunnen worden verminderd, en het wordt veel gebruikt in apparaten met een laag vermogen in RF, draadloze communicatie en opto-elektronische velden. SiC en GaN hebben een grotere bandafstand, zijn niet gemakkelijk om thermische stralingsenergie te absorberen en naar de geleidingsband te springen wanneer ze bij hoge temperaturen werken, en hebben een hogere doorslagveldsterkte, dus halfgeleiders met een brede bandafstand SiC en GaN zijn geschikter voor hoge temperaturen en hoge temperaturen. spanningsgelegenheden dan Si. SiC heeft een hogere thermische geleidbaarheid, een betere warmteafvoercapaciteit, een hogere dragermobiliteit, een hogere stroomdichtheid en weerstand tegen hoge temperaturen en hoge spanningen, dus wordt het vaak gebruikt als een vermogensapparaat, wat duidelijke voordelen heeft in het hoge vermogensveld met een spanning van 600. V en hoger, en wordt veel gebruikt op het gebied van nieuwe energievoertuigen en elektrische apparatuur. GaN heeft een snellere elektronenmobiliteit en draaggolfsnelheid, kleinere aan-weerstands- en parasitaire parameters bij hoge spanning, en heeft duidelijke voordelen in de richting van radiofrequentie met hoog vermogen. GaN wordt voornamelijk gebruikt in microgolf-RF-velden zoals 5G-communicatie en satellietcommunicatie, vermogenselektronicavelden zoals snel opladen van consumentenelektronica en nieuwe energievoertuigen, en LED-opto-elektronicavelden vanwege de hoge vermogensdichtheid, het lage energieverbruik, de hoge frequentie en bredere bandbreedte. Net als SiC bevindt de GaN-technologie zich momenteel nog in de snelle ontwikkelingsfase en zijn de kosten relatief hoog.

Tabel 1 Eigenschappen van halfgeleiderchipmaterialen [6]

2.2  Spaanverbindingsmateriaal

SnPb-legeringssoldeer, zoals Sn63Pb37, wordt veel gebruikt in chipverbindingsmaterialen vanwege zijn uitstekende eigenschappen, zoals lage afschuifmodulus, hoge bevochtigbaarheid, ductiliteit, thermomechanische eigenschappen en betrouwbaarheid. SnPb voldoet echter niet aan de EU RoHS-loodvrijnorm en het smeltpunt is laag (ongeveer 180 ℃). Daarom zijn nieuwe chipverbindingsmaterialen nodig om te voldoen aan de eisen van thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) en hoge temperatuurbestendigheid van verpakkingsstructuren en -materialen.Momenteel worden de meest gebruikte chipverbindingsmaterialen weergegeven in Tabel 2 [8]. Geleidende zilverpasta bestaat voornamelijk uit harsmatrix, geleidende deeltjes (voornamelijk zilverpoeder), dispergerende additieven en additieven, enz. De elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid zijn relatief laag en de glasovergangstemperatuur is ongeveer 100 ~ 150 ℃, wat beperkt is. op het gebied van hoge temperatuur en hoge druk chipverpakkingen. Vergeleken met SnPb-soldeer hebben loodvrije soldeer, zoals SnAg of SnAgCu, over het algemeen een hoger Sn-gehalte dan 90% en een hoger smeltpunt (ongeveer 220℃). Tijdens het stollingsproces is de mate van onderkoeling hoger en is het gemakkelijk om grove dendritische structuren en intermetallische verbindingen te vormen, die ongelijk verdeeld zijn, waardoor de kruipweerstand wordt verzwakt. Bovendien heeft de SnAgCu-legering een hoge elastische modulus en is de CTE behoorlijk anders dan die van chip en substraat. Onder invloed van thermische cyclusbelasting is het gemakkelijk om vermoeidheidsschade te veroorzaken en te leiden tot het loslaten van de soldeerverbinding, wat de betrouwbaarheid van de soldeerverbinding vermindert [9].

Tabel 2 Eigenschappen van matrijsverbindingsmaterialen [8]

Hoge-temperatuur-hechtmaterialen voor chips, zoals op goud gebaseerde soldeersels van eutectische legeringen zoals AuSn of AuGe, hebben een hoog smeltpunt (hoger dan 280 ℃), thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid, en zijn gemakkelijk soldeerloos solderen te realiseren. Het goudgehalte in soldeer op goudbasis is echter over het algemeen hoog en de kosten zijn hoog, en vanwege de hoge brosheid van de componentfase leidt dit tot de nadelen van moeilijke verwerking, lage opbrengst en slechte productprestaties, wat de kwaliteit ervan ernstig aantast. brede toepassing op het gebied van vermogenselektronische verpakkingen [10].

Transient Liquid Phase BondIng (TLPB) is een proces waarbij tussenlagen (zoals In en Sn) met lagere smeltpunten worden toegevoegd aan de samengevoegde basismaterialen (zoals Cu, Au, Ag en Ni) met hogere smeltpunten, en de tussenlagen en sommige basismaterialen worden door verhitting gesmolten en opnieuw gestold, zodat vaste en vloeibare stoffen elkaar diffunderen en een verbinding vormen. Door geschikte materialen en processen te kiezen, kan transiënte vloeistoffasebinding verbindingen vormen met uitstekende prestaties, zoals een bindingssterkte van meer dan 60 MPa[11]. De toepassing van transiënte vloeistoffaseverbindingen bij chipverbinding bij hoge temperaturen is echter sterk beperkt vanwege de lage keuze aan tussenlagen, hoge kosten en de oxidatie van Au-In en andere materialen.

Gesinterde zilverinterconnectie, ook bekend als lage-temperatuurverbindingstechnologie, is gebaseerd op atoomdiffusie in de vaste fase van nanozilver- of microzilverdeeltjes om een gesinterde verbinding te vormen. Vanwege de lage sintertemperatuur (200 ~ 300 ℃) en het hoge smeltpunt (961 ℃) heeft zilver vele voordelen, zoals een hoge thermische geleidbaarheid, weerstand tegen temperatuurwisselingen en een hoge betrouwbaarheid van vermogenswisselingen. Het is de voorkeurskeuze geworden voor chipinterconnectie bij hoge temperaturen en is uitgebreid bestudeerd en toegepast [12]. Het sinteren van zilver heeft echter ook enkele nadelen, zoals de hoge kosten, agglomeratie bij lage temperatuur van nanozilverdeeltjes, het onder druk sinteren van micron-zilversoldeerpasta, ingewikkeld proces, Ni/Au- of Ni/Ag-plating op het oppervlak van de chip en het substraat. en elektrochemische migratie van zilver. Vergeleken met nano-zilversoldeerpasta heeft nano-koper-soldeerpasta de laatste tijd de aandacht getrokken vanwege de lagere kosten en het feit dat er geen betrouwbaarheidsrisico is door elektrochemische migratie [13]. Nanokoperdeeltjes worden echter gemakkelijk geoxideerd en moeten in een inerte atmosfeer worden gesinterd, wat de procescomplexiteit en de apparatuurkosten verhoogt, en bepaalde toepassingsbeperkingen kent.

2.3  Kunststof verpakkingsmateriaal

De belangrijkste functie van kunststof verpakkingsmateriaal is elektrische isolatie en omgevingsisolatie, die de beschermende rol speelt van vochtbestendig, zoutsproeibestendig, schimmelbestendig, stofdicht, botsingsbestendig en trillingsbestendig, waardoor corrosie en schade aan het milieu worden vermeden. , waardoor de elektrische prestaties van elektronische componenten worden gegarandeerd, zelfs het spanningsniveau van hoogspanningsvoedingsmodules wordt verbeterd, elektrodenontlading wordt vermeden en uiteindelijk de betrouwbaarheid van elektronische producten wordt verbeterd [14]. De soorten en eigenschappen van kunststof verpakkingsmaterialen worden weergegeven in Tabel 3. Kunststof verpakkingsmaterialen kunnen worden onderverdeeld in Conformal Coatings, Underfills, Molding Compounds, Potting Compounds en globtops [14].      

Tabel 3 Soorten en eigenschappen van kunststof verpakkingsmaterialen [14]

Conformele coating is een soort organische coating die gewoonlijk wordt gebruikt voor de oppervlaktebescherming van gedrukte schakelingen, waarvoor goede verbindingsprestaties met substraat en componenten nodig zijn. Over het algemeen worden materialen met een lage waterabsorptie, hoge diëlektrische sterkte, aangepaste CTE en lage elastische modulus geselecteerd, zoals acrylzuur dat kan worden gebruikt bij lage temperaturen van minder dan 120 ℃, polyurethaan dat kan worden gebruikt bij lage temperaturen van minder dan 165 ℃, epoxyhars die kan worden gebruikt bij gemiddelde temperaturen van minder dan 200 ℃, en siliconenhars, paryleen, benzocyclobuteen en polyimide die kunnen worden gebruikt bij hoge temperaturen van meer dan 250 ℃.

Zoals weergegeven in figuur 3 kunnen ondervulling en vormmassa niet alleen isoleren van de omringende omgeving en de elektrische veldspanning verminderen, maar ook de betrouwbaarheid van verpakte producten verbeteren door de thermomechanische spanning veroorzaakt door CTE-mismatch te verminderen of te herverdelen [14]. Daarom moeten zoveel mogelijk materialen worden geselecteerd die overeenkomen met de CTE van elke component in de pakketstructuur, zoals harde materialen met een CTE van (20~30)×10-6/K en minder dan 20×10-6/K. ondervulling en vormmassa om respectievelijk de thermische spanning van soldeerballen en de hele pakketstructuur inclusief soldeerballen te verminderen. Momenteel is de meest gebruikte ondervul- en vormmassa epoxyhars gevuld met silica.

De inkapselingslijm en de bovenste inkapselingslijm verbeteren niet alleen het spanningsniveau tegen doorslag van het elektrische veld en vermijden corrosie en schade aan de omgeving, maar spelen ook een bepaalde rol bij de mechanische ondersteuning van de verpakkingsstructuur. Momenteel zijn de meest gebruikte potlijm- en topafdichtingslijmmaterialen polyurethaan dat kan worden aangebracht bij een lage temperatuur van minder dan 165 ℃, epoxyhars die kan worden aangebracht bij een gemiddelde temperatuur van minder dan 200 ℃, en siliconenrubber of gel die kan worden aangebracht bij een hoge temperatuur van minder dan 300℃. Onder hen worden zachte materialen zoals siliconenrubber of gel veel gebruikt vanwege hun lage hardheid en modulus, hoge plasticiteit en elasticiteit, die weinig invloed hebben op de spanning van verpakkingscomponenten zoals chips en verbindingsdraden. Zachte materialen zoals siliconenrubber en gel hebben echter slechte mechanische ondersteunings- en beschermingsprestaties. Om externe impact te weerstaan, kunnen harde materialen zoals hars worden geselecteerd. Hars heeft echter meestal een hoge modulus, dus het is noodzakelijk om materialen met bijpassende CTE te kiezen om overmatige thermomechanische spanning op de hele pakketstructuur te voorkomen.

(b)模塑料示意图

Figuur 3 Schematisch diagram van ondervulling en vormmassa in de verpakkingsstructuur van vermogenselektronica [14]

2.4  Substraat- en bodemplaatmateriaal

Over het algemeen is het substraat een sandwichstructuur van "metaalgeleidende laag-isolatielaag-metaalgeleidende laag", en worden de bovenste en onderste metalen geleidende lagen gebruikt voor de onderlinge verbinding van respectievelijk de chip en het achtervlak. Volgens het productieproces kunnen de substraten worden onderverdeeld in Direct Bonded Copper-substraat (DBC), Direct Printed Copper-substraat (DPC), Direct Bonded Aluminium-substraat (DBA), Active Metal Brazing-substraat, AMB), geïsoleerd metaalsubstraat (IMS) en dikfilm bedrukt koper (TPC), enz.

DBC-substraat is een eutectische verbinding tussen keramiek en dun koperoxide op koperfilm, die uitstekende prestaties en relatief lage kosten heeft, en veel wordt gebruikt in verpakkingen voor vermogenselektronica. De koperoxidefilm op het keramische grensvlak is echter gemakkelijk te delamineren, wat resulteert in een lage betrouwbaarheid van het DBC-substraat tegen temperatuurschommelingen. AMB-substraat verbindt metaal en keramiek met elkaar door actief metaalsolderen, waardoor de oxidelaag kan worden geëlimineerd en de betrouwbaarheid kan worden verbeterd. DBA gebruikt AlSi-solderen om aluminiumplaat en keramiek te verbinden. Vergeleken met de koperlaag van DBC heeft de aluminiumlaag een lagere hardheid, is bestand tegen hogere thermisch-mechanische spanningen en verbetert de betrouwbaarheid [15]. De thermische geleidbaarheid van aluminium is echter lager dan die van koper en de warmteafvoerprestaties van DBA-substraat zijn niet zo goed als die van DBC-substraat. IMS-substraat omvat een laag isolerende hars met hoge thermische geleidbaarheid, een koperen bodemplaat en een dikke koperfilm. Vergeleken met DBC heeft IMB de voordelen van een eenvoudig productieproces, lage warmtebehandelingstemperatuur, lage kosten en hoge betrouwbaarheid. TPC is een laag koperpasta die door middel van zeefdruk op keramiek wordt gedrukt en die bij 850 ~ 950 ℃ wordt gesinterd om een zeer sterke verbinding tussen metaalfilm en keramiek te vormen. De betrouwbaarheid van de temperatuurcyclus is hoog en kan in hoge mate worden geïntegreerd met chips met geïntegreerde schakelingen en passieve apparaten om een hybride module te vormen. Onlangs verscheen ook het substraat op basis van een dik leadframe en een dunne isolatielaag, wat de structuur van een meerlaags substraat vereenvoudigde en de warmtedissipatie-efficiëntie verbeterde [5].

Gezien de thermische geleidbaarheid en CTE zijn Al2O3, Si3N4, AlN en BeO de meest gebruikte keramische materialen in het substraat. Zie Tabel 4[8,16] voor hun prestatievergelijking. BeO heeft de hoogste thermische geleidbaarheid, maar het stof tijdens het bereidingsproces is schadelijk voor het menselijk lichaam, wat de toepassing ervan beperkt. Al2O3 is de meest economische keuze, maar de mechanische sterkte is matig en de thermische geleidbaarheid relatief slecht. De thermische geleidbaarheid van AlN is hoger dan die van Al2O3 en de CTE past beter bij de chip. Si3N4 heeft een hogere temperatuurcyclusbetrouwbaarheid, maar de kosten zijn relatief hoog [17]. Relatief gesproken is de combinatiebetrouwbaarheid van Al-AlN en Cu-Si3N4 hoger, omdat het voormalige aluminiummateriaal zacht is, de elastische modulus laag is en gemakkelijk te vervormen, wat de schade veroorzaakt door thermische spanning aan keramiek kan vertragen. . Dit laatste Si3N4 heeft een hogere buigsterkte en breuktaaiheid en is bestand tegen de thermische spanning veroorzaakt door koper.

Tabel 4 Eigenschappen van keramische materialen in substraten [8]

Het meest gebruikte basisplaatmateriaal is Cu. Om CTE te verminderen en een hoge thermische geleidbaarheid te garanderen, worden metaalcomposietmaterialen zoals AlSiC, W-Cu, Mo-Cu en Cu-Mo-Cu ook veel gebruikt. Zie Tabel 5[8] voor hun prestatieparameters. Over het algemeen zal de basisplaat worden geplateerd met nikkel, wat de migratie en oxidatie van koperatomen bij hoge temperaturen kan voorkomen en de sterkte en vervormingsweerstand van de koperen basisplaat kan verbeteren.

Tabel 5 Materiaaleigenschappen van bodemplaat [8]

Volgens verschillende chipassemblagemethoden en interconnectieprocessen kunnen vermogenselektronische verpakkingsstructuren in twee typen worden verdeeld: soldeerverpakkingen en krimpverpakkingen. De ontwikkelingstrend van het pakket wordt getoond in figuur 4, waarin het gesoldeerde pakket draadverbinding, flip-chip (BGA-interconnectie), metalen pilaar-interconnectie, verzonken array-interconnectie, afgezette metaalfilm-interconnectie en andere structuren kan aannemen. Opdrukverpakkingen zijn een verbindingsstructuur die wordt gevormd door externe mechanische druk. Voor het gemak van vergelijkende analyse zijn de voor- en nadelen van de bovengenoemde verpakkingsmethoden vermeld in Tabel 6[18]. Wire bonding heeft de voordelen van volwassen technologie, lage kosten en flexibele bedrading. Wire-bonded modules hebben echter een hoge parasitaire inductantie, waardoor de warmte slechts aan één kant van de backplane kan worden afgevoerd [18]. Bovendien wordt, als gevolg van de mismatch van de CTE tussen de verbindingsdraad en de chip, een grote thermomechanische spanning gegenereerd, waardoor de soldeerverbindingen vatbaar zijn voor vermoeidheidsbreuken, en dit wordt de belangrijkste faalvorm van de module tijdens het stroomcyclusproces.

Figuur 4 Ontwikkelingstrend pakketstructuur [5]

Tabel 6 Vergelijking van pakketstructuren [18]

Momenteel heeft de vermogenselektronische verpakkingsstructuur zich geleidelijk ontwikkeld van de traditionele standaardverpakkingsstructuur met draadverbindingen naar Overmold, Double-Side Bonding, Component Integration en 3D Power Integration. Door het verwijderen van kabels kan elektromagnetische interferentie worden verminderd, kan de efficiëntie van de warmtedissipatie worden verbeterd en kan de integratie worden vergroot. Onder hen is de spuitgietstructuur een compact, vlak pakket, dat gemakkelijk is voor de productie van batchmodules; Dubbelzijdige verbindingsstructuur kan dubbelzijdige warmteafvoer realiseren en de efficiëntie van de warmteafvoer verbeteren; De geïntegreerde structuur van het apparaat kan verschillende functies in de module integreren en de schakelsnelheid verbeteren; De driedimensionale vermogensintegratiestructuur is bedoeld om chips in verticale richting te stapelen, wat de parasitaire inductie aanzienlijk kan verminderen en de schakelprestaties kan verbeteren [5]. Vergeleken met tweedimensionale verpakkingen heeft driedimensionale verpakkingen duidelijke voordelen, zoals het aanzienlijk verkorten van de lusafstand in verticale richting, het verminderen van parasitaire inductie en elektromagnetische interferentie, het verhogen van de transmissiesnelheid, het verbeteren van de schakelprestaties en het verminderen van vermogensverlies; Het kan een verscheidenheid aan chips en apparaten integreren, zoals poortaandrijfcircuits, ontkoppelcondensatoren, koellichamen, enz., om de vermogensintegratiedichtheid verder te verbeteren en het pakketvolume te verminderen. Momenteel worden 3D-verpakkingen echter ook geconfronteerd met enkele uitdagingen, zoals thermisch beheer, productietechnologie en opbrengst veroorzaakt door de onderlinge verbinding van chipstacks, en het productieproces moet verder worden verbeterd [6,19].

3.1  Secundair spuitgietpakket

Op basis van de traditionele wire-bonding-verpakkingsstructuur is de two-shot-verpakkingsstructuur een structuur waarin de chip direct aan het leadframe wordt gehecht, de verbindingsdraden worden verwijderd en de epoxyhars wordt gebruikt voor injectieverpakkingen. Vergeleken met de pakketstructuur van draadverbindingen neemt het verbindingsgebied aan de bovenkant van de chip in een spuitgietpakket toe, wat de efficiëntie van de warmteafvoer verbetert. De vermindering van parasitaire inductie vermindert het vermogensverlies, wat zeer gunstig is voor modulaire massaproductie en veel wordt gebruikt in gelijkrichters van elektrische voertuigen.

3.2  Dubbelzijdig aansluitpakket

De dubbelzijdige verbindingsstructuur verbindt de chip met respectievelijk de bovenste en onderste substraten, zoals de SKiN-voedingsmodule [20] voorgesteld door Ximenkang Company en de SiC-voedingsmodule [21] voorgesteld door Fuji Electric, die het doel kan bereiken van het verwijderen van verbindende draden. De structuur van het dubbelzijdige verbindingspakket heeft twee belangrijke voordelen: (1) het elimineren van draadverbindingen op het emitteroppervlak, waardoor parasitaire inductie, spanningsoverschrijding en vermogensverlies effectief worden verminderd, en de schakelprestaties worden verbeterd; (2) Realiseer de warmtedissipatie van de chip in de bovenste en onderste richtingen, verbeter de efficiëntie van de warmtedissipatie en verlaag effectief de junctietemperatuur van de chip, waardoor het falen wordt vertraagd. Oak Ridge National Laboratory stelde een Si IGBT- of SiC MOSFET-vermogensmodule voor met een dubbelzijdig DBC-substraat. Vergeleken met de traditionele wire bonding-module daalde de inductantie met 62%, het schakelverlies met 50% tot 90% en de warmteafvoer met 40% tot 50% [22].

De dubbelzijdige verbindingsstructuur heeft echter ook enkele nadelen. Ten eerste heeft de dubbelzijdige verbindingsstructuur, vergeleken met de draadverbindingsmodule, meer materiaallagen, wat de complexiteit van het verpakkingsproces vergroot. Ten tweede, omdat de CTE van elke materiaallaag verschillend is, zal de thermische mismatch een grotere thermisch-mechanische spanning veroorzaken, wat de betrouwbaarheid van de verbindingslaag zal verminderen. Om de thermomechanische spanning te verminderen, worden sommige metalen die overeenkomen met de CTE van de chip, zoals Mo of Cu/Mo/Cu[23], gebruikt als tussenlaagmaterialen. Ten derde, zoals weergegeven in Figuur 5, is het bij het realiseren van een voedingsmodule met dubbelzijdige multi-chip-verbinding met verschillende diktes noodzakelijk om Micro-Metal Post- of koperen pinnen met verschillende hoogtes tussen de chip en het DBC-substraat te galvaniseren of verbinden, zodat om het hoogteverschilprobleem op te lossen dat wordt veroorzaakt door verschillende diktes van multi-chips [6]. Ten vierde is soldeer op tinbasis het meest gebruikte verbindingsmateriaal in moduleverpakkingen. Bij het dubbelzijdig verpakken van verbindingsmodules zijn meestal meerdere verbindingsstappen nodig, waarvoor een groep soldeer met verschillende smeltpunten nodig is, wat de bedrijfstemperatuur van de module beperkt. Daarom is in de dubbelzijdige verbindingspakketstructuur de gesinterde zilversoldeerpasta met hoge thermische geleidbaarheid, hoge elektrische geleidbaarheid en hoog smeltpunt de voorkeurskeuze geworden voor verbindingsmaterialen.

Figuur 5 Structuur dubbelzijdig aansluitpakket [6]

3.3  Geïntegreerde apparaatverpakking

Geïntegreerd pakket is een apparaat dat meerdere functies in een module integreert, zoals een geïntegreerd poortaandrijfcircuit, ontkoppelcondensator, temperatuursensor, stroomsensor en beveiligingscircuit [18]. Geïntegreerde apparaatverpakkingen hebben veel voordelen, bijvoorbeeld door het poortaandrijfcircuit en de ontkoppelcondensator te integreren, kan de parasitaire inductie van de busbar of de externe connector van de module worden verminderd, kan de verbinding tussen het voedingsapparaat en de poortaandrijving worden verkort en kan de poortlusinductantie worden verminderd Elektromagnetische interferentie kan worden onderdrukt, de prestaties bij het delen van stroom en de schakelsnelheid kunnen worden verbeterd. Deze pakketstructuur heeft echter ook enkele beperkingen. Het geïntegreerde poortaandrijfcircuit is bijvoorbeeld over het algemeen eenvoudig, en de totale omvang, de stroomdraagcapaciteit en de schakelfrequentie van de module worden beperkt door elk geïntegreerd apparaat. Voordat de apparaten worden geïntegreerd en verpakt, is het bovendien noodzakelijk om de temperatuurbestendigheid van elk apparaat te controleren, om te voorkomen dat de normale werking van de temperatuurgevoelige apparaten wordt beïnvloed omdat de integratieafstand van het apparaat te klein is [5]. .

3.4   Driedimensionaal krachtgeïntegreerd pakket

De geïntegreerde pakketstructuur wordt weergegeven in figuur 6. De driedimensionale pakketstructuur is hoofdzakelijk verdeeld in gestapelde driedimensionale pakketten en ingebedde driedimensionale pakketten [24]. Op basis van een tweedimensionaal pakket maakt het gebruik van wire bonding, flip-chip, micro bump, Ball Grid Array (BGA), Through Silicon Via (TSV), PCB-inbedding en andere procestechnologieën om gestapelde interconnectie met meerdere chips in de verticale richting te realiseren richting [25

Figuur 6 Schematisch diagram van driedimensionale geïntegreerde pakketstructuur [6,29-31]

In de gestapelde 3D-verpakking zijn door-silicium-via's een van de meest zorgwekkende technologieën, die de verticale onderlinge verbinding van door-silicium-via's door het substraat gebruiken om de elektrische verbinding tussen verschillende chips te realiseren [28]. De belangrijkste technologieën voor door-siliciumverpakkingen omvatten het vormen van door-siliciumgaten, vullen, verdunnen van spanen en onderlinge verbinding. De concrete stappen zijn als volgt: eerst worden doorgaande gaten gevormd door laserboren, droog etsen of nat etsen, vervolgens worden de SiO2-isolatielaag en de koperen geleidende laag opgevuld door chemische dampafzetting, vervolgens worden de spanen verdund door slijpen en ten slotte worden de spanen met elkaar verbonden. door binding of binding tussen metalen [29]. Vergeleken met de traditionele vlakke tweedimensionale lead-verbindingsstructuur heeft de driedimensionale structuur van een siliciumdoorvoergat de voordelen van een klein formaat, een laag gewicht, een hoge efficiëntie van het gebruik van siliciumwafels, een kortere signaalvertraging en een lager energieverbruik, enz., en wordt veel gebruikt op driedimensionaal waferniveau, systeemniveau en verpakking van geïntegreerde schakelingen. Het heeft echter ook enkele beperkingen. Ten eerste de betrouwbaarheid, de hoge vermogensdichtheid van de door-silicium-pakketstructuur en het grote thermische beheersprobleem van de gelamineerde chip; Ten tweede zijn de kosten hoog en zijn de verpakkingsstructuur, het proces en de tests ingewikkeld.

Het ingebedde 3D-pakket maakt gebruik van koperdraad en microporiën in plaats van verbindingsdraad, en integreert de chip in PCB-laminaat, wat het volume kan verminderen, de betrouwbaarheid kan verbeteren en de systeemintegratie kan vergemakkelijken [30]. De grootste uitdaging van deze structuur zijn de slechte thermomechanische eigenschappen, die worden beperkt door de thermomechanische spanning veroorzaakt door de lage glasovergangstemperatuur en hoge CTE van traditionele PCB-materialen, en de gebruikstemperatuur is laag [18]. Bovendien is de pelsterkte van FR4-PCB-laminaat laag, ongeveer 0.9 ~ 1.25 N/mm. Vergeleken met DBC-substraat is het nominale vermogen van de in de PCB ingebedde module laag [3].

Naast de bovengenoemde lasverbinding kan een driedimensionale behuizing ook worden gevormd door middel van krimpen. Een typisch geval wordt getoond in Figuur 7, het interne structuurdiagram van de Westcode IGBT-krimpmodule [32]. De componenten worden fysiek verbonden door externe mechanische druk in plaats van door middel van draden, solderen of sinteren. Dankzij de eenvoudige structuur, lage kosten en hoge betrouwbaarheid wordt deze module veel gebruikt in hoogspannings- en hoogstroomnetten. In de krimpmodule moeten de interne afmetingen van de module, de vlakheid en de oppervlaktekwaliteit van elke component echter hoog zijn, en de thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid van de verbinding worden sterk beïnvloed door de druk en uniformiteit. Het is noodzakelijk om de juiste klemdruk te selecteren om de kleinere contactweerstand en thermische weerstand te garanderen, maar deze zal onvermijdelijk worden beïnvloed door de oppervlakteruwheid en structurele vervorming. Elastische bufferstructuren en materialen met kleine CTE, zoals Mo- of Be-pakkingen en veerplaten, worden vaak in de krimpstructuur geïntroduceerd om de druk gelijk te maken, de thermomechanische spanning te verminderen en de betrouwbaarheid te verbeteren.

Figuur 7 Interne structuur van de IGBT-krimpmodule in Sima [6,32]

De belangrijkste materialen, verbindingstechnologie en structuurontwerp van stroomverpakkingen ontwikkelen zich geleidelijk in de richting van het verwijderen van leads, het verbeteren van de warmtedissipatieprestaties, het verhogen van de integratiedichtheid, enz., Om te voldoen aan de betrouwbare toepassing in omgevingen met hoge temperaturen, hoge spanning en hoge frequentie. Met de popularisering en toepassing van halfgeleiderapparaten van de derde generatie zijn verbindingsmaterialen van gesinterde zilversoldeerpasta, silicium via-technologie, driedimensionale geïntegreerde verpakkingsstructuur, enz. de belangrijkste trends in de toekomst, en ik geloof dat hun toepassingsvooruitzichten oneindig zijn.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen uit "Elektronica en verpakking". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur en vertegenwoordigt niet de mening van Sacco Micro en de industrie. Het herdrukken en delen is alleen bedoeld om de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.