abstrakcyjny:Tradycyjne opakowania energoelektroniczne opierają się głównie na dwuwymiarowych technologiach pakowania płaskiego, takich jak połączenie lutowane i łączenie przewodów, które nie są w stanie zapewnić niezawodnego zastosowania urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji przy wysokiej częstotliwości, wysokim napięciu i wysokiej temperaturze. Aby rozwiązać ten problem, dwuwymiarowe płaskie opakowanie stopniowo przekształciło się w trójwymiarowe opakowanie zintegrowane. Podsumowano i przedstawiono postęp badań nad kluczowymi materiałami i projektowaniem konstrukcji w technologii opakowań energoelektronicznych. Materiały łączące stopniowo ewoluowały od lutu na bazie cyny do lutu na bazie złota, przejściowych materiałów łączących w fazie ciekłej, spiekanego srebra i innych materiałów o wysokiej przewodności cieplnej i odporności na wysoką temperaturę, a technologia łączenia stopniowo ewoluowała od łączenia drutów do podwójnie- chłodzenie dwustronne, integracja urządzeń i wzajemne połączenie laminacji pionowej. Wydajność przełącznika poprawia się poprzez usunięcie przewodów, gęstość mocy poprawia się poprzez integrację różnych chipów i urządzeń, a wydajność rozpraszania ciepła poprawia się dzięki dwustronnemu chłodzeniu. Trójwymiarowe opakowania zintegrowane mają ogromny potencjał rynkowy i w przyszłości staną się jednym z głównych trendów rozwojowych.

keyword:Opakowania elektroniczne; Materiały do pakowania; Struktura opakowania; Opakowania trójwymiarowe; Spiekane srebro; Silikonowy otwór przelotowy

Projekt funduszu:Projekt Komisji Nauki i Technologii w Shenzhen（JCYJ20180508161601937）

Urządzenia energoelektroniczne rozwijają się w kierunku zastosowań związanych z wysoką częstotliwością, dużą gęstością, dużą mocą i wysoką temperaturą [1]. Obecnie nadal dominują urządzenia na bazie krzemu (Si). Jednak ze względu na właściwości materiałów częstotliwość przełączania, temperatura pracy i gęstość mocy urządzeń na bazie krzemu są ograniczone. W porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami na bazie krzemu, półprzewodniki trzeciej generacji, takie jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), są coraz częściej stosowane w zastosowaniach wysokiego napięcia, wysokiej temperatury i wysokiej częstotliwości, takich jak komunikacja bezprzewodowa, urządzenia elektryczne pojazdów i lotnictwa ze względu na wyższe napięcie przebicia, szersze pasmo wzbronione, wyższą przewodność cieplną i mniejsze straty mocy [2-3]. Jednocześnie jednak szybki rozwój urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji postawił coraz bardziej rygorystyczne wymagania wobec technologii pakowania.

Technologia pakowania to proces łączenia i mocowania chipa z podłożem nośnym, wyprowadzania pinów i formowania ich w całe urządzenie lub moduł zasilający, który pełni głównie rolę połączenia elektrycznego, wsparcia strukturalnego i ochrony oraz zapewniania odprowadzania ciepła [4]. Materiały, procesy i konstrukcje opakowaniowe, stanowiące rdzeń integracji modułów, bezpośrednio wpływają na charakterystykę zakłóceń termicznych, elektrycznych i elektromagnetycznych modułów mocy. Obecnie dojrzała technologia pakowania opiera się głównie na materiałach łączących, takich jak klej srebrny lub lut na bazie cyny, oraz konstrukcjach opakowań, takich jak połączenie ołowiowe, które mają słabą odporność na wysokie temperatury i wysokie ciśnienie, znaczne problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną i nie mogą zapewniają efektywny sposób odprowadzania ciepła. Ostatnio materiały łączące ze spiekanego srebra, trójwymiarowe zintegrowane struktury opakowań itp. mają doskonałą odporność na wysokie temperatury i wysoką przewodność cieplną, co pozwala uzyskać dwustronne rozpraszanie ciepła i znacznie zmniejszyć straty przełączania, dzięki czemu moduły mocy mają dobre właściwości termiczne i elektryczne oraz niezawodność i zyskały coraz więcej badań i uwagi. Oczekuje się, że spełni niezawodne zastosowanie urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji w obszarach wysokiej temperatury, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości. W artykule podsumowano i przedstawiono najnowsze postępy badawcze w zakresie materiałów opakowaniowych dla energoelektroniki oraz projektowania konstrukcji.

Typową strukturę pakietu modułu mocy pokazano na rysunku 1, który składa się z chipa zasilającego, materiałów łączących, przewodów łączących, podłoża ceramicznego, płyty dolnej, materiałów zalewających, obudowy i zacisków zasilania [3,5]. Właściwości termiczne, elektryczne, mechaniczne i chemiczne każdego materiału opakowaniowego są różne, dlatego konieczne jest kompleksowe rozważenie właściwości każdego materiału, aby wybrać najlepszą wydajność całego modułu mocy.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

Trend rozwojowy kluczowych materiałów i technologii opakowaniowych, takich jak łączenie wiórów, łączenie i podłoże, pokazano na rysunku 2. Technologia łączenia rozwija się od łączenia przewodów z taśmami, słupkami miedzianymi, ramkami ołowianymi i platerowanymi otworami przelotowymi itp. Usunięcie przewodów i zwiększenie powierzchni połączenia poprawia przewodność cieplną i elektryczną. Materiały wiążące do chipów rozwinęły się od tradycyjnego lutowania do lutowania w wysokiej temperaturze na bazie złota, przejściowego łączenia w fazie ciekłej, spiekanego srebra i spiekanej miedzi itp., które znacznie poprawiają przewodność cieplną i elektryczną oraz spełniają wysokie temperatury i niezawodne Aplikacje. Podłoże rozwija się w kierunku pogrubienia metalicznej i termoprzewodzącej warstwy podłoża ceramicznego, poprawiając w ten sposób skuteczność odprowadzania ciepła [5].

Rysunek 2. Trendy rozwojowe materiałów i technologii opakowaniowych takich jak łączenie, łączenie podłoża i wiórów [5]

2.1  Materiał wiórowy

Parametry użytkowe powszechnie stosowanych materiałów półprzewodnikowych przedstawiono w tabeli 1 [6-7]. Ze względu na dojrzałą technologię i niski koszt Si jest szeroko stosowany w różnych urządzeniach dyskretnych i układach scalonych, inżynierii elektronicznych sieci informatycznych i innych dziedzinach. W porównaniu z Si, GaA charakteryzuje się szeroką przerwą wzbronioną i wysoką ruchliwością elektronów, co może znacznie zmniejszyć rozmiar RF i zużycie energii, i jest szeroko stosowany w urządzeniach o małej mocy w RF, komunikacji bezprzewodowej i polach optoelektronicznych. SiC i GaN mają większą przerwę wzbronioną, niełatwo absorbują energię promieniowania cieplnego i przeskakują do pasma przewodnictwa podczas pracy w wysokiej temperaturze oraz mają wyższą siłę pola przebicia, dlatego półprzewodniki SiC i GaN o szerokiej przerwie energetycznej są bardziej odpowiednie do pracy w wysokich temperaturach i wysokich razy napięcia niż Si. SiC ma wyższą przewodność cieplną, lepszą zdolność rozpraszania ciepła, większą ruchliwość nośnika, większą gęstość prądu oraz odporność na wysoką temperaturę i wysokie napięcie, dlatego często jest używany jako urządzenie zasilające, co ma oczywiste zalety w polu dużej mocy przy napięciu 600 V i więcej i jest szeroko stosowany w dziedzinie nowych pojazdów energetycznych i sprzętu zasilającego. GaN ma większą ruchliwość elektronów i prędkość nośnika, mniejszą rezystancję włączenia i parametry pasożytnicze przy wysokim napięciu oraz ma oczywiste zalety w kierunku częstotliwości radiowej dużej mocy. GaN jest stosowany głównie w mikrofalowych polach RF, takich jak komunikacja 5G i komunikacja satelitarna, obszarach energoelektroniki, takich jak szybkie ładowanie elektroniki użytkowej i pojazdów nowej energii, oraz polach optoelektroniki LED ze względu na wysoką gęstość mocy, niskie zużycie energii, wysoką częstotliwość i szersze przepustowość łącza. Podobnie jak SiC, technologia GaN jest obecnie nadal w fazie szybkiego rozwoju, a koszt jest stosunkowo wysoki.

Tabela 1 Właściwości materiałów półprzewodnikowych na chipy [6]

2.2  Materiał wiążący wióry

Lut stopowy SnPb, taki jak Sn63Pb37, jest szeroko stosowany w materiałach wiążących wióry ze względu na jego doskonałe właściwości, takie jak niski moduł sprężystości przy ścinaniu, wysoka zwilżalność, plastyczność, właściwości termomechaniczne i niezawodność. Jednak SnPb nie spełnia europejskiej normy RoHS dotyczącej bezołowiowości, a jego temperatura topnienia jest niska (około 180 ℃). Dlatego potrzebne są nowe materiały wiążące wióry, aby spełnić wymagania dotyczące dopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) i odporności na wysoką temperaturę konstrukcji i materiałów opakowaniowych.Obecnie najczęściej stosowane materiały wiążące wióry przedstawiono w tabeli 2 [8]. Przewodząca pasta srebrna składa się głównie z matrycy żywicznej, cząstek przewodzących (głównie proszku srebra), dodatków dyspergujących i dodatków itp. Jej przewodność elektryczna i przewodność cieplna są stosunkowo niskie, a temperatura zeszklenia wynosi około 100 ~ 150 ℃, co jest ograniczone w zakresie wysokotemperaturowego i wysokociśnieniowego pakowania wiórów. W porównaniu z lutami SnPb, luty bezołowiowe, takie jak SnAg lub SnAgCu, mają na ogół wyższą zawartość Sn niż 90% i wyższą temperaturę topnienia (około 220 ℃). W procesie krzepnięcia stopień przechłodzenia jest większy, łatwo powstają gruboziarniste struktury dendrytyczne i związki międzymetaliczne, które są nierównomiernie rozmieszczone, co osłabia jego odporność na pełzanie. Ponadto stop SnAgCu ma wysoki moduł sprężystości, a jego WRC jest zupełnie inny niż w przypadku wiórów i podłoża. Pod wpływem cyklicznego obciążenia termicznego łatwo jest spowodować uszkodzenia zmęczeniowe i doprowadzić do złuszczania się złącza lutowniczego, co zmniejsza niezawodność połączenia lutowanego [9].

Tabela 2 Właściwości materiałów spajających matrycę [8]

Wysokotemperaturowe materiały wiążące do chipów, takie jak luty ze stopów eutektycznych na bazie złota, takie jak AuSn lub AuGe, mają wysoką temperaturę topnienia (powyżej 280 ℃), przewodność cieplną i przewodność elektryczną oraz można je łatwo wykonać poprzez lutowanie bez lutowania. Jednakże zawartość złota w lutach na bazie złota jest na ogół wysoka, a koszt wysoki, a ze względu na dużą kruchość fazy składowej prowadzi to do wad w postaci trudnego przetwarzania, niskiej wydajności i słabej wydajności produktu, co poważnie wpływa na jego szerokie zastosowanie w dziedzinie opakowań energoelektronicznych [10].

Przejściowe wiązanie fazy ciekłej (TLPB) to proces, w którym warstwy pośrednie (takie jak In i Sn) o niższych temperaturach topnienia są dodawane do połączonych materiałów podstawowych (takich jak Cu, Au, Ag i Ni) o wyższych temperaturach topnienia, a warstwy pośrednie i niektóre materiały podstawowe topią się i ponownie zestalają przez ogrzewanie, tak że ciało stałe i ciecz dyfundują wzajemnie, tworząc połączenie. Wybierając odpowiednie materiały i procesy, przejściowe wiązanie w fazie ciekłej może stworzyć połączenia o doskonałych parametrach, takich jak siła wiązania większa niż 60 MPa[11]. Jednakże zastosowanie przejściowego połączenia w fazie ciekłej w wysokotemperaturowych połączeniach chipów jest znacznie ograniczone ze względu na niewielki wybór warstwy pośredniej, wysoki koszt oraz utlenianie Au-In i innych materiałów.

Połączenie spiekanego srebra, znane również jako technologia połączeń niskotemperaturowych, opiera się na dyfuzji atomów w fazie stałej cząstek nanosrebra lub mikrosrebra w celu utworzenia spiekanego połączenia. Ze względu na niską temperaturę spiekania (200 ~ 300 ℃) i wysoką temperaturę topnienia (961 ℃) srebro ma wiele zalet, takich jak wysoka przewodność cieplna, odporność na cykliczne zmiany temperatury i wysoka niezawodność cyklicznego zasilania. Stało się preferowanym wyborem w przypadku wzajemnych połączeń chipów w wysokiej temperaturze i było szeroko badane i stosowane [12]. Jednak spiekanie srebra ma również pewne wady, takie jak wysoki koszt, niskotemperaturowa aglomeracja nanocząstek srebra, spiekanie ciśnieniowe mikronowej pasty lutowniczej ze srebrem, skomplikowany proces, powlekanie Ni/Au lub Ni/Ag na powierzchni chipa i podłoża i elektrochemiczną migrację srebra. W porównaniu z pastą lutowniczą nano-srebrem, pasta lutownicza nano-miedzią przyciąga ostatnio uwagę ze względu na niższy koszt i brak ryzyka migracji elektrochemicznej [13]. Jednakże cząstki nano-miedzi łatwo ulegają utlenieniu i wymagają spiekania w atmosferze obojętnej, co zwiększa złożoność procesu i koszt sprzętu, a także ma pewne ograniczenia w zastosowaniu.

2.3  Plastikowy materiał opakowaniowy

Główną funkcją plastikowych materiałów opakowaniowych jest izolacja elektryczna i izolacja środowiska, która pełni rolę ochronną, odporną na wilgoć, mgłę solną, pleśń, pyłoszczelność, odporność na kolizje i wibracje, unikając korozji i uszkodzeń środowiska , zapewniając w ten sposób parametry elektryczne elementów elektronicznych, nawet poprawiając poziom napięcia modułów mocy wysokiego napięcia, unikając wyładowań elektrod i ostatecznie poprawiając niezawodność produktów elektronicznych [14]. Rodzaje i właściwości opakowań z tworzyw sztucznych przedstawiono w Tabeli 3. Plastikowe materiały opakowaniowe można podzielić na powłoki konformalne, wypełnienia, masy do formowania, masy do zalewania i globtopy [14].      

Tabela 3 Rodzaje i właściwości opakowań z tworzyw sztucznych [14]

Powłoka konforemna to rodzaj powłoki organicznej powszechnie stosowanej do ochrony powierzchni obwodów drukowanych, która wymaga dobrego połączenia z podłożem i komponentami. Ogólnie rzecz biorąc, wybiera się materiały o niskiej absorpcji wody, dużej wytrzymałości dielektrycznej, dopasowanym WRC i niskim module sprężystości, takie jak kwas akrylowy, który można stosować w niskiej temperaturze poniżej 120℃, poliuretan, który można stosować w niskiej temperaturze poniżej 165℃, żywica epoksydowa, którą można stosować w średniej temperaturze poniżej 200 ℃ oraz żywica silikonowa, parylen, benzocyklobuten i poliimid, które można stosować w wysokiej temperaturze wyższej niż 250 ℃.

Jak pokazano na rysunku 3, masa wypełniająca i formierska może nie tylko izolować od otaczającego środowiska i zmniejszać naprężenia pola elektrycznego, ale także poprawiać niezawodność pakowanych produktów poprzez redukcję lub redystrybucję naprężeń termomechanicznych spowodowanych niedopasowaniem CTE [14]. Dlatego należy w miarę możliwości wybierać materiały odpowiadające współczynnikowi WRC każdego elementu konstrukcji opakowania, np. materiały twarde o WRC wynoszącym (20~30)×10-6/K i mniejszym niż 20×10-6/K, jak odpowiednio wypełniacz i masę do formowania, aby zmniejszyć naprężenia termiczne powodowane przez kulki lutownicze i całą konstrukcję opakowania, w tym kulki lutownicze. Obecnie najczęściej stosowaną masą wypełniającą i formierską jest żywica epoksydowa wypełniona krzemionką.

Klej do zalewania i górny klej kapsułkujący nie tylko poprawiają poziom napięcia przed przebiciem pola elektrycznego oraz zapobiegają korozji i uszkodzeniom otaczającego środowiska, ale także odgrywają pewną rolę w mechanicznym podparciu konstrukcji opakowania. Obecnie najczęściej stosowanymi klejami do zalewania i klejami do górnego uszczelniania są poliuretan, który można nakładać w niskiej temperaturze poniżej 165 ℃, żywica epoksydowa, którą można nakładać w średniej temperaturze poniżej 200 ℃ oraz kauczuk silikonowy lub żel, który można nakładać w wysokiej temperaturze poniżej 300℃. Wśród nich szeroko stosowane są materiały miękkie, takie jak kauczuk silikonowy czy żel, ze względu na ich niską twardość i moduł, dużą plastyczność i elastyczność, które mają niewielki wpływ na naprężenia elementów opakowania, takich jak wióry i druty spajające. Jednakże miękkie materiały, takie jak guma silikonowa i żel, mają słabe wsparcie mechaniczne i skuteczność ochronną. Aby wytrzymać uderzenia zewnętrzne, można wybrać twarde materiały, takie jak żywica. Jednak żywica ma zwykle wysoki moduł, dlatego należy wybierać materiały o odpowiednim współczynniku WRC, aby uniknąć nadmiernych naprężeń termomechanicznych w całej konstrukcji opakowania.

(b)模塑料示意图

Rysunek 3 Schematyczny diagram wypełnienia i masy formierskiej w strukturze opakowania energoelektronicznego [14]

2.4  Materiał podłoża i płyty dolnej

Ogólnie rzecz biorąc, podłoże jest strukturą warstwową złożoną z „metalowej warstwy przewodzącej – warstwy izolacyjnej – metalowej warstwy przewodzącej”, a górna i dolna metalowa warstwa przewodząca służą odpowiednio do wzajemnego połączenia chipa i płyty montażowej. Zgodnie z procesem produkcyjnym podłoża można podzielić na podłoże z miedzi łączonej bezpośrednio (DBC), podłoże z miedzi łączonej bezpośrednio (DPC), podłoże z aluminium łączonego bezpośrednio (DBA), podłoże z lutowania twardego metalu aktywnego, AMB), izolowane podłoże metalowe (IMS) i grubowarstwowa miedź drukowana (TPC) itp.

Podłoże DBC to eutektyczne połączenie pomiędzy ceramiką i cienkim tlenkiem miedzi na folii miedzianej, które ma doskonałą wydajność i stosunkowo niski koszt i jest szeroko stosowane w opakowaniach energoelektronicznych. Jednakże warstwa tlenku miedzi na styku ceramiki jest łatwa do rozwarstwienia, co skutkuje niską odpornością podłoża DBC na wahania temperatury. Podłoże AMB łączy metal i ceramikę za pomocą aktywnego lutowania metalu, co może wyeliminować warstwę tlenku i poprawić niezawodność. DBA wykorzystuje lutowanie AlSi do łączenia płyty aluminiowej i ceramiki. W porównaniu z warstwą miedzi DBC warstwa aluminium ma niższą twardość, może wytrzymać większe naprężenia termomechaniczne i poprawić niezawodność [15]. Jednakże przewodność cieplna aluminium jest niższa niż miedzi, a wydajność rozpraszania ciepła podłoża DBA nie jest tak dobra, jak podłoża DBC. Podłoże IMS składa się z warstwy żywicy izolacyjnej o wysokiej przewodności cieplnej, miedzianej płyty dolnej i grubej folii miedzianej. W porównaniu z DBC, IMB ma zalety prostego procesu produkcyjnego, niskiej temperatury obróbki cieplnej, niskiego kosztu i wysokiej niezawodności. TPC to warstwa pasty miedzianej nadrukowana na ceramice metodą sitodruku, która jest spiekana w temperaturze 850 ~ 950 ℃ w celu utworzenia połączenia o wysokiej wytrzymałości pomiędzy folią metalową a ceramiką. Niezawodność cyklu temperaturowego jest wysoka i można go w dużym stopniu zintegrować z układami scalonymi i urządzeniami pasywnymi, tworząc moduł hybrydowy. Ostatnio pojawiło się także podłoże oparte na grubej ramie ołowianej i cienkiej warstwie izolacyjnej, co uprościło konstrukcję wielowarstwowego podłoża i poprawiło efektywność odprowadzania ciepła [5].

Biorąc pod uwagę przewodność cieplną i WRC, najczęściej stosowanymi materiałami ceramicznymi w podłożu są Al2O3, Si3N4, AlN i BeO. Porównanie wydajności można znaleźć w Tabeli 4 [8,16]. BeO ma najwyższą przewodność cieplną, jednak pył powstający w procesie przygotowania jest szkodliwy dla organizmu ludzkiego, co ogranicza jego zastosowanie. Al2O3 jest najbardziej ekonomicznym wyborem, ale jego wytrzymałość mechaniczna jest umiarkowana, a przewodność cieplna stosunkowo słaba. Przewodność cieplna AlN jest wyższa niż Al2O3, a współczynnik CTE jest lepiej dopasowany do chipa. Si3N4 ma wyższą niezawodność cyklicznych temperatur, ale jego koszt jest stosunkowo wysoki [17]. Relatywnie rzecz biorąc, niezawodność połączenia Al-AlN i Cu-Si3N4 jest wyższa, ponieważ poprzedni materiał aluminiowy jest miękki, jego moduł sprężystości jest niski i łatwo się odkształca, co może spowolnić uszkodzenia ceramiki spowodowane naprężeniami termicznymi . Ten ostatni Si3N4 ma wyższą wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie oraz może wytrzymać naprężenia termiczne powodowane przez miedź.

Tabela 4 Właściwości materiałów ceramicznych w podłożach [8]

Najpopularniejszym materiałem płyty podstawowej jest Cu. Aby zmniejszyć współczynnik CTE i zapewnić wysoką przewodność cieplną, szeroko stosuje się również metalowe materiały kompozytowe, takie jak AlSiC, W-Cu, Mo-Cu i Cu-Mo-Cu. Patrz tabela 5 [8], aby zapoznać się z parametrami wydajnościowymi. Ogólnie rzecz biorąc, płyta podstawowa będzie pokryta niklem, co może zapobiec migracji i utlenianiu atomów miedzi w wysokiej temperaturze oraz poprawić wytrzymałość i odporność na odkształcenia miedzianej płyty podstawowej.

Tabela 5 Właściwości materiałowe płyty dolnej [8]

Zgodnie z różnymi metodami montażu chipów i procesami łączenia, konstrukcje opakowań energoelektronicznych można podzielić na dwa typy: opakowania do lutowania i opakowania do zaciskania. Trend rozwojowy pakietu pokazano na rysunku 4, na którym lutowany pakiet może przyjmować łączenie drutowe, flip-chip (połączenie BGA), połączenie z metalowymi filarami, połączenie z wnękową matrycą, połączenie z osadzoną folią metalową i inne struktury. Opakowanie wciskane to struktura łącząca utworzona pod wpływem zewnętrznego nacisku mechanicznego. Dla wygody analizy porównawczej zalety i wady powyższych sposobów pakowania zestawiono w tabeli 6 [18]. Łączenie przewodów ma zalety dojrzałej technologii, niskich kosztów i elastycznego okablowania. Jednakże moduły łączone przewodowo mają wysoką indukcyjność pasożytniczą, która może rozpraszać ciepło tylko z jednej strony płyty montażowej [18]. Ponadto na skutek niedopasowania współczynnika CTE pomiędzy drutem łączącym a chipem powstają duże naprężenia termomechaniczne, które powodują, że złącza lutowane są podatne na uszkodzenia zmęczeniowe i stają się główną formą uszkodzeń modułu w procesie cyklu zasilania.

Rysunek 4 Trend rozwojowy struktury opakowania [5]

Tabela 6 Porównanie struktur opakowań [18]

Obecnie struktura opakowań energoelektronicznych stopniowo ewoluowała od tradycyjnej standardowej struktury opakowania poprzez łączenie drutowe do Overmold, klejenia dwustronnego, integracji komponentów i integracji zasilania 3D. Usuwając przewody, można zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne, poprawić wydajność rozpraszania ciepła i zwiększyć integrację. Wśród nich struktura do formowania wtryskowego to kompaktowy płaski pakiet, który jest łatwy w produkcji modułów wsadowych; Dwustronna struktura połączenia może realizować dwustronne rozpraszanie ciepła i poprawiać efektywność rozpraszania ciepła; Zintegrowana struktura urządzenia może integrować różne funkcje w module i poprawiać prędkość przełączania; Trójwymiarowa struktura integracji mocy polega na układaniu chipów w kierunku pionowym, co może znacznie zmniejszyć indukcyjność pasożytniczą i poprawić wydajność przełączania [5]. W porównaniu z opakowaniem dwuwymiarowym, opakowanie trójwymiarowe ma oczywiste zalety, takie jak znaczne skrócenie odległości pętli w kierunku pionowym, zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej i zakłóceń elektromagnetycznych, zwiększenie prędkości transmisji, poprawa wydajności przełączania i zmniejszenie strat mocy; Może integrować różne chipy i urządzenia, takie jak obwody napędu bramki, kondensatory odsprzęgające, radiatory itp., Aby jeszcze bardziej poprawić gęstość integracji mocy i zmniejszyć objętość obudowy. Jednak obecnie opakowania 3D stoją również przed pewnymi wyzwaniami, takimi jak zarządzanie temperaturą, technologia produkcji i wydajność spowodowana wzajemnym połączeniem stosów chipów, a proces produkcyjny wymaga dalszego udoskonalenia [6,19].

3.1  Pakiet wtórnego formowania wtryskowego

W oparciu o tradycyjną strukturę opakowania z drutem, dwustrzałowa struktura opakowania jest konstrukcją, w której chip jest bezpośrednio połączony z ramą prowadzącą, druty łączące są usuwane, a żywica epoksydowa jest używana do pakowania wtryskowego. W porównaniu ze strukturą pakietu łączenia drutowego, obszar połączenia w górnej części chipa w pakiecie do formowania wtryskowego zwiększa się, co poprawia efektywność rozpraszania ciepła. Zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej zmniejsza straty mocy, co jest bardzo korzystne w masowej produkcji modułowej i jest szeroko stosowane w prostownikach pojazdów elektrycznych.

3.2  Dwustronny pakiet połączeń

Dwustronna struktura połączenia łączy chip odpowiednio z górnym i dolnym podłożem, takim jak moduł mocy SKiN [20] zaproponowany przez firmę Ximenkang i moduł mocy SiC [21] zaproponowany przez Fuji Electric, które mogą osiągnąć cel usuwania przewody łączące. Dwustronna struktura pakietu połączeń ma dwie główne zalety: (1) eliminuje łączenie przewodów na powierzchni emitera, skutecznie zmniejszając indukcyjność pasożytniczą, przekroczenie napięcia i utratę mocy oraz poprawiając wydajność przełączania; (2) Zrealizuj rozpraszanie ciepła chipa w górnym i dolnym kierunku, popraw wydajność rozpraszania ciepła i skutecznie obniż temperaturę złącza chipa, spowalniając w ten sposób awarię. Oak Ridge National Laboratory zaproponowało moduł mocy Si IGBT lub SiC MOSFET z obudową dwustronnego podłoża DBC. W porównaniu z tradycyjnym modułem z łączeniem drutowym, jego indukcyjność zmniejszyła się o 62%, straty przełączania zmniejszyły się o 50%–90%, a wydajność odprowadzania ciepła wzrosła o 40%–50% [22].

Jednak dwustronna konstrukcja połączenia ma również pewne wady. Po pierwsze, w porównaniu z modułem do łączenia drutu, dwustronna konstrukcja połączenia posiada więcej warstw materiałów, co zwiększa złożoność procesu pakowania. Po drugie, ponieważ współczynnik CTE każdej warstwy materiałów jest inny, niedopasowanie termiczne spowoduje większe naprężenia termomechaniczne, co zmniejszy niezawodność warstwy łączącej. Aby zmniejszyć naprężenia termomechaniczne, jako materiały międzywarstwowe stosuje się metale odpowiadające współczynnikowi CTE chipa, takie jak Mo lub Cu/Mo/Cu[23]. Po trzecie, jak pokazano na rysunku 5, realizując moduł mocy z wieloukładowym dwustronnym połączeniem o różnych grubościach, konieczne jest galwanizacja lub połączenie Micro-Metal Post lub miedzianych pinów o różnych wysokościach pomiędzy chipem a podłożem DBC, tak aby aby rozwiązać problem różnicy wysokości powodowany różną grubością wielochipów [6]. Po czwarte, lut na bazie cyny jest najczęściej stosowanym materiałem łączącym w opakowaniach modułów. W procesie dwustronnego pakowania modułów połączeniowych zwykle potrzeba kilku etapów łączenia, co wymaga stosowania grupy lutów o różnych temperaturach topnienia, co ogranicza temperaturę pracy modułu. Dlatego w dwustronnej strukturze pakietu połączeniowego preferowanym wyborem dla materiałów połączeniowych stała się pasta lutownicza ze spiekanego srebra o wysokiej przewodności cieplnej, wysokiej przewodności elektrycznej i wysokiej temperaturze topnienia.

Rysunek 5 Dwustronna konstrukcja pakietu przyłączeniowego [6]

3.3  Zintegrowane opakowanie urządzenia

Pakiet zintegrowany to urządzenie integrujące w module wiele funkcji, takich jak zintegrowany obwód napędu bramki, kondensator odsprzęgający, czujnik temperatury, czujnik prądu i obwód zabezpieczający [18]. Zintegrowane opakowanie urządzenia ma wiele zalet, na przykład poprzez integrację obwodu napędu bramki i kondensatora odsprzęgającego, można zmniejszyć pasożytniczą indukcyjność szyny zbiorczej lub zewnętrznego złącza modułu, można skrócić połączenie pomiędzy urządzeniem zasilającym a napędem bramki, można zmniejszyć indukcyjność pętli bramki , zakłócenia elektromagnetyczne mogą zostać stłumione, można poprawić wydajność współdzielenia prądu i szybkość przełączania. Jednak ta struktura pakietu ma również pewne ograniczenia. Na przykład zintegrowany obwód napędowy bramki jest ogólnie prosty, a całkowity rozmiar, obciążalność prądowa i częstotliwość przełączania modułu są ograniczone przez każde zintegrowane urządzenie. Ponadto przed zintegrowaniem i zapakowaniem urządzeń należy sprawdzić odporność temperaturową każdego urządzenia, aby uniknąć wpływu na normalne działanie urządzeń wrażliwych na temperaturę ze względu na zbyt małą odległość integracji urządzenia [5] .

3.4   Trójwymiarowy zintegrowany pakiet zasilania

Zintegrowaną strukturę opakowania pokazano na rysunku 6. Trójwymiarowa struktura opakowania jest podzielona głównie na trójwymiarowe opakowanie ułożone w stos i trójwymiarowe opakowanie osadzone [24]. W oparciu o dwuwymiarowy pakiet wykorzystuje łączenie przewodów, flip chip, mikroucisk, Ball Grid Array (BGA), Through Silicon Via (TSV), osadzanie PCB i inne technologie procesowe w celu realizacji wieloukładowych połączeń ułożonych w pionie kierunek [25

Rysunek 6 Schemat ideowy trójwymiarowej zintegrowanej struktury opakowania [6,29-31]

W przypadku ułożonych w stos opakowań 3D przelotki krzemowe są jedną z technologii, które cieszą się największym zainteresowaniem, wykorzystując pionowe wzajemne połączenie przelotek krzemowych przez podłoże w celu realizacji wzajemnego połączenia elektrycznego pomiędzy różnymi chipami [28]. Kluczowe technologie pakowania w krzemie obejmują formowanie otworów w krzemie, wypełnianie, rozrzedzanie wiórów i łączenie wzajemne. Etapy betonowania są następujące: najpierw formowane są otwory przelotowe poprzez wiercenie laserowe, trawienie na sucho lub trawienie na mokro, następnie warstwa izolacyjna SiO2 i warstwa przewodząca miedzi są wypełniane poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej, następnie wióry są rozrzedzane przez szlifowanie, a na koniec wióry są ze sobą łączone poprzez wiązanie lub wiązanie pomiędzy metalami [29]. W porównaniu z tradycyjną płaską dwuwymiarową strukturą połączeń ołowiowych, trójwymiarowa struktura krzemowego otworu przelotowego ma zalety małych rozmiarów, lekkości, wysokiej wydajności wykorzystania płytek krzemowych, skróconego opóźnienia sygnału i zmniejszonego zużycia energii itp. oraz jest szeroko stosowany w trójwymiarowych poziomach płytek, poziomie systemu i opakowaniach układów scalonych. Ma jednak również pewne ograniczenia. Po pierwsze, niezawodność, duża gęstość mocy struktury opakowania przechodzącej przez krzem i duży problem z zarządzaniem temperaturą laminowanego chipa; Po drugie, koszt jest wysoki, a struktura opakowania, proces i test są skomplikowane.

Wbudowany pakiet 3D wykorzystuje drut miedziany i mikropory zamiast drutu łączącego oraz osadza chip w laminacie PCB, co może zmniejszyć objętość, poprawić niezawodność i ułatwić integrację systemu [30]. Największym wyzwaniem tej konstrukcji są jej słabe właściwości termomechaniczne, które są ograniczone przez naprężenia termomechaniczne spowodowane niską temperaturą zeszklenia i wysokim współczynnikiem CTE tradycyjnych materiałów PCB, a jej temperatura pracy jest niska [18]. Ponadto wytrzymałość na odrywanie laminatu FR4-PCB jest niska i wynosi około 0.9 ~ 1.25 N/mm. W porównaniu z podłożem DBC moc znamionowa modułu wbudowanego w PCB jest niska [3].

Oprócz opisanego powyżej połączenia spawanego, trójwymiarowe obudowy można również formować poprzez zaciskanie. Typowy przypadek przedstawiono na rysunku 7, który przedstawia schemat wewnętrznej struktury modułu zaciskowego Westcode IGBT [32]. Elementy są fizycznie łączone za pomocą zewnętrznego nacisku mechanicznego, a nie poprzez wyprowadzenia, lutowanie lub spiekanie. Dzięki prostej konstrukcji, niskim kosztom i wysokiej niezawodności, moduł ten jest szeroko stosowany w sieciach elektroenergetycznych wysokiego napięcia i wysokiego prądu. Jednakże w module zaciskającym wymagane są wewnętrzne wymiary modułu, płaskość i jakość powierzchni każdego elementu, a przewodność cieplna i elektryczna złącza są w dużym stopniu zależne od ciśnienia i jednorodności. Konieczne jest dobranie odpowiedniego docisku, aby zapewnić mniejszą rezystancję styku i rezystancję termiczną, ale nieuchronnie będzie to miało wpływ na chropowatość powierzchni i deformacje strukturalne. Elastyczne struktury buforowe i materiały o małym WRC, takie jak uszczelki Mo lub Be i płytki sprężynowe, są często wprowadzane do struktury zagniatającej w celu wyrównania ciśnienia, zmniejszenia naprężeń termomechanicznych i poprawy niezawodności.

Rys. 7 Struktura wewnętrzna modułu zaciskania IGBT w Sima [6,32]

Kluczowe materiały, technologia połączeń i konstrukcja konstrukcji opakowań zasilających stopniowo się rozwijają w kierunku usuwania przewodów, poprawy wydajności rozpraszania ciepła, zwiększania gęstości integracji itp., aby zapewnić niezawodne zastosowanie w środowiskach o wysokiej temperaturze, wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości. Wraz z popularyzacją i zastosowaniem urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji, głównymi trendami w przyszłości będą materiały łączące w postaci pasty lutowniczej ze spiekanego srebra, krzem za pomocą technologii, trójwymiarowa zintegrowana struktura opakowania itp., które staną się głównymi trendami w przyszłości i uważam, że perspektywy ich zastosowania są nieograniczone.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukcją z „Elektroniki i opakowań”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.