abstrato:A embalagem eletrônica de potência tradicional é baseada principalmente em tecnologias de embalagem plana bidimensional, como conexão de solda e ligação de fios, que não atendem à aplicação confiável dos dispositivos semicondutores de terceira geração em alta frequência, alta tensão e alta temperatura. Para resolver este problema, as embalagens planares bidimensionais desenvolveram-se gradualmente em embalagens integradas tridimensionais. O progresso da pesquisa dos principais materiais e design de estrutura na tecnologia de embalagens eletrônicas de potência é resumido e prospectado. Os materiais de conexão desenvolveram-se gradualmente de solda à base de estanho para solda à base de ouro, materiais de conexão de fase líquida transitória, prata sinterizada e outros materiais com alta condutividade térmica e resistência a altas temperaturas, e a tecnologia de conexão desenvolveu-se gradualmente de ligação de fio para dupla. resfriamento lateral, integração de dispositivos e interconexão de laminação vertical. O desempenho do switch é melhorado com a remoção de cabos, a densidade de potência é melhorada com a integração de vários chips e dispositivos e a eficiência de dissipação de calor é melhorada com o resfriamento bilateral. As embalagens tridimensionais integradas têm grande potencial de mercado e se tornarão uma das principais tendências de desenvolvimento no futuro.

palavra chave:Embalagem eletrônica; Materiais de embalagem; Estrutura de embalagem; Embalagens tridimensionais; Prata sinterizada; Silício através do furo

Projeto de financiamento:Projeto da Comissão de Ciência e Tecnologia de Shenzhen（JCYJ20180508161601937）

Dispositivos eletrônicos de potência estão se desenvolvendo para aplicações de alta frequência, alta densidade, alta potência e alta temperatura [1]. Atualmente, os dispositivos baseados em silício (Si) ainda dominam. No entanto, devido às características dos materiais, a frequência de comutação, a temperatura operacional e a densidade de potência dos dispositivos baseados em silício são limitadas. Em comparação com os dispositivos tradicionais à base de silício, os semicondutores de terceira geração, como o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN), são cada vez mais utilizados em aplicações de alta tensão, alta temperatura e alta frequência, como comunicação sem fio, energia elétrica veículos e aeroespacial devido à sua maior tensão de ruptura, maior intervalo de banda, maior condutividade térmica e menor perda de potência [2-3]. Ao mesmo tempo, porém, o rápido desenvolvimento dos dispositivos semicondutores de terceira geração impôs requisitos mais rigorosos para a tecnologia de embalagem.

A tecnologia de embalagem é um processo de conexão e fixação do chip ao substrato transportador, retirando os pinos e moldando-os em um dispositivo ou módulo de energia completo, que desempenha principalmente o papel de conexão elétrica, suporte estrutural e proteção, além de fornecer dissipação de calor. [4]. Como núcleo da integração do módulo, os materiais, processos e estruturas da embalagem afetam diretamente as características de interferência térmica, elétrica e eletromagnética dos módulos de potência. Atualmente, a tecnologia de embalagem madura baseia-se principalmente em materiais de conexão, como cola de prata ou solda à base de estanho, e estruturas de embalagem, como conexão de chumbo, que têm baixa resistência a altas temperaturas e alta pressão, problemas proeminentes de compatibilidade eletromagnética e não podem fornecer uma maneira eficiente de dissipação de calor. Recentemente, materiais de interconexão de prata sinterizada, estruturas de pacotes integrados tridimensionais, etc. têm excelente resistência a altas temperaturas e alta condutividade térmica, o que pode alcançar dissipação de calor nos dois lados e reduzir significativamente as perdas de comutação, fazendo com que os módulos de potência tenham boas características térmicas e elétricas e confiabilidade e ganharam cada vez mais pesquisas e atenção. Espera-se que atenda à aplicação confiável de dispositivos semicondutores de terceira geração nas áreas de alta temperatura, alta tensão e alta frequência. Neste artigo, o progresso mais recente da pesquisa em materiais de embalagens de eletrônicos de potência e design de estruturas é resumido e prospectado.

Uma estrutura típica de pacote de módulo de potência é mostrada na Figura 1, que consiste em um chip de potência, materiais de conexão, fios de ligação, substrato cerâmico, placa inferior, materiais de encapsulamento, invólucro e terminais de alimentação [3,5]. As propriedades térmicas, elétricas, mecânicas e químicas de cada material de embalagem são diferentes, por isso é necessário considerar de forma abrangente as propriedades de cada material para selecionar o melhor desempenho de todo o módulo de potência.

图1  典型的功率模块封装结构

A tendência de desenvolvimento dos principais materiais e tecnologias de embalagem, como colagem de chips, conexão e substrato, é mostrada na Figura 2. A tecnologia de conexão está se desenvolvendo desde a ligação de fios a fitas, pilares de cobre, estruturas de chumbo e furos passantes revestidos, etc. Ao remover os cabos e aumentar a área de conexão, a condutividade térmica e elétrica é melhorada. Os materiais de ligação para chips foram desenvolvidos desde a soldagem tradicional até a soldagem de alta temperatura à base de ouro, ligação transitória em fase líquida, prata sinterizada e cobre sinterizado, etc., que melhoram muito a condutividade térmica e elétrica e atendem às altas temperaturas e confiáveis formulários. O substrato se desenvolve no sentido de engrossar a camada condutora de metal e condutora térmica do substrato cerâmico, melhorando assim a eficiência de dissipação de calor [5].

Figura 2 Tendências de desenvolvimento de materiais e tecnologias de embalagem, como conexão, substrato e ligação de chips [5]

2.1  material de chip

Os parâmetros de desempenho dos materiais semicondutores comumente usados são mostrados na Tabela 1 [6-7]. Devido à sua tecnologia madura e baixo custo, o Si é amplamente utilizado em vários dispositivos discretos e circuitos integrados, engenharia de redes de informações eletrônicas e outros campos. Comparado com o Si, o GaAs tem características de amplo intervalo de banda e alta mobilidade de elétrons, o que pode reduzir significativamente o tamanho de RF e o consumo de energia, e é amplamente utilizado em dispositivos de baixa potência em RF, comunicação sem fio e campos optoeletrônicos. SiC e GaN têm maior intervalo de banda, não são fáceis de absorver a energia da radiação térmica e saltam para a banda de condução ao trabalhar em alta temperatura e têm maior intensidade de campo de ruptura, portanto, semicondutores de amplo intervalo de banda SiC e GaN são mais adequados para alta temperatura e alta ocasiões de tensão do que Si. O SiC tem maior condutividade térmica, melhor capacidade de dissipação de calor, maior mobilidade do portador, maior densidade de corrente e resistência a altas temperaturas e alta tensão, por isso é frequentemente usado como um dispositivo de energia, que tem vantagens óbvias no campo de alta potência com tensão de 600 V e superior, e é amplamente utilizado nas áreas de novos veículos de energia e equipamentos de energia. GaN tem mobilidade de elétrons e velocidade de portadora mais rápidas, menor resistência e parâmetros parasitas em alta tensão e tem vantagens óbvias na direção de radiofrequência de alta potência. GaN é usado principalmente em campos de RF de micro-ondas, como comunicação 5G e comunicação por satélite, campos de eletrônica de potência, como carregamento rápido de eletrônicos de consumo e veículos de nova energia, e campos de optoeletrônica de LED devido à sua alta densidade de potência, baixo consumo de energia, alta frequência e ampla largura de banda. Semelhante ao SiC, a tecnologia GaN ainda está em rápido desenvolvimento e o custo é relativamente alto.

Tabela 1 Propriedades de materiais de chips semicondutores [6]

2.2  Material de colagem de cavacos

A solda de liga SnPb, como Sn63Pb37, tem sido amplamente utilizada em materiais de colagem de cavacos devido às suas excelentes propriedades, como baixo módulo de cisalhamento, alta molhabilidade, ductilidade, propriedades termomecânicas e confiabilidade. No entanto, o SnPb não atende ao padrão RoHS da UE sem chumbo e seu ponto de fusão é baixo (cerca de 180 ℃). Portanto, novos materiais de ligação de chips são necessários para atender aos requisitos de correspondência do coeficiente de expansão térmica (CTE) e resistência a altas temperaturas de estruturas e materiais de embalagem.Atualmente, os materiais de ligação de cavacos mais amplamente utilizados são mostrados na Tabela 2 [8]. A pasta de prata condutora é composta principalmente de matriz de resina, partículas condutoras (principalmente pó de prata), aditivos e aditivos dispersantes, etc. Sua condutividade elétrica e condutividade térmica são relativamente baixas e sua temperatura de transição vítrea é de cerca de 100 ~ 150 ℃, o que é limitado na área de embalagens de chips de alta temperatura e alta pressão. Em comparação com as soldas SnPb, as soldas sem chumbo, como SnAg ou SnAgCu, geralmente têm um teor de Sn superior a 90% e um ponto de fusão mais alto (cerca de 220 ℃). No processo de solidificação, o grau de sub-resfriamento é maior, e é fácil formar estruturas dendríticas grosseiras e compostos intermetálicos, que são distribuídos de forma desigual, enfraquecendo assim sua resistência à fluência. Além disso, a liga SnAgCu possui um alto módulo de elasticidade e seu CTE é bastante diferente daquele do chip e do substrato. Sob a ação da carga do ciclo térmico, é fácil causar danos por fadiga e levar ao descascamento da junta de solda, o que reduz a confiabilidade da junta de solda [9].

Tabela 2 Propriedades dos materiais de ligação da matriz [8]

Materiais de ligação de alta temperatura para chips, como soldas de liga eutética à base de ouro, como AuSn ou AuGe, têm alto ponto de fusão (maior que 280 ℃), condutividade térmica e elétrica, e são fáceis de realizar brasagem sem solda. No entanto, o teor de ouro nas soldas à base de ouro é geralmente alto e o custo é alto, e devido à alta fragilidade da fase componente, leva às desvantagens de processamento difícil, baixo rendimento e baixo desempenho do produto, o que afeta seriamente seu ampla aplicação no campo de embalagens eletrônicas de potência [10].

A ligação transitória em fase líquida (TLPB) é um processo no qual camadas intermediárias (como In e Sn) com pontos de fusão mais baixos são adicionadas aos materiais de base unidos (como Cu, Au, Ag e Ni) com pontos de fusão mais altos, e o camadas intermediárias e alguns materiais de base são derretidos e solidificados novamente por aquecimento, de modo que o sólido e o líquido se difundam para formar uma conexão. Escolhendo materiais e processos adequados, a ligação transitória em fase líquida pode formar juntas com excelente desempenho, como resistência de ligação superior a 60 MPa[11]. No entanto, a aplicação da conexão transitória de fase líquida na interconexão de chips de alta temperatura é muito limitada devido à baixa escolha da camada intermediária, ao alto custo e à oxidação de Au-In e outros materiais.

A interconexão de prata sinterizada, também conhecida como tecnologia de conexão de baixa temperatura, é baseada na difusão de átomos em fase sólida de partículas de nanoprata ou microprata para formar uma conexão sinterizada. Devido à sua baixa temperatura de sinterização (200 ~ 300 ℃) e alto ponto de fusão (961 ℃), a prata tem muitas vantagens, como alta condutividade térmica, resistência a ciclos de temperatura e alta confiabilidade de ciclos de energia. Tornou-se a escolha preferida para interconexão de chips de alta temperatura e tem sido amplamente estudado e aplicado [12]. No entanto, a sinterização de prata também tem algumas desvantagens, como alto custo, aglomeração de partículas de nano-prata em baixa temperatura, sinterização sob pressão de pasta de solda de prata micron, processo complicado, revestimento de Ni/Au ou Ni/Ag na superfície do chip e substrato e migração eletroquímica de prata. Comparada com a pasta de solda nano-prata, a pasta de solda nano-cobre atraiu a atenção recentemente devido ao seu custo mais baixo e nenhum risco de confiabilidade de migração eletroquímica [13]. No entanto, as partículas de nanocobre são facilmente oxidadas e precisam ser sinterizadas em atmosfera inerte, o que aumenta a complexidade do processo e o custo do equipamento, além de ter certas limitações de aplicação.

2.3  Material de embalagem plástica

A principal função do material de embalagem plástica é o isolamento elétrico e o isolamento ambiental, que desempenha o papel protetor de à prova de umidade, à prova de névoa salina, à prova de mofo, à prova de poeira, à prova de colisão e à prova de vibração, evitando corrosão e danos ambientais , garantindo assim o desempenho elétrico dos componentes eletrônicos, melhorando até mesmo o nível de tensão dos módulos de potência de alta tensão, evitando a descarga dos eletrodos e, finalmente, melhorando a confiabilidade dos produtos eletrônicos [14]. Os tipos e propriedades dos materiais de embalagem plástica são mostrados na Tabela 3. Os materiais de embalagem plástica podem ser divididos em Revestimentos Conformais, Subenchimentos, Compostos de Moldagem, Compostos de Envasamento e globtops [14].      

Tabela 3 Tipos e propriedades de materiais de embalagem plástica [14]

O revestimento isolante é um tipo de revestimento orgânico comumente usado para proteção de superfície de circuito impresso, que necessita de bom desempenho de conexão com substrato e componentes. Geralmente, são selecionados materiais com baixa absorção de água, alta rigidez dielétrica, CTE compatível e baixo módulo de elasticidade, como ácido acrílico que pode ser usado em baixas temperaturas inferiores a 120 ℃, poliuretano que pode ser usado em baixas temperaturas inferiores a 165 ℃, resina epóxi que pode ser usada em temperaturas médias inferiores a 200 ℃, e resina de silicone, parileno, benzociclobuteno e poliimida que podem ser usadas em altas temperaturas superiores a 250 ℃.

Conforme mostrado na Figura 3, o preenchimento insuficiente e o composto de moldagem podem não apenas isolar do ambiente circundante e reduzir a tensão do campo elétrico, mas também melhorar a confiabilidade dos produtos embalados, reduzindo ou redistribuindo a tensão termomecânica causada pela incompatibilidade de CTE [14]. Portanto, os materiais que correspondam ao CTE de cada componente na estrutura da embalagem devem ser selecionados tanto quanto possível, como materiais duros com CTE de (20~30)×10-6/K e menos de 20×10-6/K como underfill e composto de moldagem, respectivamente, para reduzir o estresse térmico das esferas de solda e de toda a estrutura do pacote, incluindo as esferas de solda. Atualmente, o composto de enchimento e moldagem mais comumente usado é a resina epóxi preenchida com sílica.

A cola para envasamento e a cola encapsulante superior não apenas melhoram o nível de tensão contra a quebra do campo elétrico e evitam a corrosão e danos ao ambiente circundante, mas também desempenham um certo papel no suporte mecânico da estrutura da embalagem. Atualmente, os materiais de cola para envasamento e cola de vedação superior mais comumente usados são o poliuretano, que pode ser aplicado a uma temperatura baixa inferior a 165 ℃, a resina epóxi, que pode ser aplicada a uma temperatura média inferior a 200 ℃, e a borracha de silicone ou gel que pode ser aplicado em altas temperaturas inferiores a 300 ℃. Entre eles, materiais macios como borracha de silicone ou gel são amplamente utilizados devido à sua baixa dureza e módulo, alta plasticidade e elasticidade, que têm pouca influência no estresse dos componentes da embalagem, como chips e fios de ligação. No entanto, materiais macios, como borracha de silicone e gel, apresentam suporte mecânico e desempenho de proteção insatisfatórios. Para resistir ao impacto externo, podem ser selecionados materiais duros como a resina. Porém, a resina geralmente possui um módulo alto, por isso é necessário escolher materiais com CTE correspondente para evitar estresse termomecânico excessivo em toda a estrutura da embalagem.

（b）模塑料示意图

Figura 3 Diagrama esquemático de preenchimento e composto de moldagem na estrutura de embalagens de eletrônicos de potência [14]

2.4  Material do substrato e da placa inferior

De modo geral, o substrato é uma estrutura em sanduíche de "camada condutora de metal-camada de isolamento-camada condutora de metal", e as camadas condutoras de metal superior e inferior são usadas para a interconexão do chip e do plano traseiro, respectivamente. De acordo com o processo de fabricação, os substratos podem ser divididos em substrato de cobre com ligação direta (DBC), substrato de cobre impresso diretamente (DPC), substrato de alumínio com ligação direta (DBA), substrato de brasagem de metal ativo, AMB), substrato metálico isolado (IMS) e cobre impresso em filme espesso (TPC), etc.

O substrato DBC é uma conexão eutética entre cerâmica e óxido de cobre fino em filme de cobre, que apresenta excelente desempenho e custo relativamente baixo, sendo amplamente utilizado em embalagens de eletrônicos de potência. No entanto, o filme de óxido de cobre na interface cerâmica é fácil de delaminar, resultando em baixa confiabilidade do substrato DBC contra ciclos de temperatura. O substrato AMB conecta metal e cerâmica por meio de brasagem de metal ativa, o que pode eliminar a camada de óxido e melhorar a confiabilidade. DBA usa brasagem AlSi para conectar placas de alumínio e cerâmica. Comparada com a camada de cobre do DBC, a camada de alumínio tem menor dureza, pode suportar maiores tensões termomecânicas e melhorar a confiabilidade [15]. No entanto, a condutividade térmica do alumínio é inferior à do cobre e o desempenho de dissipação de calor do substrato DBA não é tão bom quanto o do substrato DBC. O substrato IMS inclui uma camada de resina isolante com alta condutividade térmica, uma placa inferior de cobre e uma espessa película de cobre. Comparado com o DBC, o IMB tem as vantagens de um processo de fabricação simples, baixa temperatura de tratamento térmico, baixo custo e alta confiabilidade. TPC é uma camada de pasta de cobre impressa em cerâmica por serigrafia, que é sinterizada a 850 ~ 950 ℃ para formar uma conexão de alta resistência entre o filme metálico e a cerâmica. A confiabilidade do ciclo de temperatura é alta e pode ser altamente integrada com chips de circuito integrado e dispositivos passivos para formar um módulo híbrido. Recentemente, também apareceu o substrato baseado em estrutura de chumbo espessa e camada de isolamento fina, o que simplificou a estrutura do substrato multicamadas e melhorou a eficiência de dissipação de calor [5].

Considerando a condutividade térmica e CTE, Al2O3, Si3N4, AlN e BeO são os materiais cerâmicos mais utilizados no substrato. Consulte a Tabela 4[8,16] para comparação de desempenho. BeO possui a maior condutividade térmica, mas o pó no processo de preparação é prejudicial ao corpo humano, o que limita sua aplicação. Al2O3 é a escolha mais econômica, mas sua resistência mecânica é moderada e sua condutividade térmica é relativamente baixa. A condutividade térmica do AlN é maior que a do Al2O3, e o CTE combina melhor com o chip. Si3N4 possui maior confiabilidade de ciclagem de temperatura, mas seu custo é relativamente alto [17]. Relativamente falando, a confiabilidade da combinação de Al-AlN e Cu-Si3N4 é maior, porque o antigo material de alumínio é macio, seu módulo de elasticidade é baixo e é fácil de deformar, o que pode retardar os danos causados pelo estresse térmico à cerâmica . Este último Si3N4 possui maior resistência à flexão e resistência à fratura, e pode resistir ao estresse térmico causado pelo cobre.

Tabela 4 Propriedades de Materiais Cerâmicos em Substratos [8]

O material da placa de base mais comumente usado é o Cu. A fim de reduzir o CTE e garantir alta condutividade térmica, materiais compósitos metálicos como AlSiC, W-Cu, Mo-Cu e Cu-Mo-Cu também são amplamente utilizados. Consulte a Tabela 5[8] para seus parâmetros de desempenho. Geralmente, a placa base será revestida com níquel, o que pode impedir a migração e oxidação dos átomos de cobre em altas temperaturas e melhorar a resistência e a resistência à deformação da placa base de cobre.

Tabela 5 Propriedades materiais da placa inferior [8]

De acordo com diferentes métodos de montagem de chips e processos de interconexão, as estruturas de embalagens eletrônicas de potência podem ser divididas em dois tipos: embalagens de solda e embalagens de crimpagem. A tendência de desenvolvimento da embalagem é mostrada na Figura 4, na qual a embalagem soldada pode adotar ligação de fio, flip chip (interconexão BGA), interconexão de pilar metálico, interconexão de matriz embutida, interconexão de filme metálico depositado e outras estruturas. A embalagem pressurizada é uma estrutura de interconexão formada por pressão mecânica externa. Para conveniência da análise comparativa, as vantagens e desvantagens dos métodos de embalagem acima estão listadas na Tabela 6[18]. A ligação de fios tem as vantagens de tecnologia madura, baixo custo e fiação flexível. No entanto, os módulos ligados por fio possuem alta indutância parasita, que só pode dissipar o calor de um lado do backplane [18]. Além disso, devido à incompatibilidade de CTE entre o fio de ligação e o chip, é gerado um grande estresse termomecânico, o que torna as juntas de solda propensas à falha por fadiga, e se torna a principal forma de falha do módulo no processo de ciclo de energia.

Figura 4 Tendência de desenvolvimento da estrutura do pacote [5]

Tabela 6 Comparação de estruturas de pacotes [18]

Atualmente, a estrutura de embalagem de eletrônicos de potência desenvolveu-se gradualmente a partir da tradicional estrutura de embalagem padrão de ligação de fio para Overmold, ligação dupla-face, integração de componentes e integração de energia 3D. Ao remover os cabos, a interferência eletromagnética pode ser reduzida, a eficiência da dissipação de calor pode ser melhorada e a integração pode ser aumentada. Entre eles, a estrutura de moldagem por injeção é um pacote plano compacto, fácil para a produção de módulos em lote; A estrutura de conexão dupla face pode realizar a dissipação de calor dupla face e melhorar a eficiência da dissipação de calor; A estrutura integrada do dispositivo pode integrar diversas funções no módulo e melhorar a velocidade de comutação; A estrutura tridimensional de integração de energia consiste em empilhar chips na direção vertical, o que pode reduzir bastante a indutância parasita e melhorar o desempenho de comutação [5]. Em comparação com a embalagem bidimensional, a embalagem tridimensional tem vantagens óbvias, como encurtar significativamente a distância do loop na direção vertical, reduzir a indutância parasita e a interferência eletromagnética, aumentar a velocidade de transmissão, melhorar o desempenho de comutação e reduzir a perda de energia; Ele pode integrar uma variedade de chips e dispositivos, como circuitos de acionamento de portão, capacitores de desacoplamento, dissipadores de calor, etc., para melhorar ainda mais a densidade de integração de energia e reduzir o volume do pacote. No entanto, atualmente, as embalagens 3D também enfrentam alguns desafios, como gerenciamento térmico, tecnologia de produção e rendimento causado pela interconexão da pilha de chips, e o processo de fabricação precisa ser melhorado ainda mais [6,19].

3.1  Pacote secundário de moldagem por injeção

Com base na estrutura de embalagem de ligação de fio tradicional, a estrutura de embalagem de dois disparos é uma estrutura na qual o chip é ligado diretamente à estrutura de chumbo, os fios de ligação são removidos e a resina epóxi é usada para embalagem de injeção. Em comparação com a estrutura do pacote de ligação de fios, a área de conexão na parte superior do chip no pacote de moldagem por injeção aumenta, o que melhora a eficiência da dissipação de calor. A redução da indutância parasita reduz a perda de potência, o que é muito benéfico para a produção modular em massa e é amplamente utilizado em retificadores de veículos elétricos.

3.2  Pacote de conexão dupla face

A estrutura de conexão dupla-face conecta o chip aos substratos superior e inferior respectivamente, como o módulo de potência SKiN [20] proposto pela Ximenkang Company e o módulo de potência SiC [21] proposto pela Fuji Electric, que pode atingir o objetivo de remover fios de ligação. A estrutura do pacote de conexão dupla-face tem duas vantagens principais: (1) eliminando a ligação do fio na superfície do emissor, reduzindo efetivamente a indutância parasita, o excesso de tensão e a perda de energia, e melhorando o desempenho de comutação; (2) Realize a dissipação de calor do chip nas direções superior e inferior, melhore a eficiência da dissipação de calor e reduza efetivamente a temperatura de junção do chip, retardando assim a falha. O Laboratório Nacional de Oak Ridge propôs um módulo de potência IGBT de Si ou MOSFET de SiC com encapsulamento de substrato DBC de dupla face. Comparado ao módulo de ligação de fios tradicional, sua indutância diminuiu 62%, a perda de comutação diminuiu 50% a 90% e a eficiência de dissipação de calor aumentou 40% a 50% [22].

No entanto, a estrutura de conexão bilateral também apresenta algumas desvantagens. Em primeiro lugar, em comparação com o módulo de ligação de fios, a estrutura de conexão dupla face possui mais camadas de materiais, o que aumenta a complexidade do processo de embalagem. Em segundo lugar, como o CTE de cada camada de material é diferente, a incompatibilidade térmica produzirá maior tensão termomecânica, o que reduzirá a confiabilidade da camada de conexão. Para reduzir o estresse termomecânico, alguns metais correspondentes ao CTE do chip, como Mo ou Cu/Mo/Cu[23], são usados como materiais intercamadas. Em terceiro lugar, conforme mostrado na Figura 5, ao realizar um módulo de potência com conexão dupla-face multichip com diferentes espessuras, é necessário galvanizar ou conectar postes micrometálicos ou pinos de cobre com alturas diferentes entre o chip e o substrato DBC, então para resolver o problema da diferença de altura causada por diferentes espessuras de multi-chips [6]. Em quarto lugar, a solda à base de estanho é o material de interconexão mais comumente usado em embalagens de módulos. No processo de embalagem do módulo de conexão dupla face, geralmente são necessárias múltiplas etapas de conexão, o que requer um grupo de soldas com diferentes pontos de fusão, o que limita a temperatura de serviço do módulo. Portanto, na estrutura do pacote de conexão dupla face, a pasta de solda de prata sinterizada com alta condutividade térmica, alta condutividade elétrica e alto ponto de fusão tornou-se a escolha preferida para materiais de interconexão.

Figura 5 Estrutura do pacote de conexão dupla face [6]

3.3  Embalagem de dispositivo integrada

Pacote integrado é um dispositivo que integra múltiplas funções em um módulo, como circuito integrado de acionamento de porta, capacitor de desacoplamento, sensor de temperatura, sensor de corrente e circuito de proteção [18]. O empacotamento de dispositivo integrado tem muitas vantagens, por exemplo, ao integrar o circuito de acionamento da porta e o capacitor de desacoplamento, a indutância parasita do barramento ou do conector externo do módulo pode ser reduzida, a conexão entre o dispositivo de energia e o acionamento da porta pode ser encurtada, a indutância do circuito da porta pode ser reduzida , a interferência eletromagnética pode ser suprimida, o desempenho de compartilhamento de corrente e a velocidade de comutação podem ser melhorados. No entanto, esta estrutura de pacotes também tem algumas limitações. Por exemplo, o circuito de acionamento de porta integrado é geralmente simples e o tamanho geral, a capacidade de transporte de corrente e a frequência de comutação do módulo são limitados por cada dispositivo integrado. Além disso, antes de os dispositivos serem integrados e embalados, é necessário verificar a resistência à temperatura de cada dispositivo, de modo a evitar que o funcionamento normal dos dispositivos sensíveis à temperatura seja afetado porque a distância de integração do dispositivo é muito próxima [5] .

3.4   Pacote integrado de energia tridimensional

A estrutura do pacote integrado é mostrada na Figura 6. A estrutura do pacote tridimensional é dividida principalmente em pacote tridimensional empilhado e pacote tridimensional incorporado [24]. Com base no pacote bidimensional, ele adota ligação de fio, flip chip, micro bump, Ball Grid Array (BGA), através de Silicon Via (TSV), incorporação de PCB e outras tecnologias de processo para realizar interconexão empilhada de vários chips na vertical direção [25

Figura 6 Diagrama esquemático da estrutura tridimensional do pacote integrado [6,29-31]

Na embalagem 3D empilhada, as vias de silício são uma das tecnologias mais preocupadas, que utilizam a interconexão vertical de vias de silício através do substrato para realizar a interconexão elétrica entre diferentes chips [28]. As principais tecnologias de embalagem através de silício incluem formação de furos através de silício, preenchimento, desbaste de cavacos e interconexão. As etapas concretas são as seguintes: primeiro, os furos passantes são formados por perfuração a laser, ataque a seco ou ataque a úmido, depois a camada isolante de SiO2 e a camada condutora de cobre são preenchidas por deposição química de vapor, depois os cavacos são diluídos por moagem e, finalmente, os cavacos são interconectados por ligação ou ligação entre metais [29]. Em comparação com a estrutura de interconexão de chumbo bidimensional planar tradicional, a estrutura tridimensional do orifício passante de silício tem as vantagens de tamanho pequeno, peso leve, alta eficiência de uso de wafer de silício, atraso de sinal reduzido e consumo de energia reduzido, etc., e é amplamente utilizado em nível de wafer tridimensional, nível de sistema e embalagens de circuitos integrados. No entanto, também tem algumas limitações. Em primeiro lugar, a confiabilidade, a alta densidade de potência da estrutura do pacote de silício e o grande problema de gerenciamento térmico do chip laminado; Em segundo lugar, o custo é alto e a estrutura, o processo e o teste da embalagem são complicados.

O pacote 3D incorporado usa fio de cobre e micropore em vez de fio de ligação e incorpora o chip no laminado de PCB, o que pode reduzir o volume, melhorar a confiabilidade e facilitar a integração do sistema [30]. O maior desafio desta estrutura são suas pobres propriedades termomecânicas, que são limitadas pelo estresse termomecânico causado pela baixa temperatura de transição vítrea e alto CTE dos materiais tradicionais de PCB, e sua temperatura de serviço é baixa [18]. Além disso, a resistência ao descascamento do laminado FR4-PCB é baixa, cerca de 0.9 ~ 1.25 N/mm. Comparado com o substrato DBC, a potência nominal do módulo embutido no PCB é baixa [3].

Além da conexão de soldagem mencionada acima, um pacote tridimensional também pode ser formado por crimpagem. Um caso típico é mostrado na Figura 7, que é o diagrama da estrutura interna do módulo de crimpagem IGBT Westcode [32]. Os componentes são fisicamente conectados por pressão mecânica externa, em vez de fios, solda ou sinterização. Com estrutura simples, baixo custo e alta confiabilidade, tem sido amplamente utilizado em redes elétricas de alta tensão e alta corrente. No entanto, no módulo de crimpagem, as dimensões internas do módulo, a planicidade e a qualidade da superfície de cada componente devem ser altas, e a condutividade térmica e a condutividade elétrica da junta são grandemente afetadas pela pressão e uniformidade. É necessário selecionar a pressão de fixação adequada para garantir menor resistência de contato e resistência térmica, mas será inevitavelmente afetada pela rugosidade da superfície e deformação estrutural. Estruturas de amortecimento elástico e materiais com CTE pequeno, como juntas de Mo ou Be e placas de mola, são frequentemente introduzidos na estrutura de crimpagem para equalizar a pressão, reduzir o estresse termomecânico e melhorar a confiabilidade.

Fig. 7 Estrutura interna do módulo de crimpagem IGBT em Sima [6,32]

Os principais materiais, tecnologia de conexão e design de estrutura de embalagens de energia estão se desenvolvendo gradualmente na direção de remoção de cabos, melhoria do desempenho de dissipação de calor, aumento da densidade de integração, etc., para atender à aplicação confiável em ambientes de alta temperatura, alta tensão e alta frequência. Com a popularização e aplicação dos dispositivos semicondutores de terceira geração, materiais de conexão de pasta de solda de prata sinterizada, silício via tecnologia, estrutura de embalagem integrada tridimensional, etc. são as principais tendências no futuro, e acredito que suas perspectivas de aplicação são infinitas.

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