Прогресс исследований ключевых материалов и структурного проектирования силовой электронной упаковки

абстрактный:Традиционная силовая электронная упаковка в основном основана на технологиях двумерной планарной упаковки, таких как паяное соединение и соединение проводов, которые не могут обеспечить надежное применение полупроводниковых устройств третьего поколения при высокой частоте, высоком напряжении и высокой температуре. Чтобы решить эту проблему, двухмерная плоская упаковка постепенно превратилась в трехмерную интегрированную упаковку. Обобщены и проанализированы результаты исследований ключевых материалов и конструкций в технологии корпусов силовой электронной техники. Соединительные материалы постепенно развивались от припоя на основе олова к припою на основе золота, соединительных материалов с переходной жидкой фазой, спеченного серебра и других материалов с высокой теплопроводностью и высокой термостойкостью, а технология соединения постепенно развивалась от проволочного соединения до двойного соединения. боковое охлаждение, интеграция устройств и соединение вертикальных ламинатов. Производительность переключателя улучшается за счет удаления выводов, плотность мощности повышается за счет интеграции различных микросхем и устройств, а эффективность рассеивания тепла повышается за счет двустороннего охлаждения. Трехмерная интегрированная упаковка имеет большой рыночный потенциал и станет одной из основных тенденций развития в будущем.

ключевое слово:Электронная упаковка; Упаковочные материалы; Структура упаковки; Трехмерная упаковка; Спеченное серебро; Силиконовое сквозное отверстие

Фондовый проект:Проект Шэньчжэньской комиссии по науке и технологиям(JCYJ20180508161601937)

Силовые электронные устройства развиваются в направлении применения высоких частот, высокой плотности, большой мощности и высоких температур [1]. В настоящее время устройства на основе кремния (Si) по-прежнему доминируют. Однако из-за особенностей материалов частота переключения, рабочая температура и удельная мощность кремниевых устройств ограничены. По сравнению с традиционными устройствами на основе кремния, полупроводники третьего поколения, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), все чаще используются в высоковольтных, высокотемпературных и высокочастотных приложениях, таких как беспроводная связь, электрические транспортных средств и аэрокосмической промышленности из-за их более высокого напряжения пробоя, более широкой запрещенной зоны, более высокой теплопроводности и меньших потерь мощности [2-3]. Однако в то же время быстрое развитие полупроводниковых приборов третьего поколения выдвинуло более жесткие требования к технологии упаковки.

Технология упаковки — это процесс соединения и фиксации чипа с несущей подложкой, вывода контактов и формования их в целое силовое устройство или модуль, который в основном играет роль электрического соединения, структурной поддержки и защиты, а также обеспечивает отвод тепла. [4]. Являясь основой интеграции модулей, упаковочные материалы, процессы и конструкции напрямую влияют на тепловые, электрические и электромагнитные характеристики силовых модулей. В настоящее время развитая технология упаковки в основном основана на соединительных материалах, таких как серебряный клей или припой на основе олова, а также на упаковочных конструкциях, таких как свинцовое соединение, которые имеют плохую стойкость к высоким температурам и высокому давлению, имеют серьезные проблемы с электромагнитной совместимостью и не могут обеспечить эффективный способ отвода тепла. В последнее время материалы из спеченного серебра, трехмерные интегрированные корпусные конструкции и т. д. обладают превосходной устойчивостью к высоким температурам и высокой теплопроводностью, что позволяет обеспечить двустороннее рассеивание тепла и значительно снизить потери при переключении, благодаря чему силовые модули имеют хорошие тепловые и электрические характеристики и надежность и привлекают все больше и больше исследований и внимания. Ожидается, что полупроводниковые приборы третьего поколения найдут надежное применение в областях высоких температур, высокого напряжения и высоких частот. В этой статье обобщены и проанализированы последние достижения в области исследований материалов и конструкции силовой электроники.

Типичная структура корпуса силового модуля показана на рисунке 1 и состоит из силового чипа, соединительных материалов, соединительных проводов, керамической подложки, нижней пластины, герметизирующего материала, корпуса и силовых клемм [3,5]. Тепловые, электрические, механические и химические свойства каждого упаковочного материала различны, поэтому необходимо всесторонне учитывать свойства каждого материала, чтобы выбрать наилучшие характеристики всего силового модуля.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

Тенденция развития ключевых упаковочных материалов и технологий, таких как склеивание чипов, соединение и подложка, показана на рисунке 2. Технология соединения развивается от присоединения проводов к лентам, медным столбам, рамкам выводов и металлизированным сквозным отверстиям и т. д. За счет удаления выводов и увеличения площади соединения улучшается тепло- и электропроводность. Связующие материалы для чипов были разработаны от традиционной пайки до высокотемпературной пайки на основе золота, переходной жидкофазной сварки, спеченного серебра и спеченной меди и т. д., которые значительно улучшают тепло- и электропроводность и соответствуют высокотемпературным и надежным Приложения. Подложка развивается в направлении утолщения металлического проводящего и теплопроводного слоев керамической подложки, тем самым улучшая эффективность рассеивания тепла [5].

Рисунок 2. Тенденции развития упаковочных материалов и технологий, таких как соединение, склеивание подложек и чипов [5]

2.1  Материал чипа

Рабочие параметры широко используемых полупроводниковых материалов приведены в таблице 1 [6-7]. Благодаря своей зрелой технологии и низкой стоимости кремний широко используется в различных дискретных устройствах и интегральных схемах, проектировании электронных информационных сетей и других областях. По сравнению с Si, GaAs обладает характеристиками широкой запрещенной зоны и высокой подвижностью электронов, что может значительно уменьшить размер RF и энергопотребление, и широко используется в маломощных устройствах в области RF, беспроводной связи и оптоэлектроники. SiC и GaN имеют большую запрещенную зону, им нелегко поглощать энергию теплового излучения и переходить в зону проводимости при работе при высокой температуре, а также имеют более высокую напряженность поля пробоя, поэтому полупроводники с широкой запрещенной зоной SiC и GaN больше подходят для высоких температур и высоких температур. раз напряжения, чем Si. SiC имеет более высокую теплопроводность, лучшую способность рассеивания тепла, более высокую подвижность носителей, более высокую плотность тока, а также устойчивость к высоким температурам и высоким напряжениям, поэтому его часто используют в качестве силового устройства, которое имеет очевидные преимущества в области большой мощности с напряжением 600 В. V и выше и широко используется в области новых энергетических транспортных средств и энергетического оборудования. GaN имеет более высокую подвижность электронов и скорость носителей, меньшее сопротивление открытого состояния и паразитные параметры при высоком напряжении, а также имеет очевидные преимущества в области радиочастот высокой мощности. GaN в основном используется в микроволновых радиочастотных областях, таких как связь 5G и спутниковая связь, в областях силовой электроники, таких как быстрая зарядка бытовой электроники и транспортных средств на новых источниках энергии, а также в областях светодиодной оптоэлектроники из-за его высокой плотности мощности, низкого энергопотребления, высокой частоты и более широкого спектра применения. пропускная способность. Подобно SiC, технология GaN в настоящее время все еще находится на стадии быстрого развития, и ее стоимость относительно высока.

Таблица 1. Свойства материалов полупроводниковых чипов [6]

2.2  Материал для склеивания чипов

Припой из сплава SnPb, такой как Sn63Pb37, широко используется в материалах для склеивания чипов благодаря своим превосходным свойствам, таким как низкий модуль сдвига, высокая смачиваемость, пластичность, термомеханические свойства и надежность. Однако SnPb не соответствует стандарту ЕС RoHS по содержанию свинца, а его температура плавления низкая (около 180 ℃). Поэтому необходимы новые материалы для склеивания чипов, отвечающие требованиям соответствия коэффициенту теплового расширения (КТР) и устойчивости к высоким температурам упаковочных конструкций и материалов.В настоящее время наиболее широко используемые материалы для склеивания чипов представлены в таблице 2 [8]. Проводящая серебряная паста в основном состоит из смоляной матрицы, проводящих частиц (в основном серебряного порошка), диспергирующих добавок и добавок и т. д. Ее электропроводность и теплопроводность относительно низкие, а температура стеклования составляет около 100 ~ 150 ℃, что ограничено. в области упаковки чипсов при высокой температуре и высоком давлении. По сравнению с припоями SnPb, бессвинцовые припои, такие как SnAg или SnAgCu, обычно имеют более высокое содержание олова, чем 90%, и более высокую температуру плавления (около 220 ℃). В процессе затвердевания степень переохлаждения выше, легко образуются грубые дендритные структуры и интерметаллические соединения, которые распределяются неравномерно, что ослабляет его сопротивление ползучести. Кроме того, сплав SnAgCu имеет высокий модуль упругости, а его КТР сильно отличается от КТР чипа и подложки. Под действием термоциклической нагрузки легко вызвать усталостное повреждение и привести к отслаиванию паяного соединения, что снижает надежность паяного соединения [9].

Таблица 2. Свойства связующих материалов штампов [8]

Высокотемпературные связующие материалы для чипов, такие как припои из эвтектических сплавов на основе золота, такие как AuSn или AuGe, имеют высокую температуру плавления (более 280 ℃), теплопроводность и электропроводность, и их легко осуществлять пайкой без пайки. Однако содержание золота в припоях на основе золота, как правило, велико, а стоимость высока, а из-за высокой хрупкости фазы компонента это приводит к трудностям обработки, низкому выходу и плохим характеристикам продукта, что серьезно влияет на его качество. широкое применение в области силовой электронной упаковки [10].

Переходное жидкофазное соединение (TLPB) — это процесс, при котором промежуточные слои (такие как In и Sn) с более низкими температурами плавления добавляются к соединяемым основным материалам (таким как Cu, Au, Ag и Ni) с более высокими температурами плавления, а промежуточные слои и некоторые основные материалы плавятся и повторно затвердевают при нагревании, так что твердое вещество и жидкость диффундируют друг друга, образуя соединение. Выбирая подходящие материалы и процессы, переходное жидкофазное соединение позволяет образовывать соединения с превосходными характеристиками, например, с прочностью соединения более 60 МПа [11]. Однако применение переходного жидкофазного соединения в высокотемпературных соединениях чипов сильно ограничено из-за небольшого выбора промежуточного слоя, высокой стоимости и окисления Au-In и других материалов.

Соединение спеченным серебром, также известное как технология низкотемпературного соединения, основано на твердофазной диффузии атомов частиц наносеребра или микросеребра с образованием спеченного соединения. Из-за низкой температуры спекания (200–300 ℃) и высокой температуры плавления (961 ℃) серебро имеет множество преимуществ, таких как высокая теплопроводность, устойчивость к циклическим изменениям температуры и высокая надежность циклического включения питания. Он стал предпочтительным выбором для высокотемпературного соединения микросхем и широко изучался и применялся [12]. Однако спекание серебра также имеет некоторые недостатки, такие как высокая стоимость, низкотемпературная агломерация частиц наносеребра, спекание микронной серебряной паяльной пасты под давлением, сложный процесс, покрытие Ni/Au или Ni/Ag поверхности чипа и подложки. и электрохимическая миграция серебра. По сравнению с паяльной пастой нано-серебра, паяльная паста на основе нано-меди в последнее время привлекает внимание из-за ее более низкой стоимости и отсутствия риска электрохимической миграции в надежности [13]. Однако частицы наномеди легко окисляются и их необходимо спекать в инертной атмосфере, что увеличивает сложность процесса и стоимость оборудования, а также имеет определенные ограничения по применению.

2.3  Пластиковый упаковочный материал

Основная функция пластикового упаковочного материала - электрическая изоляция и изоляция от окружающей среды, которая играет защитную роль: влагонепроницаемость, защита от солевого тумана, плесени, пыли, столкновений и вибрации, предотвращение коррозии и повреждений окружающей среды. , тем самым обеспечивая электрические характеристики электронных компонентов, даже улучшая уровень напряжения высоковольтных силовых модулей, избегая разряда электродов и, наконец, повышая надежность электронных продуктов [14]. Типы и свойства пластиковых упаковочных материалов показаны в таблице 3. Пластиковые упаковочные материалы можно разделить на конформные покрытия, подливки, формовочные массы, заливочные массы и глобтопы [14].      

Таблица 3. Виды и свойства пластиковых упаковочных материалов [14]

Конформное покрытие — это разновидность органического покрытия, обычно используемого для защиты поверхности печатных плат, для которого необходимы хорошие характеристики соединения с подложкой и компонентами. Как правило, выбираются материалы с низким водопоглощением, высокой диэлектрической прочностью, соответствующим КТР и низким модулем упругости, такие как акриловая кислота, которую можно использовать при низкой температуре ниже 120 ℃, полиуретан, который можно использовать при низкой температуре ниже 165 ℃, эпоксидная смола, которую можно использовать при средней температуре ниже 200 ℃, и силиконовая смола, парилен, бензоциклобутен и полиимид, которые можно использовать при высокой температуре выше 250 ℃.

Как показано на рисунке 3, подсыпка и формовочный компаунд могут не только изолировать от окружающей среды и снизить напряжение электрического поля, но и повысить надежность упакованных изделий за счет уменьшения или перераспределения термомеханических напряжений, вызванных несоответствием КТР [14]. Поэтому следует выбирать как можно больше материалов, соответствующих КТР каждого компонента конструкции упаковки, например, твердые материалы с КТР (20~30)×10-6/К и менее 20×10-6/К, поскольку соответственно, под заливку и формовочный состав для снижения термического напряжения от шариков припоя и всей конструкции корпуса, включая шарики припоя. В настоящее время наиболее часто используемым заливочным и формовочным составом является эпоксидная смола с наполнителем из диоксида кремния.

Герметизирующий клей и верхний герметизирующий клей не только повышают уровень напряжения против пробоя электрического поля и предотвращают коррозию и повреждение окружающей среды, но также играют определенную роль в механической поддержке конструкции упаковки. В настоящее время наиболее часто используемыми клеевыми материалами для заливки и верхнего уплотнения являются полиуретан, который можно наносить при низкой температуре менее 165 ℃, эпоксидная смола, которую можно наносить при средней температуре менее 200 ℃, а также силиконовый каучук или гель, который можно наносить при высокой температуре менее 300 ℃. Среди них широко используются мягкие материалы, такие как силиконовая резина или гель, из-за их низкой твердости и модуля, высокой пластичности и эластичности, которые мало влияют на нагрузку компонентов упаковки, таких как чипы и соединительные проволоки. Однако мягкие материалы, такие как силиконовая резина и гель, имеют плохую механическую поддержку и защиту. Чтобы противостоять внешнему воздействию, можно выбрать твердые материалы, такие как смола. Однако смола обычно имеет высокий модуль, поэтому необходимо выбирать материалы с соответствующим КТР, чтобы избежать чрезмерных термомеханических напряжений на всей конструкции упаковки.

（b）模塑料示意图

Рисунок 3. Принципиальная схема заполнения и формовочной массы в конструкции корпуса силовой электронной техники [14]

2.4  Материал подложки и нижней пластины

Вообще говоря, подложка представляет собой сэндвич-структуру «металлический проводящий слой-изоляционный слой-металлический проводящий слой», а верхний и нижний металлические проводящие слои используются для соединения чипа и объединительной платы соответственно. В зависимости от производственного процесса подложки можно разделить на медные подложки с прямой сваркой (DBC), медные подложки с прямой печатью (DPC), алюминиевые подложки с прямой сваркой (DBA), подложки для пайки активным металлом, AMB), изолированная металлическая подложка (IMS) и медь с толстопленочной печатью (TPC) и т. д.

Подложка DBC представляет собой эвтектическое соединение между керамикой и тонким оксидом меди на медной пленке, которое имеет отличные характеристики и относительно низкую стоимость и широко используется в силовой электронной упаковке. Однако пленка оксида меди на границе раздела с керамикой легко расслаивается, что приводит к низкой надежности подложки DBC от циклических температур. Подложка AMB соединяет металл и керамику посредством активной металлической пайки, что позволяет устранить оксидный слой и повысить надежность. DBA использует пайку AlSi для соединения алюминиевой пластины и керамики. По сравнению с медным слоем DBC алюминиевый слой имеет меньшую твердость, выдерживает более высокие термомеханические нагрузки и повышает надежность [15]. Однако теплопроводность алюминия ниже, чем у меди, а эффективность рассеивания тепла у подложки DBA не так хороша, как у подложки DBC. Подложка IMS включает слой изоляционной смолы с высокой теплопроводностью, медную нижнюю пластину и толстую медную пленку. По сравнению с DBC, IMB имеет преимущества простого производственного процесса, низкой температуры термообработки, низкой стоимости и высокой надежности. TPC представляет собой слой медной пасты, напечатанный на керамике методом трафаретной печати, который спекается при температуре 850 ~ 950 ℃ для образования высокопрочного соединения между металлической пленкой и керамикой. Надежность температурного цикла высока, и его можно легко интегрировать с интегральными микросхемами и пассивными устройствами для формирования гибридного модуля. Недавно также появилась подложка на основе толстой выводной рамки и тонкого изоляционного слоя, что упростило структуру многослойной подложки и улучшило эффективность рассеивания тепла [5].

Учитывая теплопроводность и КТР, наиболее часто используемыми керамическими материалами в подложке являются Al2O3, Si3N4, AlN и BeO. См. Таблицу 4[8,16] для сравнения их производительности. BeO обладает самой высокой теплопроводностью, однако пыль в процессе приготовления вредна для организма человека, что ограничивает его применение. Al2O3 является наиболее экономичным выбором, но его механическая прочность умеренная, а теплопроводность относительно низкая. Теплопроводность AlN выше, чем у Al2O3, а КТР лучше согласован с чипом. Si3N4 имеет более высокую надежность при термоциклировании, но его стоимость относительно высока [17]. Условно говоря, надежность комбинации Al-AlN и Cu-Si3N4 выше, поскольку первый алюминиевый материал мягок, его модуль упругости низкий и его легко деформировать, что может замедлить повреждение керамики, вызванное термическим напряжением. . Последний Si3N4 имеет более высокую прочность на изгиб и вязкость разрушения и может противостоять термическому напряжению, вызванному медью.

Таблица 4. Свойства керамических материалов в подложках [8]

Наиболее часто используемый материал базовой пластины — медь. Для снижения КТР и обеспечения высокой теплопроводности также широко используются металлические композиционные материалы, такие как AlSiC, W-Cu, Mo-Cu и Cu-Mo-Cu. См. Таблицу 5[8] для ознакомления с их рабочими параметрами. Как правило, опорная пластина покрывается никелем, что позволяет предотвратить миграцию и окисление атомов меди при высокой температуре, а также повысить прочность и устойчивость медной опорной пластины к деформации.

Таблица 5. Свойства материала нижней пластины [8]

В соответствии с различными методами сборки микросхем и процессами межсоединений конструкции силовой электронной упаковки можно разделить на два типа: упаковку для пайки и упаковку для обжима. Тенденция развития корпуса показана на рисунке 4, на котором паяный корпус может использовать проводное соединение, перевернутый чип (соединение BGA), соединение металлической стойки, соединение утопленной матрицы, соединение наплавленной металлической пленки и другие структуры. Пресс-упаковка представляет собой соединительную структуру, образованную внешним механическим давлением. Для удобства сравнительного анализа преимущества и недостатки указанных способов упаковки приведены в таблице 6[18]. Проволочное соединение имеет преимущества отработанной технологии, низкой стоимости и гибкой проводки. Однако модули с проводным соединением имеют высокую паразитную индуктивность, которая может рассеивать тепло только с одной стороны объединительной платы [18]. Более того, из-за несоответствия КТР между соединительной проволокой и чипом создается большое термомеханическое напряжение, которое делает паяные соединения склонными к усталостному разрушению и становится основной формой отказа модуля в процессе энергетического цикла.

Рисунок 4. Тенденции развития структуры упаковки [5]

Таблица 6. Сравнение структур корпусов [18]

В настоящее время структура корпуса силовой электроники постепенно превратилась из традиционной стандартной структуры корпуса с проволочным соединением в форму Overmold, двухстороннее соединение, интеграцию компонентов и 3D-интеграцию питания. Удалив выводы, можно уменьшить электромагнитные помехи, повысить эффективность рассеивания тепла и повысить интеграцию. Среди них конструкция для литья под давлением представляет собой компактную плоскую упаковку, удобную для серийного производства модулей; Двухсторонняя структура соединения обеспечивает двустороннее рассеивание тепла и повышает эффективность рассеивания тепла; Интегрированная структура устройства позволяет интегрировать в модуль различные функции и повысить скорость переключения; Трехмерная структура интеграции мощности заключается в укладке микросхем в вертикальном направлении, что может значительно снизить паразитную индуктивность и улучшить характеристики переключения [5]. По сравнению с двухмерной упаковкой трехмерная упаковка имеет очевидные преимущества, такие как значительное сокращение расстояния контура в вертикальном направлении, уменьшение паразитной индуктивности и электромагнитных помех, увеличение скорости передачи, улучшение характеристик переключения и снижение потерь мощности; Он может интегрировать различные микросхемы и устройства, такие как схемы управления затворами, развязывающие конденсаторы, радиаторы и т. д., чтобы еще больше улучшить плотность интеграции мощности и уменьшить объем корпуса. Однако в настоящее время 3D-упаковка также сталкивается с некоторыми проблемами, такими как управление температурным режимом, технология производства и производительность, обусловленная соединением стеков микросхем, а производственный процесс нуждается в дальнейшем совершенствовании [6,19].

3.1  Вторичный пакет для литья под давлением

На основе традиционной структуры упаковки с проволочным соединением двухкомпонентная структура упаковки представляет собой структуру, в которой чип непосредственно прикрепляется к выводной рамке, соединительные провода удаляются, а для литьевой упаковки используется эпоксидная смола. По сравнению с корпусной структурой проволочного соединения, площадь соединения в верхней части чипа в корпусе для литья под давлением увеличивается, что повышает эффективность рассеивания тепла. Уменьшение паразитной индуктивности снижает потери мощности, что очень выгодно для модульного массового производства и широко используется в выпрямителях электромобилей.

3.2  Двусторонний пакет подключения

Двухсторонняя структура соединения соединяет чип с верхней и нижней подложками соответственно, например, с модулем питания SKiN [20], предложенным компанией Ximenkang, и модулем питания SiC [21], предложенным Fuji Electric, что позволяет достичь цели удаления соединительные провода. Структура пакета двусторонних соединений имеет два основных преимущества: (1) устранение соединения проводов на поверхности эмиттера, эффективное снижение паразитной индуктивности, перенапряжения и потерь мощности, а также улучшение характеристик переключения; (2) Реализовать рассеивание тепла чипа в верхнем и нижнем направлениях, повысить эффективность рассеивания тепла и эффективно снизить температуру перехода чипа, тем самым замедляя выход из строя. Окриджская национальная лаборатория предложила силовой модуль на основе Si IGBT или SiC MOSFET с двухсторонним корпусом DBC. По сравнению с традиционным модулем с проволочным монтажом, его индуктивность снизилась на 62%, коммутационные потери уменьшились на 50–90%, а эффективность рассеивания тепла увеличилась на 40–50%[22].

Однако конструкция двустороннего соединения имеет и некоторые недостатки. Во-первых, по сравнению с модулем проволочного соединения, структура двустороннего соединения имеет больше слоев материалов, что увеличивает сложность процесса упаковки. Во-вторых, поскольку КТР каждого слоя материалов различен, термическое несоответствие приведет к увеличению термомеханических напряжений, что снизит надежность соединяющего слоя. Чтобы снизить термомеханические напряжения, в качестве промежуточных материалов используются некоторые металлы, соответствующие КТР чипа, такие как Mo или Cu/Mo/Cu[23]. В-третьих, как показано на рисунке 5, при реализации модуля питания с многочиповым двусторонним соединением различной толщины необходимо нанести гальваническое покрытие или соединить Micro-Metal Post или медные контакты разной высоты между чипом и подложкой DBC, чтобы как решить проблему разницы высот, вызванную разной толщиной мультичипов [6]. В-четвертых, припой на основе олова является наиболее часто используемым материалом для межсоединений в упаковке модулей. В процессе упаковки модуля двустороннего подключения обычно требуется несколько этапов соединения, что требует использования группы припоев с разными температурами плавления, что ограничивает рабочую температуру модуля. Таким образом, в структуре пакета двусторонних соединений предпочтительным выбором в качестве материалов для межсоединений стала паяльная паста из спеченного серебра с высокой теплопроводностью, высокой электропроводностью и высокой температурой плавления.

Рисунок 5. Структура пакета двустороннего подключения [6]

3.3  Интегрированная упаковка устройства

Интегрированный пакет — это устройство, которое объединяет в модуле несколько функций, таких как встроенная схема управления затвором, развязывающий конденсатор, датчик температуры, датчик тока и схема защиты [18]. Компоновка интегрированного устройства имеет много преимуществ, например, за счет интеграции схемы управления затвором и развязывающего конденсатора можно уменьшить паразитную индуктивность шины или внешнего разъема модуля, можно сократить соединение между силовым устройством и приводом затвора, можно уменьшить индуктивность контура затвора. Можно подавить электромагнитные помехи, улучшить характеристики распределения тока и скорость переключения. Однако эта структура пакета также имеет некоторые ограничения. Например, интегрированная схема управления затвором, как правило, проста, а общий размер, допустимая нагрузка по току и частота переключения модуля ограничены каждым интегрированным устройством. Кроме того, перед интеграцией и упаковкой устройств необходимо проверить термостойкость каждого устройства, чтобы избежать нарушения нормальной работы термочувствительных устройств из-за слишком малого расстояния интеграции устройства [5]. .

3.4   Интегрированный пакет трехмерной мощности

Структура интегрированного пакета показана на рисунке 6. Структура трехмерного пакета в основном делится на составной трехмерный пакет и встроенный трехмерный пакет [24]. На основе двумерного корпуса он использует проволочное соединение, перевернутый чип, микровыступ, матрицу шариковых сеток (BGA), сквозное кремниевое отверстие (TSV), встраивание печатных плат и другие технологические технологии для реализации многочипового соединения в вертикальном положении. направление [25

Рисунок 6. Принципиальная схема трехмерной интегрированной структуры упаковки [6,29-31]

В многослойной трехмерной упаковке сквозные кремниевые переходы являются одной из наиболее важных технологий, которые используют вертикальное соединение сквозных кремниевых переходов через подложку для реализации электрического соединения между различными чипами [3]. Ключевые технологии сквозной кремниевой упаковки включают в себя формирование, заполнение сквозных отверстий, утончение чипов и соединение. Конкретные этапы заключаются в следующем: сначала формируются сквозные отверстия путем лазерного сверления, сухого травления или мокрого травления, затем изолирующий слой SiO2 и проводящий слой меди заполняются методом химического осаждения из паровой фазы, затем чипы утончаются путем шлифования и, наконец, чипы соединяются между собой. путем склеивания или соединения металлов [29]. По сравнению с традиционной плоской двумерной структурой межсоединений, трехмерная структура кремниевых сквозных отверстий имеет преимущества небольшого размера, легкого веса, высокой эффективности использования кремниевых пластин, сокращенной задержки сигнала, снижения энергопотребления и т. д., а также широко используется на трехмерном уровне пластин, системном уровне и упаковке интегральных схем. Однако он также имеет некоторые ограничения. Во-первых, надежность, высокая удельная мощность сквозной кремниевой структуры корпуса и большая проблема с терморегулированием ламинированного чипа; Во-вторых, стоимость высока, а структура упаковки, процесс и испытания сложны.

Во встроенном 3D-корпусе вместо соединительной проволоки используется медная проволока и микропоры, а чип встраивается в ламинат печатной платы, что позволяет уменьшить объем, повысить надежность и облегчить системную интеграцию [30]. Самой большой проблемой этой структуры являются ее плохие термомеханические свойства, которые ограничиваются термомеханическим напряжением, вызванным низкой температурой стеклования и высоким КТР традиционных материалов для печатных плат, а также низкая температура эксплуатации [18]. Кроме того, прочность на отслаивание ламината FR4-PCB низкая, около 0.9 ~ 1.25 Н/мм. По сравнению с подложкой DBC номинальная мощность модуля, встроенного в печатную плату, низка [3].

Помимо описанного выше сварного соединения, трёхмерный корпус может быть сформирован методом опрессовки. Типичный случай показан на рисунке 7, где представлена схема внутренней структуры модуля опрессовки IGBT Westcode [32]. Физическое соединение компонентов осуществляется с помощью внешнего механического давления, а не выводов, пайки или спекания. Благодаря простоте конструкции, низкой стоимости и высокой надёжности, он широко используется в высоковольтных и сильноточных электросетях. Однако в обжимном модуле внутренние размеры модуля, плоскостность и качество поверхности каждого компонента должны быть высокими, а на теплопроводность и электропроводность соединения сильно влияют давление и однородность. Необходимо выбрать соответствующее давление зажима, чтобы обеспечить меньшее контактное сопротивление и термическое сопротивление, но на это неизбежно будут влиять шероховатость поверхности и структурная деформация. Эластичные буферные конструкции и материалы с малым КТР, такие как молибденовые прокладки и пружинные пластины, часто вводятся в обжимную конструкцию для выравнивания давления, снижения термомеханических напряжений и повышения надежности.

Рис. 7 Внутренняя структура модуля опрессовки IGBT в Sima [6,32]

Ключевые материалы, технология подключения и конструкция силовой упаковки постепенно развиваются в направлении удаления выводов, улучшения характеристик рассеивания тепла, увеличения плотности интеграции и т. д., чтобы обеспечить надежное применение в условиях высоких температур, высокого напряжения и высоких частот. С популяризацией и применением полупроводниковых устройств третьего поколения, соединительные материалы из спеченной серебряной паяльной пасты, кремниевые технологии, трехмерная интегрированная структура упаковки и т. д. являются основными тенденциями в будущем, и я считаю, что перспективы их применения безграничны.

Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена из раздела «Электроника и упаковка». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.