ความคืบหน้าการวิจัยวัสดุสำคัญบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและการออกแบบโครงสร้าง

เชิงนามธรรม:บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ระนาบสองมิติ เช่น การเชื่อมต่อแบบบัดกรีและการติดลวด ซึ่งไม่สามารถตอบสนองการใช้งานที่เชื่อถือได้ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่ความถี่สูง แรงดันไฟฟ้าสูง และอุณหภูมิสูง เพื่อที่จะแก้ไขปัญหานี้ บรรจุภัณฑ์แบบระนาบสองมิติจึงค่อย ๆ พัฒนาเป็นบรรจุภัณฑ์แบบรวมสามมิติ ความคืบหน้าการวิจัยเกี่ยวกับการออกแบบวัสดุและโครงสร้างหลักในเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้รับการสรุปและคาดการณ์ วัสดุเชื่อมต่อได้ค่อยๆ พัฒนาจากการบัดกรีที่ใช้ดีบุกไปจนถึงบัดกรีที่ใช้ทองคำ วัสดุเชื่อมต่อเฟสของเหลวชั่วคราว เงินเผาผนึก และวัสดุอื่นๆ ที่มีการนำความร้อนสูงและทนต่ออุณหภูมิสูง และเทคโนโลยีการเชื่อมต่อได้ค่อยๆ พัฒนาจากการติดลวดเป็นสองเท่า การระบายความร้อนด้านข้าง การรวมอุปกรณ์ และการเชื่อมต่อโครงข่ายการเคลือบแนวตั้ง ประสิทธิภาพของสวิตช์ได้รับการปรับปรุงโดยการถอดลีดออก ความหนาแน่นของพลังงานได้รับการปรับปรุงโดยการรวมชิปและอุปกรณ์ต่างๆ และประสิทธิภาพการกระจายความร้อนได้รับการปรับปรุงโดยการระบายความร้อนแบบสองด้าน บรรจุภัณฑ์บูรณาการสามมิติมีศักยภาพทางการตลาดที่ดีและจะกลายเป็นหนึ่งในแนวโน้มการพัฒนาหลักในอนาคต

คีย์เวิร์ด:บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ วัสดุบรรจุภัณฑ์; โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ บรรจุภัณฑ์สามมิติ เงินเผา; ซิลิคอนผ่านรู

โครงการกองทุน:โครงการคณะกรรมการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเซินเจิ้น（JCYJ20180508161601937）

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังกำลังพัฒนาไปสู่การใช้งานความถี่สูง ความหนาแน่นสูง กำลังสูงและอุณหภูมิสูง [1] ในปัจจุบัน อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน (Si) ยังคงครองตลาดอยู่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะของวัสดุ ความถี่ในการเปลี่ยน อุณหภูมิในการทำงาน และความหนาแน่นของพลังงานของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนจึงมีจำกัด เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนแบบดั้งเดิม เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ถูกนำมาใช้มากขึ้นเรื่อยๆ ในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าสูง อุณหภูมิสูง และความถี่สูง เช่น การสื่อสารไร้สาย ไฟฟ้า ยานพาหนะและการบินและอวกาศเนื่องจากมีแรงดันพังทลายที่สูงกว่า ช่องว่างของแถบความถี่ที่กว้างขึ้น ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้น และการสูญเสียพลังงานที่ต่ำกว่า [2-3] อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามได้ก่อให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์

เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เป็นกระบวนการในการเชื่อมต่อและยึดชิปด้วยสารตั้งต้นของตัวพา โดยนำพินออกมา และขึ้นรูปเป็นอุปกรณ์หรือโมดูลกำลังทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่มีบทบาทในการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า การรองรับและการป้องกันโครงสร้าง และการกระจายความร้อน [4]. เนื่องจากเป็นแกนหลักของการรวมโมดูล วัสดุบรรจุภัณฑ์ กระบวนการ และโครงสร้างจึงส่งผลโดยตรงต่อคุณลักษณะการรบกวนทางความร้อน ไฟฟ้า และแม่เหล็กไฟฟ้าของโมดูลพลังงาน ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ที่สมบูรณ์นั้นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อวัสดุ เช่น กาวเงินหรือบัดกรีที่ใช้ดีบุก และโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ เช่น การเชื่อมต่อตะกั่ว ซึ่งมีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและแรงดันสูงต่ำ ปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่โดดเด่น และไม่สามารถ ให้วิธีการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ เมื่อเร็ว ๆ นี้ วัสดุเชื่อมต่อระหว่างเงินซินเตอร์ โครงสร้างบรรจุภัณฑ์แบบบูรณาการสามมิติ ฯลฯ มีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยมและมีการนำความร้อนสูง ซึ่งสามารถกระจายความร้อนได้สองด้าน และลดการสูญเสียการสลับได้อย่างมาก ทำให้โมดูลพลังงานมีคุณสมบัติทางความร้อนและไฟฟ้าที่ดีและ ความน่าเชื่อถือและได้รับการวิจัยและความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ คาดว่าจะตอบสนองการใช้งานที่เชื่อถือได้ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามในด้านอุณหภูมิสูง ไฟฟ้าแรงสูง และความถี่สูง ในบทความนี้ มีการสรุปและคาดการณ์ความคืบหน้าการวิจัยล่าสุดของวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและการออกแบบโครงสร้าง

โครงสร้างแพ็คเกจโมดูลพลังงานทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 1 ซึ่งประกอบด้วยชิปจ่ายไฟ วัสดุเชื่อมต่อ ลวดเชื่อม พื้นผิวเซรามิก แผ่นด้านล่าง วัสดุสำหรับปลูก เปลือก และขั้วจ่ายไฟ [3,5] คุณสมบัติทางความร้อน ไฟฟ้า ทางกล และทางเคมีของวัสดุบรรจุภัณฑ์แต่ละชนิดแตกต่างกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติของวัสดุแต่ละชนิดอย่างครอบคลุมเพื่อเลือกประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของโมดูลพลังงานทั้งหมด

图1  典型的功率模块封装结构[5]

แนวโน้มการพัฒนาวัสดุและเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ที่สำคัญ เช่น การติดชิป การเชื่อมต่อ และซับสเตรตแสดงไว้ในรูปที่ 2 เทคโนโลยีการเชื่อมต่อกำลังพัฒนาตั้งแต่การยึดสายไฟไปจนถึงริบบิ้น เสาทองแดง โครงตะกั่ว และการชุบทะลุรู เป็นต้น การถอดสายนำออกและเพิ่มพื้นที่การเชื่อมต่อ จะทำให้ค่าการนำความร้อนและไฟฟ้าดีขึ้น วัสดุพันธะสำหรับชิปได้พัฒนาจากการบัดกรีแบบดั้งเดิมไปจนถึงการบัดกรีที่อุณหภูมิสูงโดยใช้ทองคำ การเชื่อมเฟสของเหลวชั่วคราว เงินเผาผนึก และทองแดงเผา ฯลฯ ซึ่งปรับปรุงการนำความร้อนและไฟฟ้าได้อย่างมาก และตอบสนองอุณหภูมิสูงและเชื่อถือได้ การใช้งาน สารตั้งต้นพัฒนาขึ้นเพื่อทำให้ชั้นโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและตัวนำความร้อนของโลหะหนาขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกระจายความร้อน [5]

รูปที่ 2 แนวโน้มการพัฒนาวัสดุและเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ เช่น การเชื่อมต่อ สารตั้งต้น และการติดชิป [5]

2.1  วัสดุชิป

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปแสดงไว้ในตารางที่ 1 [6-7] เนื่องจากเทคโนโลยีที่สมบูรณ์และมีต้นทุนต่ำ Si จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์แยกและวงจรรวมต่างๆ วิศวกรรมเครือข่ายข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ และสาขาอื่นๆ เมื่อเปรียบเทียบกับ Si แล้ว GaAs มีลักษณะของช่องว่างย่านความถี่กว้างและความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง ซึ่งสามารถลดขนาด RF และการใช้พลังงานได้อย่างมาก และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำใน RF การสื่อสารไร้สาย และสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์ SiC และ GaN มีช่องว่างแถบความถี่ที่ใหญ่กว่า ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะดูดซับพลังงานรังสีความร้อน และข้ามไปยังแถบการนำไฟฟ้าเมื่อทำงานที่อุณหภูมิสูง และมีความแข็งแรงของสนามพังผืดที่สูงกว่า ดังนั้นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแถบกว้าง SiC และ GaN จึงเหมาะสำหรับอุณหภูมิสูงและสูงมากกว่า โอกาสแรงดันไฟฟ้ามากกว่าศรี SiC มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า ความสามารถในการกระจายความร้อนดีกว่า มีความคล่องตัวของพาหะสูงกว่า ความหนาแน่นกระแสสูงกว่า และทนต่ออุณหภูมิสูงและแรงดันไฟฟ้าสูง ดังนั้นจึงมักถูกใช้เป็นอุปกรณ์จ่ายไฟ ซึ่งมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในสนามพลังงานสูงที่มีแรงดันไฟฟ้า 600 V ขึ้นไป และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านยานพาหนะพลังงานใหม่และอุปกรณ์พลังงาน GaN มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและความเร็วพาหะที่เร็วขึ้น ความต้านทานออนและพารามิเตอร์ปรสิตที่น้อยกว่าที่แรงดันไฟฟ้าสูง และมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในทิศทางของความถี่วิทยุกำลังสูง GaN ส่วนใหญ่ใช้ในสาขา RF ไมโครเวฟ เช่น การสื่อสาร 5G และการสื่อสารผ่านดาวเทียม สาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น การชาร์จอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและยานพาหนะพลังงานใหม่ และสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์ LED เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูง สิ้นเปลืองพลังงานต่ำ ความถี่สูง และกว้างกว่า แบนด์วิธ เช่นเดียวกับ SiC เทคโนโลยี GaN ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาอย่างรวดเร็วในปัจจุบัน และมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง

ตารางที่ 1 คุณสมบัติของวัสดุชิปเซมิคอนดักเตอร์ (6)

2.2  วัสดุยึดติดชิป

โลหะบัดกรีโลหะผสม SnPb เช่น Sn63Pb37 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุติดชิปเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น โมดูลัสแรงเฉือนต่ำ ความสามารถในการเปียกน้ำสูง ความเหนียว คุณสมบัติทางเทอร์โมกล และความน่าเชื่อถือ อย่างไรก็ตาม SnPb ไม่เป็นไปตามมาตรฐานไร้สารตะกั่วของ EU RoHS และมีจุดหลอมเหลวต่ำ (ประมาณ 180°C) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุยึดติดชิปใหม่เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของการจับคู่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) และการทนต่ออุณหภูมิสูงของโครงสร้างและวัสดุบรรจุภัณฑ์ปัจจุบัน วัสดุติดชิปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดแสดงไว้ในตารางที่ 2 [8] ซิลเวอร์เพสต์นำไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยเมทริกซ์เรซิน อนุภาคนำไฟฟ้า (ส่วนใหญ่เป็นผงเงิน) สารเติมแต่งและสารเติมแต่งที่กระจายตัว ฯลฯ ค่าการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วอยู่ที่ประมาณ 100~150°C ซึ่งมีจำนวนจำกัด ในด้านบรรจุภัณฑ์ชิปที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง เมื่อเปรียบเทียบกับสารบัดกรี SnPb สารบัดกรีไร้สารตะกั่ว เช่น SnAg หรือ SnAgCu โดยทั่วไปจะมีปริมาณ Sn สูงกว่า 90% และมีจุดหลอมเหลวสูงกว่า (ประมาณ 220°C) ในกระบวนการแข็งตัว ระดับการระบายความร้อนอันเดอร์คูลจะสูงกว่า และง่ายต่อการสร้างโครงสร้างเดนไดรต์หยาบและสารประกอบระหว่างโลหะ ซึ่งมีการกระจายไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ความต้านทานการคืบคลานลดลง นอกจากนี้ โลหะผสม SnAgCu ยังมีโมดูลัสยืดหยุ่นสูง และ CTE ของมันค่อนข้างแตกต่างจากของชิปและซับสเตรต ภายใต้การกระทำของภาระรอบความร้อน เป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดความเสียหายเมื่อยล้า และนำไปสู่การลอกของข้อต่อบัดกรี ซึ่งจะลดความน่าเชื่อถือของข้อต่อบัดกรี [9]

ตารางที่ 2 คุณสมบัติของวัสดุประสานแม่พิมพ์ (8)

วัสดุยึดติดที่อุณหภูมิสูงสำหรับชิป เช่น โลหะบัดกรียูเทคติกอัลลอยด์ที่มีทองคำ เช่น AuSn หรือ AuGe มีจุดหลอมเหลวสูง (มากกว่า 280°C) การนำความร้อน และการนำไฟฟ้า และง่ายต่อการตระหนักถึงการบัดกรีไร้บัดกรี อย่างไรก็ตาม ปริมาณทองคำในโลหะบัดกรีที่ใช้ทองคำโดยทั่วไปจะสูงและต้นทุนก็สูง และเนื่องจากเฟสส่วนประกอบมีความเปราะบางสูง จึงนำไปสู่ข้อเสียของการประมวลผลที่ยาก ผลผลิตต่ำ และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่ไม่ดี ซึ่งส่งผลกระทบร้ายแรงต่อ การประยุกต์อย่างกว้างขวางในด้านบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง [10]

พันธะเฟสของเหลวชั่วคราว (TLPB) เป็นกระบวนการที่ชั้นกลาง (เช่น In และ Sn) ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าถูกเติมลงในวัสดุฐานที่เชื่อมกัน (เช่น Cu, Au, Ag และ Ni) ที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่า และ ชั้นกลางและวัสดุฐานบางส่วนจะละลายและแข็งตัวอีกครั้งโดยการให้ความร้อน เพื่อให้ของแข็งและของเหลวกระจายซึ่งกันและกันเพื่อสร้างการเชื่อมต่อ การเลือกวัสดุและกระบวนการที่เหมาะสม พันธะเฟสของเหลวชั่วคราวสามารถสร้างข้อต่อที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม เช่น ความแข็งแรงในการยึดเกาะที่มากกว่า 60 MPa[11] อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้การเชื่อมต่อเฟสของเหลวชั่วคราวในการเชื่อมต่อชิปที่อุณหภูมิสูงนั้นมีจำกัดอย่างมาก เนื่องจากมีชั้นกลางให้เลือกน้อย ต้นทุนสูง และการเกิดออกซิเดชันของ Au-In และวัสดุอื่นๆ

การเชื่อมต่อโครงข่ายเงินเผาผนึกหรือที่เรียกว่าเทคโนโลยีการเชื่อมต่อที่อุณหภูมิต่ำ มีพื้นฐานมาจากการแพร่กระจายของอะตอมโซลิดเฟสของอนุภาคนาโนเงินหรือไมโครเงินเพื่อสร้างการเชื่อมต่อแบบเผาผนึก เนื่องจากอุณหภูมิการเผาผนึกต่ำ (200~300°C) และจุดหลอมเหลวสูง (961°C) เงินจึงมีข้อดีหลายประการ เช่น การนำความร้อนสูง ความต้านทานต่อการหมุนเวียนของอุณหภูมิ และความน่าเชื่อถือสูงของการหมุนเวียนของพลังงาน ได้กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการเชื่อมต่อชิปที่อุณหภูมิสูง และได้รับการศึกษาและนำไปใช้อย่างกว้างขวาง [12] อย่างไรก็ตาม การเผาเงินก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น การรวมตัวกันของอนุภาคนาโนเงินที่อุณหภูมิต่ำ ต้นทุนสูง การเผาด้วยความดันของผงบัดกรีเงินไมครอน กระบวนการที่ซับซ้อน การชุบ Ni/Au หรือ Ni/Ag บนพื้นผิวของชิปและซับสเตรต และการโยกย้ายทางเคมีไฟฟ้าของเงิน เมื่อเปรียบเทียบกับครีมบัดกรีนาโนเงิน สารบัดกรีนาโนทองแดงได้รับความสนใจเมื่อเร็ว ๆ นี้ เนื่องจากมีต้นทุนที่ต่ำกว่าและไม่มีความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือของการโยกย้ายทางเคมีไฟฟ้า [13] อย่างไรก็ตาม อนุภาคนาโนทองแดงจะถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายและจำเป็นต้องเผาในบรรยากาศเฉื่อย ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนของกระบวนการและต้นทุนอุปกรณ์ และมีข้อจำกัดในการใช้งานบางประการ

2.3  วัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติก

หน้าที่หลักของวัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติกคือฉนวนไฟฟ้าและการแยกสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีบทบาทในการป้องกันความชื้น สเปรย์เกลือ ป้องกันโรคราน้ำค้าง ฝุ่น ป้องกันการชน และป้องกันการสั่นสะเทือน หลีกเลี่ยงการกัดกร่อนและความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงรับประกันประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ แม้แต่การปรับปรุงระดับแรงดันไฟฟ้าของโมดูลพลังงานไฟฟ้าแรงสูง หลีกเลี่ยงการคายประจุของอิเล็กโทรด และในที่สุดก็ปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ [14] ประเภทและคุณสมบัติของวัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติกแสดงไว้ในตารางที่ 3 วัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติกสามารถแบ่งออกเป็นการเคลือบแบบ Conformal Coatings, Underfills, Molding Compounds, Potting Compounds และ Globtops [14]      

ตารางที่ 3 ชนิดและคุณสมบัติของวัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติก [14]

การเคลือบแบบคอนฟอร์มัลเป็นการเคลือบออร์แกนิกชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการปกป้องพื้นผิวของวงจรพิมพ์ ซึ่งต้องการประสิทธิภาพการเชื่อมต่อกับซับสเตรตและส่วนประกอบที่ดี โดยทั่วไป วัสดุที่มีการดูดซึมน้ำต่ำ ความเป็นฉนวนสูง CTE ที่ตรงกันและโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำจะถูกเลือก เช่น กรดอะคริลิกซึ่งสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิต่ำน้อยกว่า 120°C, โพลียูรีเทนซึ่งสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิต่ำน้อยกว่า 165°C, อีพอกซีเรซินซึ่งสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิปานกลางน้อยกว่า 200°C และเรซินซิลิโคน พาริลีน เบนโซไซโคลบิวทีน และโพลิอิไมด์ ซึ่งสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิสูงมากกว่า 250°C

ดังที่แสดงในรูปที่ 3 สารประกอบที่เติมด้านล่างและแบบขึ้นรูปไม่เพียงแต่สามารถแยกออกจากสภาพแวดล้อมโดยรอบและลดความเครียดของสนามไฟฟ้า แต่ยังปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ที่บรรจุหีบห่อด้วยการลดหรือกระจายความเครียดทางเทอร์โมกลที่เกิดจาก CTE ที่ไม่ตรงกัน [14] ดังนั้น ควรเลือกวัสดุที่ตรงกับ CTE ของแต่ละส่วนประกอบในโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เช่น วัสดุแข็งที่มี CTE เท่ากับ (20~30)×10-6/K และน้อยกว่า 20×10-6/K เนื่องจาก การเติมด้านล่างและสารประกอบการขึ้นรูปตามลำดับ เพื่อลดความเครียดจากความร้อนจากลูกบอลบัดกรีและโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ทั้งหมดรวมถึงลูกบอลบัดกรี ในปัจจุบัน สารเติมด้านล่างและการขึ้นรูปที่ใช้กันมากที่สุดคืออีพอกซีเรซินที่เติมซิลิกา

กาวสำหรับปลูกและกาวห่อหุ้มด้านบนไม่เพียงแต่ปรับปรุงระดับแรงดันไฟฟ้าจากการพังทลายของสนามไฟฟ้าและหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนและความเสียหายของสภาพแวดล้อมโดยรอบ แต่ยังมีบทบาทบางอย่างในการรองรับเชิงกลของโครงสร้างบรรจุภัณฑ์อีกด้วย ในปัจจุบัน วัสดุกาวสำหรับติดหม้อและกาวปิดผนึกด้านบนที่ใช้กันมากที่สุดคือโพลียูรีเทนซึ่งสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำน้อยกว่า 165°C, อีพอกซีเรซินซึ่งสามารถทาที่อุณหภูมิปานกลางน้อยกว่า 200°C และยางซิลิโคนหรือ เจลที่สามารถทาได้ที่อุณหภูมิสูงไม่เกิน 300°C ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ วัสดุอ่อน เช่น ยางซิลิโคนหรือเจล ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีความแข็งและโมดูลัสต่ำ มีความพลาสติกและความยืดหยุ่นสูง ซึ่งมีอิทธิพลเพียงเล็กน้อยต่อความเครียดของส่วนประกอบบรรจุภัณฑ์ เช่น เศษและลวดเชื่อม อย่างไรก็ตาม วัสดุอ่อน เช่น ยางซิลิโคนและเจล มีประสิทธิภาพการรองรับเชิงกลและการป้องกันต่ำ เพื่อต้านทานแรงกระแทกภายนอก สามารถเลือกวัสดุแข็ง เช่น เรซิน ได้ อย่างไรก็ตาม เรซินมักจะมีโมดูลัสสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกวัสดุที่มี CTE ที่ตรงกัน เพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดทางเทอร์โมกลที่มากเกินไปบนโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ทั้งหมด

（b）模塑料示意ภาพ

รูปที่ 3 แผนผังของการบรรจุด้านล่างและการขึ้นรูปในโครงสร้างบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง [14]

2.4  วัสดุพื้นผิวและแผ่นด้านล่าง

โดยทั่วไปแล้ว วัสดุพิมพ์เป็นโครงสร้างแบบแซนวิชของ "ชั้นโลหะเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า-ชั้นฉนวน-ชั้นโลหะเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า" และชั้นโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าด้านบนและด้านล่างใช้สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างชิปและแบ็คเพลนตามลำดับ ตามกระบวนการผลิต พื้นผิวสามารถแบ่งออกเป็นซับสเตรตทองแดงพันธะโดยตรง (DBC),ซับสเตรตทองแดงที่พิมพ์โดยตรง (DPC),ซับสเตรตอลูมิเนียมพันธะโดยตรง (DBA),ซับสเตรตการประสานโลหะที่ใช้งาน, AMB), พื้นผิวโลหะหุ้มฉนวน (IMS) และทองแดงพิมพ์ฟิล์มหนา (TPC) เป็นต้น

สารตั้งต้น DBC คือการเชื่อมต่อแบบยูเทคติกระหว่างเซรามิกและคอปเปอร์ออกไซด์บางๆ บนฟิล์มทองแดง ซึ่งมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อย่างไรก็ตาม ฟิล์มคอปเปอร์ออกไซด์ที่ส่วนต่อประสานเซรามิกนั้นแยกส่วนได้ง่าย ส่งผลให้ซับสเตรต DBC มีความน่าเชื่อถือต่ำต่อการหมุนเวียนของอุณหภูมิ พื้นผิว AMB เชื่อมต่อโลหะและเซรามิกเข้าด้วยกันโดยการประสานโลหะแบบแอคทีฟ ซึ่งสามารถกำจัดชั้นออกไซด์และปรับปรุงความน่าเชื่อถือได้ DBA ใช้การประสาน AlSi เพื่อเชื่อมต่อแผ่นอลูมิเนียมและเซรามิก เมื่อเปรียบเทียบกับชั้นทองแดงของ DBC ชั้นอลูมิเนียมมีความแข็งต่ำกว่า สามารถทนต่อความเครียดทางกลความร้อนได้สูงกว่า และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ [15] อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนของอลูมิเนียมต่ำกว่าทองแดง และประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของสารตั้งต้น DBA ไม่ดีเท่ากับสารตั้งต้น DBC วัสดุพิมพ์ IMS ประกอบด้วยชั้นเรซินฉนวนที่มีค่าการนำความร้อนสูง แผ่นทองแดงด้านล่าง และฟิล์มทองแดงหนา เมื่อเปรียบเทียบกับ DBC แล้ว IMB มีข้อดีคือกระบวนการผลิตที่เรียบง่าย อุณหภูมิการรักษาความร้อนต่ำ ต้นทุนต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง TPC เป็นชั้นของทองแดงเพสต์ที่พิมพ์บนเซรามิกโดยการพิมพ์สกรีน ซึ่งเผาที่อุณหภูมิ 850~950°C เพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่มีความแข็งแรงสูงระหว่างฟิล์มโลหะและเซรามิก ความน่าเชื่อถือของวงจรอุณหภูมิอยู่ในระดับสูง และสามารถบูรณาการเข้ากับชิปวงจรรวมและอุปกรณ์แบบพาสซีฟเพื่อสร้างโมดูลไฮบริดได้ เมื่อเร็วๆ นี้ สารตั้งต้นที่ใช้ลีดเฟรมหนาและชั้นฉนวนบางๆ ก็ปรากฏขึ้น ซึ่งทำให้โครงสร้างของสารตั้งต้นหลายชั้นง่ายขึ้น และปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อน [5]

เมื่อพิจารณาถึงการนำความร้อนและ CTE แล้ว Al2O3, Si3N4, AlN และ BeO จึงเป็นวัสดุเซรามิกที่ใช้กันมากที่สุดในซับสเตรต ดูตารางที่ 4[8,16] สำหรับการเปรียบเทียบประสิทธิภาพ BeO มีค่าการนำความร้อนสูงสุด แต่ฝุ่นในกระบวนการเตรียมการเป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ ซึ่งทำให้การใช้งานมีจำกัด Al2O3 เป็นตัวเลือกที่ประหยัดที่สุด แต่มีความแข็งแรงเชิงกลปานกลางและค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ ค่าการนำความร้อนของ AlN นั้นสูงกว่าค่าการนำความร้อนของ Al2O3 และ CTE จะจับคู่กับชิปได้ดีกว่า Si3N4 มีความน่าเชื่อถือในการหมุนเวียนที่อุณหภูมิสูงกว่า แต่มีต้นทุนค่อนข้างสูง [17] ความน่าเชื่อถือในการรวมกันของ Al-AlN และ Cu-Si3N4 นั้นสูงกว่า เนื่องจากวัสดุอลูมิเนียมเดิมมีความอ่อน โมดูลัสยืดหยุ่นของมันต่ำ และง่ายต่อการเปลี่ยนรูป ซึ่งสามารถชะลอความเสียหายที่เกิดจากความเครียดจากความร้อนต่อเซรามิก . Si3N4 รุ่นหลังมีความแข็งแรงในการดัดงอและความเหนียวแตกหักสูงกว่า และสามารถต้านทานความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากทองแดงได้

ตารางที่ 4 คุณสมบัติของวัสดุเซรามิกในพื้นผิว (8)

วัสดุแผ่นฐานที่ใช้กันมากที่สุดคือ Cu เพื่อลด CTE และรับประกันการนำความร้อนสูง วัสดุคอมโพสิตโลหะ เช่น AlSiC, W-Cu, Mo-Cu และ Cu-Mo-Cu จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเช่นกัน ดูตารางที่ 5[8] สำหรับพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ โดยทั่วไปแผ่นฐานจะชุบด้วยนิกเกิลซึ่งสามารถป้องกันการอพยพและการเกิดออกซิเดชันของอะตอมทองแดงที่อุณหภูมิสูงและปรับปรุงความแข็งแรงและความต้านทานการเสียรูปของแผ่นฐานทองแดง

ตารางที่ 5 คุณสมบัติวัสดุของแผ่นด้านล่าง (8)

ตามวิธีการประกอบชิปและกระบวนการเชื่อมต่อโครงข่ายที่แตกต่างกัน โครงสร้างบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: บรรจุภัณฑ์แบบบัดกรีและบรรจุภัณฑ์แบบจีบ แนวโน้มการพัฒนาของบรรจุภัณฑ์แสดงไว้ในรูปที่ 4 ซึ่งบรรจุภัณฑ์ที่บัดกรีสามารถนำการเชื่อมด้วยลวด ฟลิปชิป (การเชื่อมต่อระหว่าง BGA) การเชื่อมต่อระหว่างเสาโลหะ การเชื่อมต่อระหว่างอาร์เรย์แบบฝัง การเชื่อมต่อระหว่างกันของฟิล์มโลหะที่สะสม และโครงสร้างอื่นๆ บรรจุภัณฑ์แบบกดออนเป็นโครงสร้างเชื่อมต่อระหว่างกันที่เกิดจากแรงดันทางกลภายนอก เพื่อความสะดวกในการวิเคราะห์เปรียบเทียบ ข้อดีและข้อเสียของวิธีการบรรจุภัณฑ์ข้างต้นแสดงอยู่ในตารางที่ 6[18] การติดลวดมีข้อดีของเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ ต้นทุนต่ำ และการเดินสายที่ยืดหยุ่น อย่างไรก็ตาม โมดูลที่ต่อด้วยลวดมีการเหนี่ยวนำปรสิตสูง ซึ่งสามารถกระจายความร้อนได้จากด้านใดด้านหนึ่งของแบ็คเพลนเท่านั้น [18] นอกจากนี้ เนื่องจาก CTE ที่ไม่ตรงกันระหว่างลวดเชื่อมและชิป ทำให้เกิดความเครียดทางเทอร์โมกลขนาดใหญ่ ซึ่งทำให้ข้อต่อบัดกรีมีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวเมื่อยล้า และกลายเป็นรูปแบบความล้มเหลวหลักของโมดูลในกระบวนการของวงจรพลังงาน

รูปที่ 4 แนวโน้มการพัฒนาโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ [5]

ตารางที่ 6 เปรียบเทียบโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ (18)

ปัจจุบัน โครงสร้างบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้ค่อยๆ พัฒนาจากโครงสร้างบรรจุภัณฑ์มาตรฐานการเชื่อมด้วยลวดแบบดั้งเดิม ไปจนถึง Overmold, การเชื่อมสองด้าน, การรวมส่วนประกอบ และการรวมพลังงาน 3D การถอดสายวัดสามารถลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อน และเพิ่มการรวมเข้าด้วยกัน โครงสร้างการฉีดขึ้นรูปเป็นแพ็คเกจระนาบขนาดกะทัดรัด ซึ่งง่ายสำหรับการผลิตโมดูลเป็นชุด โครงสร้างการเชื่อมต่อสองด้านสามารถรับรู้การกระจายความร้อนสองด้านและปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อน โครงสร้างแบบรวมของอุปกรณ์สามารถรวมฟังก์ชันต่างๆในโมดูลและปรับปรุงความเร็วในการเปลี่ยนได้ โครงสร้างการรวมพลังงานสามมิติคือการซ้อนชิปในทิศทางแนวตั้ง ซึ่งสามารถลดการเหนี่ยวนำปรสิตได้อย่างมาก และปรับปรุงประสิทธิภาพการสลับ [5] เมื่อเทียบกับบรรจุภัณฑ์แบบสองมิติ บรรจุภัณฑ์สามมิติมีข้อดีที่ชัดเจน เช่น ลดระยะลูปในแนวตั้งลงอย่างมาก ลดการเหนี่ยวนำปรสิตและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เพิ่มความเร็วในการส่ง ปรับปรุงประสิทธิภาพการสลับ และลดการสูญเสียพลังงาน สามารถรวมชิปและอุปกรณ์ได้หลากหลาย เช่น วงจรเกตไดรฟ์ ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน ตัวระบายความร้อน ฯลฯ เพื่อปรับปรุงความหนาแน่นในการรวมพลังงานให้ดียิ่งขึ้น และลดปริมาณบรรจุภัณฑ์ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน บรรจุภัณฑ์ 3 มิติยังเผชิญกับความท้าทายบางประการ เช่น การจัดการระบายความร้อน เทคโนโลยีการผลิต และผลผลิตที่เกิดจากการเชื่อมต่อชิปสแต็ก และกระบวนการผลิตจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม [6,19]

3.1  แพคเกจการฉีดขึ้นรูปทุติยภูมิ

บนพื้นฐานของโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ด้วยลวดเชื่อมแบบดั้งเดิม โครงสร้างบรรจุภัณฑ์แบบสองช็อตเป็นโครงสร้างที่ชิปถูกเชื่อมเข้ากับลีดเฟรมโดยตรง ลวดพันธะจะถูกเอาออก และใช้อีพอกซีเรซินสำหรับบรรจุภัณฑ์แบบฉีด เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างแพ็คเกจของการยึดลวด พื้นที่เชื่อมต่อที่ด้านบนของชิปในแพ็คเกจการฉีดขึ้นรูปจะเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อน การลดลงของการเหนี่ยวนำปรสิตจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการผลิตจำนวนมากแบบโมดูลาร์ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรเรียงกระแสของยานพาหนะไฟฟ้า

3.2  แพคเกจการเชื่อมต่อสองด้าน

โครงสร้างการเชื่อมต่อสองด้านเชื่อมต่อชิปกับซับสเตรตด้านบนและด้านล่างตามลำดับ เช่น โมดูลพลังงาน SKiN [20] ที่เสนอโดยบริษัท Ximenkang และโมดูลพลังงาน SiC [21] ที่เสนอโดย Fuji Electric ซึ่งสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ในการถอดออก ลวดเชื่อม โครงสร้างแพ็คเกจการเชื่อมต่อสองด้านมีข้อดีหลักสองประการ: (1) กำจัดพันธะลวดบนพื้นผิวตัวส่งสัญญาณ ลดการเหนี่ยวนำปรสิต แรงดันไฟฟ้าเกินและการสูญเสียพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงประสิทธิภาพการสลับ; (2) ตระหนักถึงการกระจายความร้อนของชิปในทิศทางบนและล่าง ปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อน และลดอุณหภูมิทางแยกของชิปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยชะลอความล้มเหลว ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ได้เสนอโมดูลกำลังไฟฟ้า Si IGBT หรือ SiC MOSFET พร้อมแพ็คเกจซับสเตรต DBC สองด้าน เมื่อเทียบกับโมดูลเชื่อมต่อด้วยลวดแบบเดิม ค่าความเหนี่ยวนำลดลง 62% การสูญเสียการสลับลดลง 50%~90% และประสิทธิภาพการระบายความร้อนเพิ่มขึ้น 40%~50%[22]

อย่างไรก็ตาม โครงสร้างการเชื่อมต่อแบบสองด้านก็มีข้อเสียเช่นกัน ประการแรก เมื่อเปรียบเทียบกับโมดูลการต่อลวด โครงสร้างการเชื่อมต่อสองด้านจะมีชั้นวัสดุมากกว่า ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนของกระบวนการบรรจุภัณฑ์ ประการที่สอง เนื่องจาก CTE ของวัสดุแต่ละชั้นแตกต่างกัน ความร้อนที่ไม่ตรงกันจะทำให้เกิดความเครียดทางความร้อน-เชิงกลมากขึ้น ซึ่งจะลดความน่าเชื่อถือของชั้นที่เชื่อมต่อ เพื่อลดความเครียดทางกลและความร้อน โลหะบางชนิดที่มีค่า CTE ของชิป เช่น Mo หรือ Cu/Mo/Cu[23] จะถูกนำมาใช้เป็นวัสดุระหว่างชั้น ประการที่สาม ดังแสดงในรูปที่ 5 เมื่อตระหนักถึงโมดูลพลังงานที่มีการเชื่อมต่อสองด้านแบบหลายชิปที่มีความหนาต่างกัน จำเป็นต้องชุบด้วยไฟฟ้าหรือเชื่อมต่อ Micro-Metal Post หรือหมุดทองแดงที่มีความสูงต่างกันระหว่างชิปและซับสเตรต DBC ดังนั้น เพื่อแก้ปัญหาความแตกต่างของความสูงที่เกิดจากความหนาต่างกันของมัลติชิป [6] ประการที่สี่ การบัดกรีด้วยดีบุกเป็นวัสดุเชื่อมต่อโครงข่ายที่ใช้กันมากที่สุดในบรรจุภัณฑ์โมดูล ในกระบวนการบรรจุโมดูลเชื่อมต่อสองด้าน โดยปกติจะต้องมีขั้นตอนการเชื่อมต่อหลายขั้นตอน ซึ่งต้องใช้กลุ่มบัดกรีที่มีจุดหลอมเหลวต่างกัน ซึ่งจะจำกัดอุณหภูมิการให้บริการของโมดูล ดังนั้นในโครงสร้างแพ็คเกจการเชื่อมต่อสองด้าน สารบัดกรีเงินซินเทอร์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง ค่าการนำไฟฟ้าสูง และจุดหลอมเหลวสูง จึงกลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับวัสดุเชื่อมต่อโครงข่าย

รูปที่ 5 โครงสร้างแพ็คเกจการเชื่อมต่อสองด้าน [6]

3.3  บรรจุภัณฑ์อุปกรณ์แบบรวม

แพ็คเกจรวมคืออุปกรณ์ที่รวมฟังก์ชันต่างๆ ไว้ในโมดูล เช่น วงจรขับเกตแบบรวม ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน เซ็นเซอร์อุณหภูมิ เซ็นเซอร์กระแส และวงจรป้องกัน [18] บรรจุภัณฑ์อุปกรณ์แบบรวมมีข้อดีหลายประการ เช่น โดยการบูรณาการวงจรเกตไดรฟ์และตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน การเหนี่ยวนำปรสิตของบัสบาร์หรือขั้วต่อภายนอกของโมดูลสามารถลดลงได้ การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์จ่ายไฟและไดรฟ์เกตสามารถสั้นลง การเหนี่ยวนำลูปเกตสามารถลดลงได้ , การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถระงับได้, ประสิทธิภาพการแชร์กระแสไฟฟ้าและความเร็วในการเปลี่ยนสามารถปรับปรุงได้ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างแพ็คเกจนี้มีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน ตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปวงจรไดรฟ์เกตแบบรวมจะเรียบง่าย และขนาดโดยรวม ความสามารถในการรองรับกระแส และความถี่ในการสลับของโมดูลจะถูกจำกัดโดยอุปกรณ์แบบรวมแต่ละเครื่อง นอกจากนี้ ก่อนที่อุปกรณ์จะถูกรวมและบรรจุหีบห่อ จำเป็นต้องตรวจสอบความต้านทานอุณหภูมิของแต่ละอุปกรณ์ เพื่อหลีกเลี่ยงการทำงานปกติของอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิจะได้รับผลกระทบ เนื่องจากระยะการรวมอุปกรณ์ใกล้เกินไป [5] .

3.4   แพ็คเกจรวมพลังงานสามมิติ

โครงสร้างบรรจุภัณฑ์แบบรวมจะแสดงในรูปที่ 6 โครงสร้างบรรจุภัณฑ์สามมิติส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นแพ็คเกจสามมิติแบบเรียงซ้อนและแพ็คเกจสามมิติแบบฝัง [24] บนพื้นฐานของแพ็คเกจสองมิตินั้น ใช้การเชื่อมด้วยลวด ฟลิปชิป ไมโครบัมเปอร์ Ball Grid Array (BGA) ผ่านซิลิคอนผ่าน (TSV) การฝัง PCB และเทคโนโลยีกระบวนการอื่น ๆ เพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อแบบซ้อนกันหลายชิปในแนวตั้ง ทิศทาง [25

รูปที่ 6 แผนผังโครงสร้างบรรจุภัณฑ์รวมสามมิติ [6,29-31]

ในบรรจุภัณฑ์ 3 มิติแบบเรียงซ้อน Through-silicon Vias เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องมากที่สุด ซึ่งใช้การเชื่อมต่อในแนวตั้งของ Through-Silicon Vias ผ่านซับสเตรตเพื่อให้ทราบถึงการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชิปต่างๆ [28] เทคโนโลยีที่สำคัญของบรรจุภัณฑ์ทะลุซิลิคอน ได้แก่ การขึ้นรูปรูทะลุซิลิคอน การบรรจุ การทำให้เศษบางลง และการเชื่อมต่อระหว่างกัน ขั้นตอนคอนกรีตมีดังนี้: ขั้นแรก รูเจาะจะเกิดขึ้นโดยการเจาะด้วยเลเซอร์ การกัดแบบแห้ง หรือการกัดแบบเปียก จากนั้นชั้นฉนวน SiO2 และชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าทองแดงจะถูกเติมด้วยการสะสมไอสารเคมี จากนั้นเศษจะถูกทำให้บางลงโดยการเจียร และในที่สุด เศษก็จะถูกเชื่อมต่อถึงกัน โดยการเชื่อมหรือประสานระหว่างโลหะ [29] เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างการเชื่อมต่อตะกั่วแบบระนาบสองมิติแบบดั้งเดิม โครงสร้างสามมิติของซิลิคอนทะลุรูมีข้อดีคือมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูงในการใช้เวเฟอร์ซิลิคอน ความล่าช้าของสัญญาณสั้นลง และลดการใช้พลังงาน ฯลฯ และ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระดับเวเฟอร์สามมิติ ระดับระบบ และบรรจุภัณฑ์วงจรรวม แต่ก็มีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน ประการแรก ความน่าเชื่อถือ ความหนาแน่นพลังงานสูงของโครงสร้างแพ็คเกจผ่านซิลิคอน และปัญหาการจัดการระบายความร้อนขนาดใหญ่ของชิปเคลือบ ประการที่สอง ต้นทุนสูงและโครงสร้าง กระบวนการ และการทดสอบบรรจุภัณฑ์มีความซับซ้อน

แพ็คเกจ 3D แบบฝังใช้ลวดทองแดงและไมโครพอร์แทนลวดเชื่อม และฝังชิปไว้ในลามิเนต PCB ซึ่งสามารถลดปริมาตร ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และอำนวยความสะดวกในการรวมระบบ [30] ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดของโครงสร้างนี้คือคุณสมบัติทางเทอร์โมกลที่ไม่ดี ซึ่งถูกจำกัดโดยความเครียดทางเทอร์โมกลที่เกิดจากอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วต่ำและ CTE สูงของวัสดุ PCB แบบดั้งเดิม และอุณหภูมิการใช้งานต่ำ [18] นอกจากนี้ ความแข็งแรงลอกของลามิเนต FR4-PCB ต่ำ ประมาณ 0.9 ~ 1.25 N/mm เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรต DBC กำลังไฟพิกัดของโมดูลที่ฝังอยู่ใน PCB จะต่ำ [3]

นอกจากการเชื่อมแบบเชื่อมข้างต้นแล้ว ยังสามารถขึ้นรูปบรรจุภัณฑ์สามมิติได้โดยการจีบ ตัวอย่างทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 7 ซึ่งเป็นแผนภาพโครงสร้างภายในของโมดูลจีบ Westcode IGBT [32] ส่วนประกอบต่างๆ เชื่อมต่อทางกายภาพด้วยแรงกดทางกลภายนอกแทนการใช้สายนำสัญญาณ การบัดกรี หรือการเผาผนึก ด้วยโครงสร้างที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในระบบไฟฟ้าแรงสูงและกระแสไฟฟ้าแรงสูง อย่างไรก็ตาม ในโมดูลการย้ำ ขนาดภายในของโมดูล ความเรียบและคุณภาพพื้นผิวของส่วนประกอบแต่ละชิ้นจะต้องสูง และค่าการนำความร้อนและค่าการนำไฟฟ้าของข้อต่อได้รับผลกระทบอย่างมากจากความดันและความสม่ำเสมอ จำเป็นต้องเลือกแรงดันในการจับยึดที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าความต้านทานการสัมผัสและความต้านทานความร้อนน้อยลง แต่จะได้รับผลกระทบจากความขรุขระของพื้นผิวและการเสียรูปของโครงสร้างอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โครงสร้างบัฟเฟอร์แบบยืดหยุ่นและวัสดุที่มี CTE ขนาดเล็ก เช่น ปะเก็น Mo หรือ Be และแผ่นสปริง มักถูกนำมาใช้ในโครงสร้างการย้ำเพื่อปรับแรงดันให้เท่ากัน ลดความเครียดทางเทอร์โมกล และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

รูปที่ 7 โครงสร้างภายในของโมดูลการจีบ IGBT ใน Sima [6,32]

วัสดุหลัก เทคโนโลยีการเชื่อมต่อ และการออกแบบโครงสร้างของบรรจุภัณฑ์กำลังกำลังค่อยๆ พัฒนาไปในทิศทางของการถอดสายไฟ ปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อน เพิ่มความหนาแน่นในการรวม ฯลฯ เพื่อตอบสนองการใช้งานที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่สูง ด้วยความนิยมและการประยุกต์ใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม วัสดุเชื่อมต่อประสานเงินเผา ซิลิคอนผ่านเทคโนโลยี โครงสร้างบรรจุภัณฑ์สามมิติแบบบูรณาการ ฯลฯ ล้วนเป็นแนวโน้มหลักในอนาคต และฉันเชื่อว่าโอกาสในการนำไปใช้งานมีอย่างไม่มีที่สิ้นสุด

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้ทำซ้ำจาก "อิเล็กทรอนิกส์และบรรจุภัณฑ์" บทความนี้นำเสนอเฉพาะความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียน และไม่ได้นำเสนอมุมมองของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม มีไว้สำหรับการพิมพ์ซ้ำและแบ่งปันเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก