Güç elektroniği paketleme ana malzemeleri ve yapısal tasarımına ilişkin araştırma ilerlemesi

soyut:Geleneksel güç elektroniği paketlemesi, üçüncü nesil yarı iletken cihazların yüksek frekans, yüksek voltaj ve yüksek sıcaklıktaki güvenilir uygulamasını karşılayamayan, esas olarak lehim bağlantısı ve tel bağlama gibi iki boyutlu düzlemsel paketleme teknolojilerine dayanmaktadır. Bu sorunu çözmek için iki boyutlu düzlemsel ambalajlama, yavaş yavaş üç boyutlu entegre ambalajlamaya dönüştü. Güç elektroniği paketleme teknolojisindeki temel malzemelerin ve yapı tasarımının araştırma ilerlemesi özetlenmiş ve değerlendirilmiştir. Bağlantı malzemeleri yavaş yavaş kalay bazlı lehimden altın bazlı lehime, geçici sıvı fazlı bağlantı malzemelerine, sinterlenmiş gümüşe ve yüksek ısı iletkenliğine ve yüksek sıcaklık direncine sahip diğer malzemelere doğru gelişti ve bağlantı teknolojisi yavaş yavaş tel bağlamadan çift lehime doğru gelişti. taraflı soğutma, cihaz entegrasyonu ve dikey laminasyon ara bağlantısı. Anahtar performansı, kabloların çıkarılmasıyla iyileştirildi, çeşitli çiplerin ve cihazların entegre edilmesiyle güç yoğunluğu iyileştirildi ve çift taraflı soğutma ile ısı dağıtım verimliliği iyileştirildi. Üç boyutlu entegre ambalajlar büyük bir pazar potansiyeline sahiptir ve gelecekte ana gelişme trendlerinden biri haline gelecektir.

Anahtar kelime:Elektronik paketleme; Ambalaj malzemeleri; Ambalaj yapısı; Üç boyutlu ambalaj; Sinterlenmiş gümüş; Silikon delikten

Fon projesi:Shenzhen Bilim ve Teknoloji Komisyonu Projesi(JCYJ20180508161601937)

Güç elektroniği cihazları yüksek frekans, yüksek yoğunluk, yüksek güç ve yüksek sıcaklık uygulamalarına doğru gelişmektedir [1]. Şu anda silikon (Si) bazlı cihazlar hala hakimdir. Ancak malzemelerin özelliklerinden dolayı silikon bazlı cihazların anahtarlama frekansı, çalışma sıcaklığı ve güç yoğunluğu sınırlıdır. Geleneksel silikon bazlı cihazlarla karşılaştırıldığında, silikon karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) gibi üçüncü nesil yarı iletkenler, kablosuz iletişim, elektrik gibi yüksek voltaj, yüksek sıcaklık ve yüksek frekans uygulamalarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Daha yüksek arıza voltajı, daha geniş bant aralığı, daha yüksek ısı iletkenliği ve daha düşük güç kaybı nedeniyle araçlar ve havacılıkta kullanılır [2-3. Ancak aynı zamanda üçüncü nesil yarı iletken cihazların hızlı gelişimi, paketleme teknolojisine yönelik daha sıkı gereklilikleri ortaya çıkardı.

Paketleme teknolojisi, çipin taşıyıcı alt tabakaya bağlanması ve sabitlenmesi, pimlerin dışarı çıkarılması ve bunların esas olarak elektrik bağlantısı, yapısal destek ve koruma rolünü oynayan ve ısı dağılımı sağlayan bütün bir güç cihazı veya modülü halinde kalıplanması işlemidir. [4]. Modül entegrasyonunun özü olan ambalaj malzemeleri, süreçleri ve yapıları, güç modüllerinin termal, elektriksel ve elektromanyetik girişim özelliklerini doğrudan etkiler. Şu anda, olgun paketleme teknolojisi temel olarak gümüş tutkal veya kalay bazlı lehim gibi bağlantı malzemelerine ve zayıf yüksek sıcaklık ve yüksek basınç direncine sahip, belirgin elektromanyetik uyumluluk sorunlarına sahip olan ve kurşun bağlantısı gibi paketleme yapılarına dayanmaktadır. Verimli bir ısı dağılımı yolu sağlayın. Son zamanlarda, sinterlenmiş gümüş ara bağlantı malzemeleri, üç boyutlu entegre paket yapıları vb. mükemmel yüksek sıcaklık direncine ve yüksek termal iletkenliğe sahiptir, bu da çift taraflı ısı dağılımı sağlayabilir ve anahtarlama kayıplarını büyük ölçüde azaltabilir, böylece güç modüllerinin iyi termal ve elektriksel özelliklere sahip olmasını sağlar. Güvenilirlik ve giderek daha fazla araştırma ve ilgi kazandı. Üçüncü nesil yarı iletken cihazların yüksek sıcaklık, yüksek gerilim ve yüksek frekans alanlarında güvenilir uygulamasını karşılaması bekleniyor. Bu yazıda, güç elektroniği ambalaj malzemeleri ve yapı tasarımına ilişkin en son araştırma gelişmeleri özetlenmiş ve değerlendirilmiştir.

Tipik bir güç modülü paketi yapısı, bir güç çipi, bağlantı malzemeleri, bağlantı telleri, seramik alt tabaka, alt plaka, kaplama malzemeleri, kabuk ve güç terminallerinden oluşan Şekil 1'de gösterilmektedir [3,5]. Her ambalaj malzemesinin termal, elektriksel, mekanik ve kimyasal özellikleri farklıdır, dolayısıyla tüm güç modülünün en iyi performansını seçmek için her malzemenin özelliklerini kapsamlı bir şekilde dikkate almak gerekir.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

Çip bağlama, bağlantı ve alt tabaka gibi temel ambalaj malzemeleri ve teknolojilerindeki gelişim eğilimi Şekil 2'de gösterilmektedir. Bağlantı teknolojisi, bağlama tellerinden şeritlere, bakır sütunlara, kurşun çerçevelere ve açık deliklerin kaplanmasına vb. kadar gelişmektedir. Uçların çıkarılması ve bağlantı alanının arttırılmasıyla, termal ve elektrik iletkenliği iyileştirilmektedir. Çipler için bağlama malzemeleri, geleneksel lehimlemeden altın bazlı yüksek sıcaklıkta lehimlemeye, geçici sıvı fazlı bağlamaya, sinterlenmiş gümüş ve sinterlenmiş bakır vb.'ye kadar geliştirilmiştir; bu da termal ve elektriksel iletkenliği büyük ölçüde artırır ve yüksek sıcaklık ve güvenilirliği karşılar. uygulamalar. Substrat, seramik substratın metal iletken ve termal iletken katmanını kalınlaştırmaya yönelik olarak gelişir, böylece ısı dağıtım verimliliği artar [5].

Şekil 2 Bağlantı, alt tabaka ve talaş bağlama gibi ambalaj malzemeleri ve teknolojilerindeki gelişim eğilimleri [5]

2.1  Çip malzemesi

Yaygın olarak kullanılan yarı iletken malzemelerin performans parametreleri Tablo 1'de [6-7] gösterilmektedir. Olgun teknolojisi ve düşük maliyeti nedeniyle Si, çeşitli ayrık cihazlarda ve entegre devrelerde, elektronik bilgi ağı mühendisliğinde ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Si ile karşılaştırıldığında GaAs, RF boyutunu ve güç tüketimini önemli ölçüde azaltabilen geniş bant aralığı ve yüksek elektron hareketliliği özelliklerine sahiptir ve RF, kablosuz iletişim ve optoelektronik alanlarında düşük güçlü cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. SiC ve GaN daha geniş bant aralığına sahiptir, termal radyasyon enerjisini absorbe etmek kolay değildir ve yüksek sıcaklıkta çalışırken iletim bandına atlamak kolay değildir ve daha yüksek kırılma alanı kuvvetine sahiptir, bu nedenle geniş bant aralıklı yarı iletkenler SiC ve GaN, yüksek sıcaklık ve yüksek sıcaklıklar için daha uygundur. Si'den daha fazla voltaj durumu. SiC daha yüksek termal iletkenliğe, daha iyi ısı dağıtma kapasitesine, daha yüksek taşıyıcı hareketliliğine, daha yüksek akım yoğunluğuna ve yüksek sıcaklık ve yüksek voltaj direncine sahiptir, bu nedenle genellikle 600 voltajlı yüksek güç alanında belirgin avantajlara sahip bir güç cihazı olarak kullanılır. V ve üzeri olup, yeni enerji araçları ve güç ekipmanları alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. GaN daha hızlı elektron hareketliliğine ve taşıyıcı hızına sahiptir, yüksek voltajda daha küçük direnç ve parazitik parametrelere sahiptir ve yüksek güçlü radyo frekansı yönünde belirgin avantajlara sahiptir. GaN, yüksek güç yoğunluğu, düşük enerji tüketimi, yüksek frekansı ve daha geniş olması nedeniyle ağırlıklı olarak 5G iletişimi ve uydu iletişimi gibi mikrodalga RF alanlarında, tüketici elektroniği ve yeni enerji araçlarının hızlı şarjı gibi güç elektroniği alanlarında ve LED optoelektronik alanlarında kullanılmaktadır. Bant genişliği. SiC'ye benzer şekilde GaN teknolojisi şu anda hala hızlı bir gelişim aşamasındadır ve maliyeti nispeten yüksektir.

Tablo 1 Yarı İletken Çip Malzemelerinin Özellikleri [6]

2.2  Talaş bağlama malzemesi

Sn63Pb37 gibi SnPb alaşımlı lehim, düşük kesme modülü, yüksek ıslanabilirlik, süneklik, termo-mekanik özellikler ve güvenilirlik gibi mükemmel özelliklerinden dolayı talaş bağlama malzemelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak SnPb, AB RoHS kurşunsuz standardını karşılamamaktadır ve erime noktası düşüktür (yaklaşık 180°C). Bu nedenle, ambalaj yapılarının ve malzemelerinin termal genleşme katsayısı (CTE) uyumu ve yüksek sıcaklık direnci gereksinimlerini karşılamak için yeni talaş bağlama malzemelerine ihtiyaç vardır.Şu anda en yaygın olarak kullanılan talaş bağlama malzemeleri Tablo 2'de gösterilmektedir [8]. İletken gümüş macunu esas olarak reçine matrisi, iletken parçacıklar (çoğunlukla gümüş tozu), dağıtıcı katkı maddeleri ve katkı maddeleri vb.'den oluşur. Elektrik iletkenliği ve termal iletkenliği nispeten düşüktür ve cam geçiş sıcaklığı yaklaşık 100 ~ 150 ° C'dir, bu da sınırlıdır. yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı talaş paketleme alanında. SnPb lehimlerle karşılaştırıldığında, SnAg veya SnAgCu gibi kurşunsuz lehimler genellikle %90'dan daha yüksek bir Sn içeriğine ve daha yüksek bir erime noktasına (yaklaşık 220°C) sahiptir. Katılaşma sürecinde aşırı soğuma derecesi daha yüksektir ve düzensiz dağılmış kaba dendritik yapılar ve metaller arası bileşikler oluşturmak kolaydır, böylece sürünme direncini zayıflatır. Ek olarak, SnAgCu alaşımı yüksek bir elastik modüle sahiptir ve CTE'si talaş ve alt tabakanınkinden oldukça farklıdır. Termal döngü yükünün etkisi altında, yorulma hasarına neden olmak kolaydır ve lehim bağlantısının güvenilirliğini azaltan lehim bağlantısının soyulmasına yol açar [9].

Tablo 2 Kalıp bağlama malzemelerinin özellikleri [8]

AuSn veya AuGe gibi altın bazlı ötektik alaşım lehimleri gibi talaşlar için yüksek sıcaklıkta bağlama malzemeleri, yüksek erime noktasına (280°C'den yüksek), termal iletkenliğe ve elektrik iletkenliğine sahiptir ve lehimsiz lehimlemenin gerçekleştirilmesi kolaydır. Ancak altın bazlı lehimlerde altın içeriği genel olarak yüksek ve maliyeti yüksek olup, bileşen fazının yüksek kırılganlığı nedeniyle işlenmesi zor, düşük verim ve zayıf ürün performansı dezavantajlarına yol açmakta ve bu durum lehimleme işlemini ciddi şekilde etkilemektedir. güç elektroniği paketleme alanında geniş uygulama alanı [10].

Geçici sıvı faz bağlama (TLPB), daha yüksek erime noktalarına sahip birleştirilmiş baz malzemelere (Cu, Au, Ag ve Ni gibi) daha düşük erime noktalarına sahip ara katmanların (In ve Sn gibi) eklendiği ve ara katmanlar ve bazı temel malzemeler ısıtılarak eritilir ve yeniden katılaştırılır, böylece katı ve sıvı bir bağlantı oluşturacak şekilde birbirini dağıtır. Uygun malzeme ve proseslerin seçilmesiyle, geçici sıvı fazlı birleştirme, 60 MPa'dan daha büyük birleştirme mukavemeti gibi mükemmel performansa sahip bağlantılar oluşturabilir[11]. Bununla birlikte, yüksek sıcaklık çip ara bağlantısında geçici sıvı faz bağlantısının uygulanması, ara katman seçiminin düşük olması, yüksek maliyet ve Au-In ile diğer malzemelerin oksidasyonu nedeniyle büyük ölçüde sınırlıdır.

Düşük sıcaklık bağlantı teknolojisi olarak da bilinen sinterlenmiş gümüş ara bağlantısı, sinterlenmiş bağlantı oluşturmak için nano-gümüş veya mikro-gümüş parçacıklarının katı fazlı atom difüzyonuna dayanır. Düşük sinterleme sıcaklığı (200~300°C) ve yüksek erime noktası (961°C) nedeniyle gümüş, yüksek termal iletkenlik, sıcaklık döngüsüne karşı direnç ve güç döngüsünün yüksek güvenilirliği gibi birçok avantaja sahiptir. Yüksek sıcaklıkta çip ara bağlantısı için tercih edilen seçenek haline geldi ve geniş çapta araştırıldı ve uygulandı [12]. Bununla birlikte, gümüşün sinterlenmesinin yüksek maliyet, nano-gümüş parçacıklarının düşük sıcaklıkta topaklaşması, mikron gümüş lehim pastasının basınçla sinterlenmesi, karmaşık süreç, çip ve altlık yüzeyinde Ni/Au veya Ni/Ag kaplama gibi bazı dezavantajları da vardır. ve gümüşün elektrokimyasal göçü. Nano-gümüş lehim pastası ile karşılaştırıldığında nano-bakır lehim pastası, daha düşük maliyeti ve elektrokimyasal migrasyon açısından güvenilirlik riskinin olmaması nedeniyle son zamanlarda dikkat çekmektedir [13]. Bununla birlikte, nano-bakır parçacıkları kolayca oksitlenir ve inert atmosferde sinterlenmesi gerekir; bu da proses karmaşıklığını ve ekipman maliyetini arttırır ve belirli uygulama sınırlamalarına sahiptir.

2.3  Plastik ambalaj malzemesi

Plastik ambalaj malzemesinin ana işlevi, çevresel korozyon ve hasarı önleyen, neme dayanıklı, tuz spreyine dayanıklı, küflenmeye dayanıklı, toz geçirmez, çarpışmaya dayanıklı ve titreşime dayanıklı koruyucu rol oynayan elektrik yalıtımı ve çevre izolasyonudur. Böylece elektronik bileşenlerin elektriksel performansı sağlanır, hatta yüksek voltajlı güç modüllerinin voltaj seviyesi iyileştirilir, elektrot deşarjı önlenir ve son olarak elektronik ürünlerin güvenilirliği artar [14]. Plastik ambalaj malzemelerinin türleri ve özellikleri Tablo 3'te gösterilmektedir. Plastik ambalaj malzemeleri, Konformal Kaplamalar, Alt Dolgular, Kalıplama Bileşikleri, Saksılama Bileşikleri ve küresel toplara ayrılabilir [14].      

Tablo 3 Plastik ambalaj malzemelerinin türleri ve özellikleri [14]

Konformal kaplama, alt tabaka ve bileşenlerle iyi bağlantı performansı gerektiren, baskılı devrenin yüzey koruması için yaygın olarak kullanılan bir tür organik kaplamadır. Genel olarak, düşük su emme, yüksek dielektrik mukavemeti, uyumlu CTE ve düşük elastik modüle sahip malzemeler seçilir; örneğin 120 ° C'den düşük düşük sıcaklıkta kullanılabilen akrilik asit, 165 ° C'den düşük düşük sıcaklıkta kullanılabilen poliüretan, 200°C'nin altındaki orta sıcaklıkta kullanılabilen epoksi reçine ve 250°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıkta kullanılabilen silikon reçine, parilen, benzosiklobüten ve poliimid.

Şekil 3'te gösterildiği gibi, eksik dolgu ve kalıplama bileşiği yalnızca çevreden izole etmekle ve elektrik alan stresini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda CTE uyumsuzluğunun neden olduğu termo-mekanik stresi azaltarak veya yeniden dağıtarak paketlenmiş ürünlerin güvenilirliğini de artırır [14]. Bu nedenle ambalaj yapısındaki her bir bileşenin CTE'sine uygun malzemeler mümkün olduğunca seçilmelidir, örneğin CTE'si (20~30)×10-6/K olan ve 20×10-6/K'den az olan sert malzemeler gibi. Lehim toplarından ve lehim topları dahil tüm paket yapısından kaynaklanan termal gerilimi azaltmak için sırasıyla dolgu ve kalıplama bileşiği. Şu anda en yaygın kullanılan dolgu ve kalıplama bileşiği silika ile doldurulmuş epoksi reçinedir.

Saklama tutkalı ve üst kapsülleme tutkalı, yalnızca elektrik alanının bozulmasına karşı voltaj seviyesini iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda çevredeki ortamın korozyonunu ve hasarını da önler, aynı zamanda ambalaj yapısının mekanik desteğinde de belirli bir rol oynar. Şu anda en yaygın kullanılan saksı tutkalı ve üst sızdırmazlık tutkalı malzemeleri, 165°C'den daha düşük bir sıcaklıkta uygulanabilen poliüretan, 200°C'den daha düşük bir orta sıcaklıkta uygulanabilen epoksi reçine ve silikon kauçuk veya 300 ° C'den daha düşük bir yüksek sıcaklıkta uygulanabilen jel. Bunlar arasında, silikon kauçuk veya jel gibi yumuşak malzemeler, düşük sertlikleri ve modülleri, yüksek plastisiteleri ve elastiklikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır; bunlar, talaşlar ve bağlama telleri gibi ambalaj bileşenlerinin gerilimi üzerinde çok az etkiye sahiptir. Ancak silikon kauçuk ve jel gibi yumuşak malzemeler zayıf mekanik destek ve koruma performansına sahiptir. Dış darbelere karşı dayanıklı olması için reçine gibi sert malzemeler seçilebilir. Bununla birlikte, reçine genellikle yüksek bir modüle sahiptir, bu nedenle tüm paket yapısı üzerinde aşırı termo-mekanik stresi önlemek için uygun CTE'ye sahip malzemelerin seçilmesi gerekir.

(b)模塑料示意图

Şekil 3 Güç elektroniği paketleme yapısındaki eksik doldurma ve kalıplama bileşiğinin şematik diyagramı [14]

2.4  Substrat ve alt plaka malzemesi

Genel olarak konuşursak, substrat "metal iletken katman-yalıtım katmanı-metal iletken katman"dan oluşan bir sandviç yapıdır ve üst ve alt metal iletken katmanlar sırasıyla çip ve arka panelin ara bağlantısı için kullanılır. Üretim prosesine göre, alt tabakalar Doğrudan Bağlanmış Bakır alt tabaka (DBC), Doğrudan Baskılı Bakır alt tabaka (DPC), Doğrudan Bağlanmış Alüminyum alt tabaka (DBA), Aktif Metal Lehimleme alt tabakası, AMB), Yalıtımlı Metal Yüzey (IMS) ve Kalın Film Baskılı Bakır (TPC), vb.

DBC substratı, mükemmel performansa ve nispeten düşük maliyete sahip olan ve güç elektroniği ambalajında yaygın olarak kullanılan, bakır film üzerinde seramik ve ince bakır oksit arasındaki ötektik bir bağlantıdır. Bununla birlikte, seramik arayüzdeki bakır oksit filminin katmanlara ayrılması kolaydır, bu da DBC substratının sıcaklık döngüsüne karşı güvenilirliğinin düşük olmasına neden olur. AMB alt katmanı, metal ve seramiği aktif metal sert lehimleme yoluyla birbirine bağlar; bu, oksit katmanını ortadan kaldırabilir ve güvenilirliği artırabilir. DBA, alüminyum levha ve seramikleri bağlamak için AlSi lehimlemeyi kullanıyor. DBC'nin bakır katmanıyla karşılaştırıldığında alüminyum katman daha düşük sertliğe sahiptir, daha yüksek termal-mekanik gerilime dayanabilir ve güvenilirliği artırır [15]. Bununla birlikte, alüminyumun ısıl iletkenliği bakırınkinden daha düşüktür ve DBA substratının ısı dağıtma performansı DBC substratı kadar iyi değildir. IMS substratı, yüksek termal iletkenliğe sahip bir yalıtım reçinesi tabakası, bir bakır alt plaka ve kalın bir bakır film içerir. DBC ile karşılaştırıldığında IMB, basit üretim süreci, düşük ısıl işlem sıcaklığı, düşük maliyet ve yüksek güvenilirlik avantajlarına sahiptir. TPC, metal film ve seramik arasında yüksek mukavemetli bir bağlantı oluşturmak için 850 ~ 950 ° C'de sinterlenen, serigrafi ile seramik üzerine basılan bir bakır macunu tabakasıdır. Sıcaklık döngüsünün güvenilirliği yüksektir ve hibrit bir modül oluşturmak için entegre devre çipleri ve pasif cihazlarla yüksek oranda entegre edilebilir. Son zamanlarda, çok katmanlı alt tabakanın yapısını basitleştiren ve ısı dağıtım verimliliğini artıran, kalın kurşun çerçeve ve ince yalıtım katmanına dayalı alt tabaka da ortaya çıktı [5].

Isı iletkenliği ve CTE göz önüne alındığında, Al2O3, Si3N4, AlN ve BeO altlık olarak en yaygın kullanılan seramik malzemelerdir. Performans karşılaştırmaları için Tablo 4'e[8,16] bakınız. BeO en yüksek termal iletkenliğe sahiptir, ancak hazırlama sürecindeki toz insan vücuduna zararlıdır ve bu da kullanımını sınırlamaktadır. Al2O3 en ekonomik seçimdir ancak mekanik dayanımı orta düzeyde, ısıl iletkenliği ise nispeten zayıftır. AlN'nin termal iletkenliği Al2O3'ünkinden daha yüksektir ve CTE çiple daha iyi eşleşir. Si3N4 daha yüksek sıcaklık döngüsü güvenilirliğine sahiptir ancak maliyeti nispeten yüksektir [17]. Nispeten konuşursak, Al-AlN ve Cu-Si3N4'ün kombinasyon güvenilirliği daha yüksektir, çünkü eski alüminyum malzeme yumuşaktır, elastik modülü düşüktür ve deforme edilmesi kolaydır, bu da termal stresin seramiğe verdiği hasarı yavaşlatabilir. . İkinci Si3N4, daha yüksek bükülme mukavemetine ve kırılma dayanıklılığına sahiptir ve bakırın neden olduğu termal gerilime dayanabilir.

Tablo 4 Yüzeylerdeki Seramik Malzemelerin Özellikleri [8]

En yaygın kullanılan taban plakası malzemesi Cu'dur. CTE'yi azaltmak ve yüksek ısı iletkenliğini sağlamak amacıyla AlSiC, W-Cu, Mo-Cu ve Cu-Mo-Cu gibi metal kompozit malzemeler de yaygın olarak kullanılmaktadır. Performans parametreleri için Tablo 5[8]'e bakınız. Genel olarak taban plakası, bakır atomlarının yüksek sıcaklıkta göçünü ve oksidasyonunu önleyebilen ve bakır taban plakasının mukavemetini ve deformasyon direncini artırabilen nikel ile kaplanacaktır.

Tablo 5 Alt Plakanın Malzeme Özellikleri [8]

Farklı çip montaj yöntemlerine ve ara bağlantı işlemlerine göre, güç elektroniği paketleme yapıları iki türe ayrılabilir: lehimleme paketleme ve kıvırma paketleme. Paketin gelişme eğilimi, lehimli paketin tel bağlama, flip chip (BGA ara bağlantısı), metal sütun ara bağlantısı, girintili dizi ara bağlantısı, biriktirilmiş metal film ara bağlantısı ve diğer yapıları benimseyebildiği Şekil 4'te gösterilmektedir. Basmalı ambalaj, harici mekanik basınçla oluşturulan bir ara bağlantı yapısıdır. Karşılaştırmalı analizin kolaylığı açısından yukarıdaki paketleme yöntemlerinin avantajları ve dezavantajları Tablo 6'da listelenmiştir[18]. Tel bağlama, olgun teknoloji, düşük maliyet ve esnek kablolama avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, tel bağlı modüller, ısıyı yalnızca arka panelin bir tarafından dağıtabilen yüksek parazitik endüktansa sahiptir [18]. Ayrıca, bağlama teli ile çip arasındaki CTE uyumsuzluğu nedeniyle, büyük termo-mekanik stres üretilir, bu da lehim bağlantılarını yorulma arızasına yatkın hale getirir ve güç döngüsü sürecinde modülün ana arıza şekli haline gelir.

Şekil 4 Paket yapısının gelişme eğilimi [5]

Tablo 6 Paket yapılarının karşılaştırılması [18]

Şu anda, güç elektroniği paketleme yapısı, geleneksel tel bağlama standart paketleme yapısından Overmold, Çift Taraflı Bağlama, Bileşen Entegrasyonu ve 3D Güç Entegrasyonu'na kadar kademeli olarak gelişmiştir. Kabloların çıkarılmasıyla elektromanyetik girişim azaltılabilir, ısı dağıtım verimliliği artırılabilir ve entegrasyon artırılabilir. Bunlar arasında, enjeksiyonlu kalıplama yapısı toplu modül üretimi için kolay olan kompakt düzlemsel bir pakettir; Çift taraflı bağlantı yapısı, çift taraflı ısı dağılımını gerçekleştirebilir ve ısı dağılımı verimliliğini artırabilir; Cihazın entegre yapısı, çeşitli fonksiyonları modüle entegre edebilir ve anahtarlama hızını artırabilir; Üç boyutlu güç entegrasyon yapısı, parazitik endüktansı büyük ölçüde azaltabilen ve anahtarlama performansını artırabilen çipleri dikey yönde istiflemektedir [5]. İki boyutlu paketlemeyle karşılaştırıldığında, üç boyutlu paketlemenin dikey yönde döngü mesafesini büyük ölçüde kısaltmak, parazitik endüktansı ve elektromanyetik girişimi azaltmak, iletim hızını artırmak, anahtarlama performansını artırmak ve güç kaybını azaltmak gibi belirgin avantajları vardır; Güç entegrasyon yoğunluğunu daha da artırmak ve paket hacmini azaltmak için kapı tahrik devreleri, dekuplaj kapasitörleri, ısı emiciler vb. gibi çeşitli çipleri ve cihazları entegre edebilir. Bununla birlikte, günümüzde 3D paketleme aynı zamanda termal yönetim, üretim teknolojisi ve çip yığını ara bağlantısının neden olduğu verim gibi bazı zorluklarla da karşı karşıyadır ve üretim sürecinin daha da iyileştirilmesi gerekmektedir [6,19].

3.1  İkincil enjeksiyon kalıplama paketi

Geleneksel tel bağlamalı paketleme yapısının temelinde, iki atışlı paketleme yapısı, çipin doğrudan kurşun çerçeveye bağlandığı, bağlama tellerinin çıkarıldığı ve enjeksiyon paketleme için epoksi reçinenin kullanıldığı bir yapıdır. Tel bağlamanın paket yapısıyla karşılaştırıldığında, enjeksiyon kalıplama paketindeki çipin üst kısmındaki bağlantı alanı artar, bu da ısı dağıtım verimliliğini artırır. Parazit endüktansın azaltılması, güç kaybını azaltır; bu, modüler seri üretim için çok faydalıdır ve elektrikli araçların redresörlerinde yaygın olarak kullanılır.

3.2  Çift taraflı bağlantı paketi

Çift taraflı bağlantı yapısı, çipi, Ximenkang Şirketi tarafından önerilen SKiN güç modülü [20] ve Fuji Electric tarafından önerilen SiC güç modülü [21] gibi sırasıyla üst ve alt alt katmanlara bağlar; bağlama telleri. Çift taraflı bağlantı paketi yapısının iki ana avantajı vardır: (1) emitör yüzeyindeki kablo bağlanmasını ortadan kaldırır, parazitik endüktansı, voltaj aşımını ve güç kaybını etkili bir şekilde azaltır ve anahtarlama performansını artırır; (2) Çipin ısı dağılımını üst ve alt yönlerde gerçekleştirin, ısı dağılımı verimliliğini artırın ve çipin bağlantı sıcaklığını etkili bir şekilde azaltın, böylece arızayı yavaşlatın. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, çift taraflı DBC alt tabaka paketine sahip bir Si IGBT veya SiC MOSFET güç modülü önerdi. Geleneksel tel bağlama modülüyle karşılaştırıldığında, endüktansı %62, anahtarlama kaybı %50-%90 oranında azaldı ve ısı dağıtma verimliliği %40-%50 oranında arttı[22].

Ancak çift taraflı bağlantı yapısının bazı dezavantajları da bulunmaktadır. İlk olarak, tel bağlama modülüyle karşılaştırıldığında, çift taraflı bağlantı yapısı daha fazla malzeme katmanına sahiptir ve bu da paketleme işleminin karmaşıklığını artırır. İkinci olarak, her malzeme katmanının CTE'si farklı olduğundan, termal uyumsuzluk daha büyük termal-mekanik gerilim üretecek ve bu da bağlantı katmanının güvenilirliğini azaltacaktır. Termo-mekanik gerilimi azaltmak için ara katman malzemesi olarak Mo veya Cu/Mo/Cu[23] gibi çipin CTE'sine uygun bazı metaller kullanılır. Üçüncüsü, Şekil 5'te gösterildiği gibi, farklı kalınlıklarda çok çipli çift taraflı bağlantıya sahip bir güç modülünü gerçekleştirirken, çip ile DBC substratı arasında farklı yüksekliklere sahip Mikro-Metal Post veya bakır pinleri elektrolizle kaplamak veya bağlamak gerekir; böylece Çoklu çiplerin farklı kalınlıklarından kaynaklanan yükseklik farkı sorununu çözmek için [6]. Dördüncüsü, kalay bazlı lehim, modül ambalajında en yaygın kullanılan ara bağlantı malzemesidir. Çift taraflı bağlantı modülü paketleme sürecinde, genellikle birden fazla bağlantı adımına ihtiyaç duyulur; bu, farklı erime noktalarına sahip bir grup lehim gerektirir ve bu da modülün servis sıcaklığını sınırlar. Bu nedenle çift taraflı bağlantı paketi yapısında yüksek ısı iletkenliği, yüksek elektrik iletkenliği ve yüksek erime noktasına sahip sinterlenmiş gümüş lehim pastası ara bağlantı malzemeleri için tercih edilen seçenek haline gelmiştir.

Şekil 5 Çift taraflı bağlantı paketi yapısı [6]

3.3  Entegre cihaz paketleme

Entegre paket, entegre kapı sürücü devresi, dekuplaj kondansatörü, sıcaklık sensörü, akım sensörü ve koruma devresi gibi birden fazla fonksiyonu bir modülde birleştiren bir cihazdır [18]. Entegre cihaz ambalajının birçok avantajı vardır; örneğin, kapı tahrik devresini ve dekuplaj kapasitörünü entegre ederek, bara veya modülün harici konnektörünün parazitik endüktansı azaltılabilir, güç cihazı ile kapı sürücüsü arasındaki bağlantı kısaltılabilir, kapı döngü endüktansı azaltılabilir. , elektromanyetik girişim bastırılabilir, akım paylaşım performansı ve anahtarlama hızı geliştirilebilir. Ancak bu paket yapısının da bazı sınırlamaları vardır. Örneğin, entegre geçit sürücü devresi genellikle basittir ve modülün toplam boyutu, akım taşıma kapasitesi ve anahtarlama frekansı, her bir entegre cihaz tarafından sınırlıdır. Ayrıca cihazlar entegre edilip paketlenmeden önce, cihaz entegrasyon mesafesinin çok yakın olmasından dolayı sıcaklığa duyarlı cihazların normal çalışmasının etkilenmemesi için her cihazın sıcaklık direncinin kontrol edilmesi gerekmektedir [5] .

3.4   Üç boyutlu güç entegre paketi

Entegre paket yapısı Şekil 6'da gösterilmektedir. Üç boyutlu paket yapısı temel olarak istiflenmiş üç boyutlu pakete ve gömülü üç boyutlu pakete bölünmüştür [24]. İki boyutlu paket temelinde, dikeyde çok çipli istiflenmiş ara bağlantıyı gerçekleştirmek için tel bağlama, flip chip, mikro çarpma, Bilyalı Izgara Dizisi (BGA), Through Silicon Via (TSV), PCB yerleştirme ve diğer proses teknolojilerini benimser. yön [25

Şekil 6 Üç boyutlu entegre paket yapısının şematik diyagramı [6,29-31]

İstiflenmiş 3D paketlemede, farklı çipler arasındaki elektriksel bağlantıyı gerçekleştirmek için alt tabaka boyunca silikon geçişli yolların dikey ara bağlantısını kullanan, geçişli silikon geçişler en çok endişe duyulan teknolojilerden biridir [28]. İçten silikonlu ambalajlamanın temel teknolojileri arasında içten silikonlu delik oluşturma, doldurma, talaş inceltme ve ara bağlantı yer alır. Somut adımlar şu şekildedir: ilk önce lazerle delme, kuru dağlama veya ıslak dağlama ile açık delikler oluşturulur, daha sonra SiO2 yalıtım katmanı ve bakır iletken katman kimyasal buhar biriktirme ile doldurulur, ardından talaşlar taşlama yoluyla inceltilir ve son olarak talaşlar birbirine bağlanır. metaller arasında bağ veya bağ oluşturarak [29]. Geleneksel düzlemsel iki boyutlu kurşun ara bağlantı yapısıyla karşılaştırıldığında, silikon delikli üç boyutlu yapı, küçük boyut, hafiflik, silikon levha kullanımının yüksek verimliliği, kısaltılmış sinyal gecikmesi ve azaltılmış güç tüketimi vb. avantajlara sahiptir. üç boyutlu levha seviyesi, sistem seviyesi ve entegre devre paketlemede yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bunun da bazı sınırlamaları vardır. Birincisi, silikon paket yapısının güvenilirliği, yüksek güç yoğunluğu ve lamine çipin büyük termal yönetim sorunu; İkincisi, maliyet yüksektir ve paketleme yapısı, süreci ve testi karmaşıktır.

Gömülü 3D paket, bağlama teli yerine bakır tel ve mikro gözenek kullanır ve çipi PCB laminatına gömer; bu da hacmi azaltabilir, güvenilirliği artırabilir ve sistem entegrasyonunu kolaylaştırabilir [30]. Bu yapının en büyük zorluğu, geleneksel PCB malzemelerinin düşük cam geçiş sıcaklığı ve yüksek CTE'sinin neden olduğu termo-mekanik stresle sınırlı olan zayıf termo-mekanik özellikleri ve servis sıcaklığının düşük olmasıdır [18]. Ek olarak, FR4-PCB laminatın soyulma mukavemeti düşüktür, yaklaşık 0.9 ~ 1.25 N/mm. DBC alt katmanıyla karşılaştırıldığında PCB'ye gömülü modülün nominal gücü düşüktür [3].

Yukarıdaki kaynak bağlantısına ek olarak, üç boyutlu paketler kıvırma yoluyla da oluşturulabilir. Tipik bir örnek, Westcode IGBT kıvırma modülünün [7] iç yapı şeması olan Şekil 32'de gösterilmiştir. Bileşenler, kablolama, lehimleme veya sinterleme yerine harici mekanik basınçla fiziksel olarak bağlanır. Basit yapısı, düşük maliyeti ve yüksek güvenilirliği sayesinde, yüksek gerilim ve yüksek akım şebekelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, sıkma modülünde modülün iç boyutları, her bir bileşenin düzlüğü ve yüzey kalitesinin yüksek olması gerekir ve bağlantının ısıl iletkenliği ve elektrik iletkenliği, basınç ve homojenlikten büyük ölçüde etkilenir. Daha küçük temas direnci ve termal direnç sağlamak için uygun sıkıştırma basıncının seçilmesi gerekir, ancak kaçınılmaz olarak yüzey pürüzlülüğünden ve yapısal deformasyondan etkilenecektir. Mo veya Be contalar ve yay plakaları gibi elastik tampon yapıları ve küçük CTE'ye sahip malzemeler, basıncı dengelemek, termo-mekanik gerilimi azaltmak ve güvenilirliği artırmak için sıklıkla kıvırma yapısına eklenir.

Şekil 7 Sima'daki IGBT sıkma modülünün iç yapısı [6,32]

Güç paketlemenin temel malzemeleri, bağlantı teknolojisi ve yapı tasarımı, yüksek sıcaklık, yüksek voltaj ve yüksek frekanslı ortamlarda güvenilir uygulamayı karşılamak için kurşunların giderilmesi, ısı dağıtım performansının iyileştirilmesi, entegrasyon yoğunluğunun arttırılması vb. yönünde giderek gelişmektedir. Üçüncü nesil yarı iletken cihazların yaygınlaşması ve uygulanmasıyla birlikte, sinterlenmiş gümüş lehim pastası bağlantı malzemeleri, teknoloji yoluyla silikon, üç boyutlu entegre ambalaj yapısı vb. geleceğin ana eğilimleridir ve bunların uygulama umutlarının sonsuz olduğuna inanıyorum.

Yasal Uyarı: Bu makale "Elektronik ve Paketleme" bölümünden kopyalanmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil etmekte olup Sacco Micro ve sektörün görüşlerini temsil etmemektedir. Fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yalnızca yeniden basılması ve paylaşılması içindir. Lütfen yeniden basarken orijinal kaynağı ve yazarını belirtin. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.