Tiến độ nghiên cứu vật liệu chính và thiết kế kết cấu của bao bì điện tử điện

trừu tượng:Bao bì điện tử công suất truyền thống chủ yếu dựa trên các công nghệ đóng gói phẳng hai chiều như kết nối hàn và liên kết dây, không thể đáp ứng ứng dụng đáng tin cậy của các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba ở tần số cao, điện áp cao và nhiệt độ cao. Để giải quyết vấn đề này, bao bì phẳng hai chiều đã dần phát triển thành bao bì tích hợp ba chiều. Tiến trình nghiên cứu các vật liệu chính và thiết kế cấu trúc trong công nghệ đóng gói điện tử công suất được tóm tắt và thăm dò. Các vật liệu kết nối đã dần phát triển từ vật liệu hàn thiếc sang vật liệu hàn vàng, vật liệu kết nối pha lỏng tạm thời, bạc thiêu kết và các vật liệu khác có độ dẫn nhiệt cao và chịu nhiệt độ cao, và công nghệ kết nối đã dần phát triển từ liên kết dây đến liên kết đôi. làm mát hai bên, tích hợp thiết bị và kết nối cán dọc. Hiệu suất của công tắc được cải thiện bằng cách loại bỏ dây dẫn, mật độ năng lượng được cải thiện bằng cách tích hợp nhiều chip và thiết bị khác nhau, đồng thời cải thiện hiệu suất tản nhiệt bằng cách làm mát hai mặt. Bao bì tích hợp ba chiều có tiềm năng thị trường lớn và sẽ trở thành một trong những xu hướng phát triển chính trong tương lai.

từ khóa:Bao bì điện tử; Vật liệu đóng gói; Cấu trúc bao bì; Bao bì ba chiều; Bạc thiêu kết; Silicon xuyên qua lỗ

Dự án quỹ:Dự án Ủy ban Khoa học và Công nghệ Thâm Quyến(JCYJ20180508161601937)

Các thiết bị điện tử công suất đang phát triển theo hướng ứng dụng tần số cao, mật độ cao, công suất cao và nhiệt độ cao [1]. Hiện nay, các thiết bị dựa trên silicon (Si) vẫn chiếm ưu thế. Tuy nhiên, do đặc tính của vật liệu nên tần số chuyển mạch, nhiệt độ hoạt động và mật độ năng lượng của các thiết bị sử dụng silicon bị hạn chế. So với các thiết bị dựa trên silicon truyền thống, các chất bán dẫn thế hệ thứ ba như cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN) ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng điện áp cao, nhiệt độ cao và tần số cao như truyền thông không dây, điện phương tiện giao thông và hàng không vũ trụ vì điện áp đánh thủng cao hơn, khoảng cách dải rộng hơn, độ dẫn nhiệt cao hơn và tổn thất điện năng thấp hơn [2-3]. Tuy nhiên, đồng thời, sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba đã đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn đối với công nghệ đóng gói.

Công nghệ đóng gói là một quá trình kết nối và cố định chip với đế mang, dẫn các chân ra và đúc chúng thành toàn bộ thiết bị hoặc mô-đun nguồn, chủ yếu đóng vai trò kết nối điện, hỗ trợ và bảo vệ cấu trúc cũng như cung cấp khả năng tản nhiệt [4]. Là cốt lõi của việc tích hợp mô-đun, vật liệu đóng gói, quy trình và cấu trúc ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính nhiễu nhiệt, điện và điện từ của mô-đun điện. Hiện nay, công nghệ đóng gói trưởng thành chủ yếu dựa trên các vật liệu kết nối như keo bạc hoặc chất hàn gốc thiếc và các cấu trúc đóng gói như kết nối chì, có khả năng chịu nhiệt độ cao và áp suất cao kém, các vấn đề tương thích điện từ nổi bật và không thể Cung cấp một cách tản nhiệt hiệu quả. Gần đây, vật liệu kết nối bạc thiêu kết, cấu trúc gói tích hợp ba chiều, v.v. có khả năng chịu nhiệt độ cao và độ dẫn nhiệt cao, có thể đạt được khả năng tản nhiệt hai mặt và giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch, làm cho mô-đun nguồn có đặc tính nhiệt và điện tốt và tin cậy và ngày càng được nhiều nghiên cứu và chú ý. Nó được kỳ vọng sẽ đáp ứng ứng dụng đáng tin cậy của các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba trong các lĩnh vực nhiệt độ cao, điện áp cao và tần số cao. Trong bài báo này, tiến trình nghiên cứu mới nhất về vật liệu đóng gói điện tử công suất và thiết kế cấu trúc được tóm tắt và triển vọng.

Cấu trúc gói mô-đun nguồn điển hình được hiển thị trong Hình 1, bao gồm chip nguồn, vật liệu kết nối, dây liên kết, đế gốm, tấm đáy, vật liệu bầu, vỏ và đầu nối nguồn [3,5]. Các đặc tính nhiệt, điện, cơ và hóa học của từng vật liệu đóng gói là khác nhau, do đó cần xem xét toàn diện các đặc tính của từng vật liệu để chọn ra hiệu suất tốt nhất cho toàn bộ mô-đun điện.

图1  典型的功率模块封装结构[5]

Xu hướng phát triển của các vật liệu và công nghệ đóng gói chính như liên kết chip, kết nối và chất nền được thể hiện trong Hình 2. Công nghệ kết nối ngày càng phát triển từ việc liên kết dây dẫn đến ruy băng, cột đồng, khung chì và mạ xuyên lỗ… Bằng cách loại bỏ dây dẫn và tăng diện tích kết nối, độ dẫn nhiệt và điện được cải thiện. Các vật liệu liên kết cho chip đã phát triển từ hàn truyền thống đến hàn nhiệt độ cao dựa trên vàng, liên kết pha lỏng tạm thời, bạc thiêu kết và đồng thiêu kết, v.v., giúp cải thiện đáng kể độ dẫn nhiệt và điện và đáp ứng nhiệt độ cao và đáng tin cậy các ứng dụng. Chất nền phát triển theo hướng làm dày lớp dẫn nhiệt và dẫn nhiệt kim loại của chất nền gốm, do đó cải thiện hiệu suất tản nhiệt [5].

Hình 2 Xu hướng phát triển của vật liệu và công nghệ đóng gói như kết nối, chất nền và liên kết chip [5]

2.1  Chất liệu chip

Các thông số hiệu suất của vật liệu bán dẫn thường được sử dụng được thể hiện trong Bảng 1 [6-7]. Do công nghệ hoàn thiện và chi phí thấp, Si được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị rời rạc và mạch tích hợp, kỹ thuật mạng thông tin điện tử và các lĩnh vực khác. So với Si, GaAs có đặc điểm về khoảng cách dải rộng và độ linh động của điện tử cao, có thể làm giảm đáng kể kích thước RF và mức tiêu thụ điện năng, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị năng lượng thấp trong lĩnh vực RF, truyền thông không dây và quang điện tử. SiC và GaN có khoảng cách dải lớn hơn, không dễ hấp thụ năng lượng bức xạ nhiệt và chuyển sang dải dẫn khi làm việc ở nhiệt độ cao, đồng thời có cường độ trường phân tích cao hơn, do đó các chất bán dẫn có khoảng cách dải rộng SiC và GaN phù hợp hơn với nhiệt độ cao và cường độ cao. những dịp điện áp hơn Si. SiC có độ dẫn nhiệt cao hơn, khả năng tản nhiệt tốt hơn, độ linh động của sóng mang cao hơn, mật độ dòng điện cao hơn, khả năng chịu nhiệt độ và điện áp cao nên thường được sử dụng làm thiết bị điện, có ưu điểm rõ ràng trong trường năng lượng cao với điện áp 600 V trở lên và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực phương tiện năng lượng mới và thiết bị điện. GaN có độ linh động của điện tử và tốc độ sóng mang nhanh hơn, các thông số điện trở và ký sinh nhỏ hơn ở điện áp cao và có những lợi thế rõ ràng theo hướng tần số vô tuyến công suất cao. GaN chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực RF vi sóng như truyền thông 5G và liên lạc vệ tinh, lĩnh vực điện tử công suất như sạc nhanh thiết bị điện tử tiêu dùng và phương tiện năng lượng mới và lĩnh vực quang điện tử LED vì mật độ năng lượng cao, tiêu thụ năng lượng thấp, tần số cao và phạm vi rộng hơn. băng thông. Tương tự như SiC, công nghệ GaN hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng và chi phí tương đối cao.

Bảng 1 Tính chất của vật liệu chip bán dẫn [6]

2.2  Vật liệu liên kết chip

Chất hàn hợp kim SnPb, chẳng hạn như Sn63Pb37, đã được sử dụng rộng rãi trong vật liệu liên kết chip vì các đặc tính tuyệt vời của nó, như mô đun cắt thấp, độ thấm ướt cao, độ dẻo, tính chất cơ nhiệt và độ tin cậy. Tuy nhiên, SnPb không đáp ứng tiêu chuẩn không chì RoHS của EU và điểm nóng chảy của nó thấp (khoảng 180oC). Do đó, vật liệu liên kết chip mới là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) phù hợp và khả năng chịu nhiệt độ cao của cấu trúc và vật liệu đóng gói.Hiện nay, các vật liệu liên kết phoi được sử dụng rộng rãi nhất được trình bày trong Bảng 2 [8]. Bột bạc dẫn điện chủ yếu bao gồm ma trận nhựa, các hạt dẫn điện (chủ yếu là bột bạc), phụ gia phân tán và phụ gia, v.v. Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của nó tương đối thấp, nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của nó là khoảng 100 ~ 150oC, hạn chế trong lĩnh vực đóng gói chip nhiệt độ cao và áp suất cao. So với chất hàn SnPb, chất hàn không chì, chẳng hạn như SnAg hoặc SnAgCu, thường có hàm lượng Sn cao hơn 90% và nhiệt độ nóng chảy cao hơn (khoảng 220oC). Trong quá trình hóa rắn, mức độ làm mát thấp hơn và dễ hình thành các cấu trúc đuôi gai thô và các hợp chất liên kim loại, phân bố không đều, do đó làm suy yếu khả năng chống rão của nó. Ngoài ra, hợp kim SnAgCu có mô đun đàn hồi cao và CTE của nó khá khác biệt so với chip và chất nền. Dưới tác động của tải chu trình nhiệt dễ gây ra hiện tượng mỏi và dẫn đến bong tróc mối hàn, làm giảm độ tin cậy của mối hàn [9].

Bảng 2 Tính chất của vật liệu liên kết khuôn [8]

Các vật liệu liên kết nhiệt độ cao cho chip, chẳng hạn như chất hàn hợp kim eutectic gốc vàng như AuSn hoặc AuGe, có điểm nóng chảy cao (lớn hơn 280oC), tính dẫn nhiệt và tính dẫn điện, đồng thời dễ dàng thực hiện hàn hàn không hàn. Tuy nhiên, hàm lượng vàng trong chất hàn gốc vàng nhìn chung cao và giá thành cao, do pha thành phần có độ giòn cao nên dẫn đến nhược điểm là khó gia công, năng suất thấp và hiệu suất sản phẩm kém, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nó. ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng gói điện tử công suất [10].

Liên kết pha lỏng thoáng qua (TLPB) là một quá trình trong đó các lớp trung gian (như In và Sn) có điểm nóng chảy thấp hơn được thêm vào các vật liệu cơ bản được nối (như Cu, Au, Ag và Ni) có điểm nóng chảy cao hơn và các lớp trung gian và một số vật liệu cơ bản được nấu chảy và đông đặc lại bằng cách nung nóng, do đó chất rắn và chất lỏng khuếch tán lẫn nhau để tạo thành một kết nối. Lựa chọn vật liệu và quy trình phù hợp, liên kết pha lỏng tạm thời có thể tạo thành các mối nối có hiệu suất tuyệt vời, chẳng hạn như cường độ liên kết lớn hơn 60 MPa[11]. Tuy nhiên, việc ứng dụng kết nối pha lỏng nhất thời trong kết nối chip nhiệt độ cao bị hạn chế rất nhiều do ít lựa chọn lớp trung gian, chi phí cao và quá trình oxy hóa Au-In và các vật liệu khác.

Liên kết bạc thiêu kết, còn được gọi là công nghệ kết nối nhiệt độ thấp, dựa trên sự khuếch tán nguyên tử pha rắn của các hạt nano bạc hoặc bạc siêu nhỏ để tạo thành kết nối thiêu kết. Do nhiệt độ thiêu kết thấp (200 ~ 300oC) và điểm nóng chảy cao (961oC), bạc có nhiều ưu điểm, như độ dẫn nhiệt cao, khả năng chống chu kỳ nhiệt độ và độ tin cậy cao của chu trình điện. Nó đã trở thành sự lựa chọn ưu tiên cho kết nối chip nhiệt độ cao và đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi [12]. Tuy nhiên, thiêu kết bạc cũng có một số nhược điểm như chi phí cao, kết tụ các hạt nano bạc ở nhiệt độ thấp, thiêu kết áp suất của bột hàn bạc micron, quy trình phức tạp, mạ Ni/Au hoặc Ni/Ag trên bề mặt chip và đế. và sự di chuyển điện hóa của bạc. So với kem hàn nano bạc, kem hàn nano đồng đã thu hút sự chú ý gần đây vì giá thành thấp hơn và không có rủi ro về độ tin cậy của sự di chuyển điện hóa [13]. Tuy nhiên, các hạt đồng nano dễ bị oxy hóa và cần được thiêu kết trong môi trường trơ, điều này làm tăng độ phức tạp của quy trình và giá thành thiết bị, đồng thời có những hạn chế ứng dụng nhất định.

2.3  Chất liệu bao bì nhựa

Chức năng chính của vật liệu đóng gói bằng nhựa là cách điện và cách ly môi trường, có vai trò bảo vệ chống ẩm, chống phun muối, chống nấm mốc, chống bụi, chống va chạm và chống rung, tránh ăn mòn và hư hỏng môi trường , do đó đảm bảo hiệu suất điện của các linh kiện điện tử, thậm chí cải thiện mức điện áp của các mô-đun nguồn điện áp cao, tránh phóng điện điện cực và cuối cùng là cải thiện độ tin cậy của các sản phẩm điện tử [14]. Các loại và tính chất của vật liệu đóng gói bằng nhựa được trình bày trong Bảng 3. Vật liệu đóng gói bằng nhựa có thể được chia thành Lớp phủ phù hợp, Lớp lót, Hợp chất đúc, Hợp chất bầu và lớp phủ toàn cầu [14].      

Bảng 3 Loại và tính chất của vật liệu bao bì nhựa [14]

Lớp phủ bảo giác là loại lớp phủ hữu cơ thường được sử dụng để bảo vệ bề mặt mạch in, cần có khả năng kết nối tốt với chất nền và các linh kiện. Nói chung, các vật liệu có độ hấp thụ nước thấp, độ bền điện môi cao, CTE phù hợp và mô đun đàn hồi thấp được chọn, chẳng hạn như axit acrylic có thể được sử dụng ở nhiệt độ thấp dưới 120oC, polyurethane có thể được sử dụng ở nhiệt độ thấp dưới 165oC, nhựa epoxy có thể được sử dụng ở nhiệt độ trung bình dưới 200oC và nhựa silicone, parylene, benzocyclobutene và polyimide có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 250oC.

Như được hiển thị trong Hình 3, hỗn hợp đổ đầy và đúc không chỉ có thể cách ly với môi trường xung quanh và giảm ứng suất điện trường mà còn cải thiện độ tin cậy của các sản phẩm đóng gói bằng cách giảm hoặc phân phối lại ứng suất cơ nhiệt do CTE không khớp [14]. Do đó, nên lựa chọn càng nhiều vật liệu phù hợp với CTE của từng thành phần trong cấu trúc bao bì càng tốt, chẳng hạn như vật liệu cứng có CTE là (20~30)×10-6/K và nhỏ hơn 20×10-6/K như hợp chất lót và đúc tương ứng để giảm ứng suất nhiệt từ bi hàn và toàn bộ cấu trúc bao bì bao gồm cả bi hàn. Hiện nay, hợp chất đúc và đổ lót được sử dụng phổ biến nhất là nhựa epoxy chứa đầy silica.

Keo dán bầu và keo bọc bên trên không chỉ cải thiện mức điện áp chống đánh thủng điện trường và tránh sự ăn mòn, hư hỏng của môi trường xung quanh mà còn đóng vai trò nhất định trong việc hỗ trợ cơ học cho kết cấu bao bì. Hiện nay, vật liệu keo dán bầu và keo dán trên cùng được sử dụng phổ biến nhất là polyurethane có thể thi công ở nhiệt độ thấp dưới 165oC, nhựa epoxy có thể thi công ở nhiệt độ trung bình dưới 200oC và cao su silicon hoặc gel có thể được áp dụng ở nhiệt độ cao dưới 300oC. Trong số đó, các vật liệu mềm như cao su silicon hoặc gel được sử dụng rộng rãi vì độ cứng và mô đun thấp, độ dẻo và độ đàn hồi cao, ít ảnh hưởng đến ứng suất của các thành phần đóng gói như chip và dây liên kết. Tuy nhiên, các vật liệu mềm như cao su silicon và gel có hiệu suất bảo vệ và hỗ trợ cơ học kém. Để chống lại tác động từ bên ngoài, có thể chọn vật liệu cứng như nhựa. Tuy nhiên, nhựa thường có mô đun cao nên cần chọn vật liệu có CTE phù hợp để tránh ứng suất cơ nhiệt quá mức lên toàn bộ cấu trúc bao bì.

(b) 模塑料示意图

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý của hỗn hợp đổ đầy và đúc trong cấu trúc bao bì điện tử công suất [14]

2.4  Vật liệu nền và tấm đáy

Nói chung, chất nền là cấu trúc bánh sandwich của "lớp dẫn điện kim loại-lớp cách điện-lớp dẫn kim loại", và các lớp dẫn điện kim loại trên và dưới được sử dụng để kết nối chip và bảng nối đa năng tương ứng. Theo quy trình sản xuất, các chất nền có thể được chia thành chất nền Đồng liên kết trực tiếp (DBC), Chất nền đồng in trực tiếp (DPC), Chất nền nhôm liên kết trực tiếp (DBA), Chất nền hàn kim loại hoạt động, AMB), Chất nền kim loại cách điện (IMS) và Đồng in màng dày (TPC), v.v.

Chất nền DBC là kết nối eutectic giữa gốm và oxit đồng mỏng trên màng đồng, có hiệu suất tuyệt vời và chi phí tương đối thấp, được sử dụng rộng rãi trong bao bì điện tử công suất. Tuy nhiên, màng oxit đồng ở bề mặt gốm rất dễ bị tách lớp, dẫn đến độ tin cậy thấp của chất nền DBC trước chu kỳ nhiệt độ. Chất nền AMB kết nối kim loại và gốm với nhau bằng cách hàn kim loại hoạt động, có thể loại bỏ lớp oxit và cải thiện độ tin cậy. DBA sử dụng phương pháp hàn AlSi để kết nối tấm nhôm và gốm sứ. So với lớp đồng của DBC, lớp nhôm có độ cứng thấp hơn, có thể chịu được ứng suất cơ nhiệt cao hơn và cải thiện độ tin cậy [15]. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của nhôm thấp hơn đồng và hiệu suất tản nhiệt của chất nền DBA không tốt bằng chất nền DBC. Chất nền IMS bao gồm một lớp nhựa cách nhiệt có tính dẫn nhiệt cao, tấm đáy bằng đồng và lớp màng đồng dày. So với DBC, IMB có ưu điểm là quy trình sản xuất đơn giản, nhiệt độ xử lý nhiệt thấp, chi phí thấp và độ tin cậy cao. TPC là một lớp dán đồng được in trên gốm bằng cách in lụa, được nung ở nhiệt độ 850 ~ 950oC để tạo thành kết nối cường độ cao giữa màng kim loại và gốm. Độ tin cậy của chu kỳ nhiệt độ cao và có thể tích hợp cao với chip mạch tích hợp và thiết bị thụ động để tạo thành mô-đun lai. Gần đây, chất nền dựa trên khung chì dày và lớp cách nhiệt mỏng cũng xuất hiện, giúp đơn giản hóa cấu trúc của chất nền nhiều lớp và cải thiện hiệu quả tản nhiệt [5].

Xét về độ dẫn nhiệt và CTE, Al2O3, Si3N4, AlN và BeO là những vật liệu gốm được sử dụng phổ biến nhất trong chất nền. Xem Bảng 4[8,16] để biết so sánh hiệu suất của chúng. BeO có độ dẫn nhiệt cao nhất nhưng bụi trong quá trình điều chế có hại cho cơ thể con người nên hạn chế ứng dụng của nó. Al2O3 là sự lựa chọn kinh tế nhất, nhưng độ bền cơ học vừa phải và độ dẫn nhiệt tương đối kém. Độ dẫn nhiệt của AlN cao hơn Al2O3 và CTE phù hợp hơn với chip. Si3N4 có độ tin cậy chu kỳ nhiệt độ cao hơn, nhưng giá thành của nó tương đối cao [17]. Nói một cách tương đối, độ tin cậy kết hợp của Al-AlN và Cu-Si3N4 cao hơn vì vật liệu nhôm trước đây mềm, mô đun đàn hồi thấp và dễ biến dạng, có thể làm chậm thiệt hại do ứng suất nhiệt gây ra cho gốm sứ . Si3N4 sau có độ bền uốn và độ bền gãy cao hơn, đồng thời có thể chống lại ứng suất nhiệt do đồng gây ra.

Bảng 4 Tính chất của vật liệu gốm trong chất nền [8]

Vật liệu tấm đế được sử dụng phổ biến nhất là Cu. Để giảm CTE và đảm bảo độ dẫn nhiệt cao, các vật liệu composite kim loại như AlSiC, W-Cu, Mo-Cu và Cu-Mo-Cu cũng được sử dụng rộng rãi. Xem Bảng 5[8] để biết thông số hiệu suất của chúng. Nói chung, tấm đế sẽ được mạ niken, có thể ngăn chặn sự di chuyển và oxy hóa của các nguyên tử đồng ở nhiệt độ cao, đồng thời cải thiện độ bền và khả năng chống biến dạng của tấm đế đồng.

Bảng 5 Đặc tính vật liệu của tấm đáy [8]

Theo các phương pháp lắp ráp chip và quy trình kết nối khác nhau, cấu trúc đóng gói điện tử công suất có thể được chia thành hai loại: bao bì hàn và bao bì uốn. Xu hướng phát triển của gói được thể hiện trong Hình 4, trong đó gói hàn có thể sử dụng liên kết dây, chip lật (kết nối BGA), kết nối trụ kim loại, kết nối mảng lõm, kết nối màng kim loại lắng đọng và các cấu trúc khác. Bao bì ép là một cấu trúc kết nối được hình thành bởi áp suất cơ học bên ngoài. Để thuận tiện cho việc phân tích so sánh, ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp đóng gói trên được liệt kê trong Bảng 6[18]. Liên kết dây có ưu điểm là công nghệ trưởng thành, chi phí thấp và hệ thống dây điện linh hoạt. Tuy nhiên, các mô-đun liên kết bằng dây có độ tự cảm ký sinh cao, chỉ có thể tản nhiệt từ một phía của bảng nối đa năng [18]. Hơn nữa, do sự không khớp của CTE giữa dây liên kết và chip, tạo ra ứng suất cơ nhiệt lớn, khiến các mối hàn dễ bị hỏng do mỏi và trở thành dạng hỏng hóc chính của mô-đun trong quá trình chu trình nguồn.

Hình 4 Xu hướng phát triển cấu trúc gói [5]

Bảng 6 So sánh cấu trúc gói [18]

Hiện tại, cấu trúc đóng gói điện tử công suất đã dần phát triển từ cấu trúc đóng gói tiêu chuẩn liên kết dây truyền thống sang Overmold, Liên kết hai mặt, Tích hợp thành phần và Tích hợp nguồn 3D. Bằng cách loại bỏ dây dẫn, có thể giảm nhiễu điện từ, cải thiện hiệu quả tản nhiệt và tăng khả năng tích hợp. Trong số đó, cấu trúc ép phun là một gói phẳng nhỏ gọn, dễ dàng sản xuất mô-đun hàng loạt; Cấu trúc kết nối hai mặt có thể thực hiện tản nhiệt hai mặt và cải thiện hiệu quả tản nhiệt; Cấu trúc tích hợp của thiết bị có thể tích hợp nhiều chức năng khác nhau trong mô-đun và cải thiện tốc độ chuyển mạch; Cấu trúc tích hợp năng lượng ba chiều là xếp chồng các chip theo hướng thẳng đứng, điều này có thể làm giảm đáng kể độ tự cảm ký sinh và cải thiện hiệu suất chuyển mạch [5]. So với bao bì hai chiều, bao bì ba chiều có những ưu điểm rõ ràng, chẳng hạn như rút ngắn đáng kể khoảng cách vòng lặp theo hướng thẳng đứng, giảm độ tự cảm ký sinh và nhiễu điện từ, tăng tốc độ truyền, cải thiện hiệu suất chuyển mạch và giảm tổn thất điện năng; Nó có thể tích hợp nhiều loại chip và thiết bị, chẳng hạn như mạch điều khiển cổng, tụ điện tách rời, tản nhiệt, v.v., để cải thiện hơn nữa mật độ tích hợp nguồn và giảm khối lượng gói. Tuy nhiên, hiện tại, bao bì 3D cũng phải đối mặt với một số thách thức, chẳng hạn như quản lý nhiệt, công nghệ sản xuất và năng suất do sự kết nối giữa các ngăn xếp chip và quy trình sản xuất cần phải được cải thiện hơn nữa [6,19].

3.1  Gói ép phun thứ cấp

Trên cơ sở cấu trúc bao bì liên kết dây truyền thống, cấu trúc bao bì hai lớp là cấu trúc trong đó chip được liên kết trực tiếp với khung chì, các dây liên kết được loại bỏ và nhựa epoxy được sử dụng để đóng gói phun. So với cấu trúc gói liên kết dây, diện tích kết nối ở đầu chip trong gói ép phun tăng lên, giúp cải thiện hiệu quả tản nhiệt. Việc giảm độ tự cảm ký sinh giúp giảm tổn thất điện năng, điều này rất có lợi cho việc sản xuất hàng loạt mô-đun và được sử dụng rộng rãi trong các bộ chỉnh lưu của xe điện.

3.2  Gói kết nối hai mặt

Cấu trúc kết nối hai mặt kết nối chip với đế trên và đế dưới tương ứng, chẳng hạn như mô-đun nguồn SKiN [20] do Công ty Ximenkang đề xuất và mô-đun nguồn SiC [21] do Fuji Electric đề xuất, có thể đạt được mục đích loại bỏ dây liên kết. Cấu trúc gói kết nối hai mặt có hai ưu điểm chính: (1) loại bỏ liên kết dây trên bề mặt bộ phát, giảm hiệu quả độ tự cảm ký sinh, điện áp quá mức và tổn thất điện năng, đồng thời cải thiện hiệu suất chuyển mạch; (2) Nhận ra sự tản nhiệt của chip theo hướng trên và dưới, cải thiện hiệu quả tản nhiệt và giảm nhiệt độ điểm nối của chip một cách hiệu quả, do đó làm chậm quá trình hỏng hóc. Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã đề xuất một mô-đun nguồn Si IGBT hoặc SiC MOSFET với gói đế DBC hai mặt. So với mô-đun liên kết dây truyền thống, độ tự cảm của nó giảm 62%, tổn thất chuyển mạch giảm 50%-90% và hiệu suất tản nhiệt tăng 40%-50%[22].

Tuy nhiên, cấu trúc kết nối hai mặt cũng có một số nhược điểm. Thứ nhất, so với mô-đun liên kết dây, cấu trúc kết nối hai mặt có nhiều lớp vật liệu hơn, điều này làm tăng độ phức tạp của quy trình đóng gói. Thứ hai, do CTE của mỗi lớp vật liệu là khác nhau nên sự không phù hợp về nhiệt sẽ tạo ra ứng suất cơ-nhiệt lớn hơn, điều này sẽ làm giảm độ tin cậy của lớp kết nối. Để giảm ứng suất cơ nhiệt, một số kim loại phù hợp với CTE của chip, chẳng hạn như Mo hoặc Cu/Mo/Cu[23], được sử dụng làm vật liệu xen kẽ. Thứ ba, như trên Hình 5, khi thực hiện một module nguồn có kết nối hai mặt nhiều chip với độ dày khác nhau cần phải mạ điện hoặc nối Micro-Metal Post hoặc các chân đồng có chiều cao khác nhau giữa chip và đế DBC, do đó để giải quyết vấn đề chênh lệch chiều cao do độ dày khác nhau của nhiều chip gây ra [6]. Thứ tư, chất hàn thiếc là vật liệu kết nối được sử dụng phổ biến nhất trong bao bì mô-đun. Trong quá trình đóng gói mô-đun kết nối hai mặt, thường cần nhiều bước kết nối, đòi hỏi một nhóm chất hàn có điểm nóng chảy khác nhau, điều này làm hạn chế nhiệt độ sử dụng của mô-đun. Do đó, trong cấu trúc gói kết nối hai mặt, chất hàn bạc thiêu kết có độ dẫn nhiệt cao, độ dẫn điện cao và điểm nóng chảy cao đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho vật liệu kết nối.

Hình 5 Cấu trúc gói kết nối hai mặt [6]

3.3  Bao bì thiết bị tích hợp

Gói tích hợp là một thiết bị tích hợp nhiều chức năng trong một mô-đun, chẳng hạn như mạch điều khiển cổng tích hợp, tụ tách rời, cảm biến nhiệt độ, cảm biến dòng điện và mạch bảo vệ [18]. Việc đóng gói thiết bị tích hợp có nhiều ưu điểm, ví dụ, bằng cách tích hợp mạch truyền động cổng và tụ điện tách rời, có thể giảm độ tự cảm ký sinh của thanh cái hoặc đầu nối bên ngoài của mô-đun, có thể rút ngắn kết nối giữa thiết bị nguồn và ổ đĩa cổng, có thể giảm độ tự cảm vòng cổng. , nhiễu điện từ có thể được triệt tiêu, hiệu suất chia sẻ hiện tại và tốc độ chuyển mạch có thể được cải thiện. Tuy nhiên, cấu trúc gói này cũng có một số hạn chế. Ví dụ, mạch điều khiển cổng tích hợp nhìn chung đơn giản và kích thước tổng thể, khả năng mang dòng điện và tần số chuyển mạch của mô-đun bị giới hạn bởi mỗi thiết bị tích hợp. Ngoài ra, trước khi các thiết bị được tích hợp và đóng gói, cần kiểm tra khả năng chịu nhiệt độ của từng thiết bị, để tránh việc hoạt động bình thường của các thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ sẽ bị ảnh hưởng do khoảng cách tích hợp thiết bị quá gần [5] .

3.4   Gói tích hợp năng lượng ba chiều

Cấu trúc gói tích hợp được hiển thị trong Hình 6. Cấu trúc gói ba chiều chủ yếu được chia thành gói ba chiều xếp chồng và gói ba chiều nhúng [24]. Trên cơ sở gói hai chiều, nó sử dụng liên kết dây, chip lật, va chạm vi mô, Ball Grid Array (BGA), Through Silicon Via (TSV), nhúng PCB và các công nghệ xử lý khác để hiện thực hóa kết nối xếp chồng nhiều chip theo chiều dọc hướng [25

Hình 6 Sơ đồ cấu trúc gói tích hợp ba chiều [6,29-31]

Trong bao bì 3D xếp chồng lên nhau, vias xuyên silicon là một trong những công nghệ được quan tâm nhất, sử dụng kết nối dọc của vias xuyên silicon thông qua chất nền để nhận ra kết nối điện giữa các chip khác nhau [28]. Các công nghệ chính của bao bì xuyên silicon bao gồm tạo lỗ xuyên silicon, làm đầy, làm mỏng chip và kết nối. Các bước cụ thể như sau: đầu tiên, thông qua các lỗ được hình thành bằng cách khoan laser, khắc khô hoặc khắc ướt, sau đó lớp cách điện SiO2 và lớp dẫn điện bằng đồng được lấp đầy bằng lắng đọng hơi hóa học, sau đó các chip được làm mỏng bằng cách mài, và cuối cùng các chip được kết nối với nhau bằng cách liên kết hoặc liên kết giữa các kim loại [29]. So với cấu trúc kết nối chì hai chiều phẳng truyền thống, cấu trúc ba chiều của silicon xuyên qua lỗ có ưu điểm là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu quả sử dụng wafer silicon cao, độ trễ tín hiệu rút ngắn và giảm mức tiêu thụ điện năng, v.v., và được sử dụng rộng rãi ở cấp độ wafer ba chiều, cấp độ hệ thống và bao bì mạch tích hợp. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế. Thứ nhất, độ tin cậy, mật độ năng lượng cao của cấu trúc gói xuyên silicon và vấn đề quản lý nhiệt lớn của chip nhiều lớp; Thứ hai, chi phí cao, cấu trúc, quy trình và thử nghiệm đóng gói phức tạp.

Gói 3D nhúng sử dụng dây đồng và micropore thay vì dây liên kết và nhúng chip vào lớp PCB, có thể giảm âm lượng, cải thiện độ tin cậy và tạo điều kiện tích hợp hệ thống [30]. Thách thức lớn nhất của cấu trúc này là tính chất cơ nhiệt kém, bị hạn chế bởi ứng suất cơ nhiệt do nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh thấp và CTE cao của vật liệu PCB truyền thống, đồng thời nhiệt độ sử dụng của nó thấp [18]. Ngoài ra, độ bền bong tróc của tấm FR4-PCB thấp, khoảng 0.9 ~ 1.25 N/mm. So với chất nền DBC, công suất định mức của mô-đun nhúng trong PCB thấp [3].

Ngoài kết nối hàn nêu trên, gói ba chiều cũng có thể được tạo thành bằng cách uốn. Một trường hợp điển hình được thể hiện trong Hình 7, đó là sơ đồ cấu trúc bên trong của mô-đun uốn Westcode IGBT [32]. Các thành phần được kết nối vật lý bằng áp suất cơ học bên ngoài thay vì dây dẫn, hàn hoặc thiêu kết. Với cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao, nó đã được sử dụng rộng rãi trong lưới điện cao áp và dòng điện cao. Tuy nhiên, trong mô-đun uốn, kích thước bên trong của mô-đun, độ phẳng và chất lượng bề mặt của từng bộ phận bắt buộc phải cao, đồng thời độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của mối nối bị ảnh hưởng rất lớn bởi áp suất và tính đồng nhất. Cần phải chọn áp suất kẹp thích hợp để đảm bảo điện trở tiếp xúc và khả năng chịu nhiệt nhỏ hơn, nhưng chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt và biến dạng cấu trúc. Các cấu trúc đệm đàn hồi và vật liệu có CTE nhỏ, chẳng hạn như miếng đệm Mo hoặc Be và tấm lò xo, thường được đưa vào cấu trúc uốn để cân bằng áp suất, giảm ứng suất cơ nhiệt và cải thiện độ tin cậy.

Hình 7 Cấu trúc bên trong của mô-đun uốn IGBT trong Sima [6,32]

Các vật liệu chính, công nghệ kết nối và thiết kế cấu trúc của bao bì điện đang dần phát triển theo hướng loại bỏ dây dẫn, cải thiện hiệu suất tản nhiệt, tăng mật độ tích hợp, v.v., để đáp ứng ứng dụng đáng tin cậy trong môi trường nhiệt độ cao, điện áp cao và tần số cao. Với sự phổ biến và ứng dụng của các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba, vật liệu kết nối dán hàn bạc thiêu kết, silicon thông qua công nghệ, cấu trúc bao bì tích hợp ba chiều, v.v. là những xu hướng chính trong tương lai và tôi tin rằng triển vọng ứng dụng của chúng là vô hạn.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Điện tử và Bao bì". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sacco Micro và ngành. Nó chỉ dành cho việc in lại và chia sẻ để hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi tái bản. Nếu có vi phạm vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.