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封裝及Bonding
新聞詳情

功率電子封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

發(fā)布時(shí)間:2022-10-13 17:18:33 最后更新:2023-02-11 16:23:59 瀏覽次數(shù):1320

       封裝技術(shù)是一種將芯片與承載基板連接固定、引出管腳并將其塑封成整體功率器件或模塊的工藝,主要起到電氣連接、結(jié)構(gòu)支持和保護(hù)、提供散熱途徑等作用。封裝作為模塊集成的核心環(huán)節(jié),封裝材料、工藝和結(jié)構(gòu)直接影響到功率模塊的熱、電和電磁干擾等特性。目前成熟的封裝技術(shù)主要是以銀膠或錫基釬料等連接材料、引線連接等封裝結(jié)構(gòu)為主,耐高溫、耐高壓性能差,電磁兼容問題突出,無法提供高效的散熱途徑。近來,燒結(jié)銀互連材料、三維集成封裝結(jié)構(gòu)等由于具有優(yōu)異的耐高溫、高導(dǎo)熱性能,可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱、大幅降低開關(guān)損耗,使得功率模塊具有良好的熱、電特性和可靠性,獲得了越來越多的研究和關(guān)注,有望滿足第三代半導(dǎo)體器件在高溫、高壓和高頻領(lǐng)域的可靠應(yīng)用。本文針對功率電子封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

封裝結(jié)構(gòu)

       
根據(jù)芯片組裝方式和互連工藝的不同,功率電子封裝結(jié)構(gòu)可分為焊接式封裝和壓接式封裝兩種形式。封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢如圖4所示,其中焊接式封裝可以采用引線鍵合、倒裝芯片(BGA互連)、金屬柱互連、凹陷陣列互連、沉積金屬膜互連等結(jié)構(gòu)。壓接式封裝是借助外界機(jī)械壓力形成互連結(jié)構(gòu)。為了便于對比分析,將上述幾種封裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)列于表6。引線鍵合具有技術(shù)成熟、成本低、布線靈活等優(yōu)點(diǎn)。然而,引線鍵合的模塊具有較高的寄生電感,只能從底板單面散熱。并且,由于鍵合引線和芯片的CTE不匹配,產(chǎn)生較大的熱-機(jī)械應(yīng)力,使得焊點(diǎn)易疲勞失效,成為模塊在功率循環(huán)過程中最主要的失效形式。


       目前功率電子封裝結(jié)構(gòu)逐漸從傳統(tǒng)的引線鍵合標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)向二次注塑(Overmold)、雙面連接(Double-Side Bonding)、器件集成(Component Integration)、三維功率集成封裝結(jié)構(gòu)(3D Power Integration)發(fā)展。通過去除引線,可以降低電磁干擾、提高散熱效率、增大集成度。其中,注塑結(jié)構(gòu)為緊湊型平面封裝,易于批量模塊生產(chǎn);雙面連接結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱,提高散熱效率;器件集成結(jié)構(gòu)可以將多種功能集成在模塊內(nèi)部,提高開關(guān)速度;三維功率集成結(jié)構(gòu)是將芯片在垂直方向上堆疊連接,可大幅降低寄生電感,提升開關(guān)性能。
        相比于二維封裝,三維封裝具有顯著的優(yōu)點(diǎn),如可以在垂直方向上大大縮短回路距離,降低寄生電感和電磁干擾,提高傳輸速度,提高開關(guān)性能,降低功率損耗;可以集成多種芯片和器件,如門極驅(qū)動電路、去耦電容、散熱器等,進(jìn)一步提高功率集成密度,縮小封裝體積。但是,三維封裝目前也面臨一些挑戰(zhàn),如芯片疊層互連帶來的熱管理、生產(chǎn)工藝和良率等問題,制程工藝有待進(jìn)一步完善。

3.1  二次注塑封裝

       二次注塑封裝結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將芯片直接粘接在引線框架上,去除了鍵合引線,并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行注塑封裝的結(jié)構(gòu)。與引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)相比,注塑封裝的芯片頂部連接面積增大,使得散熱效率提高;寄生電感降低,使得功率損耗降低,并且非常利于模塊化批量生產(chǎn),在電動汽車的整流器中得到廣泛應(yīng)用。

3.2  雙面連接封裝

       雙面連接結(jié)構(gòu)是將芯片分別與上、下基板連接,例如西門康公司提出的SKiN功率模塊、富士電機(jī)提出的銅針互連SiC功率模塊等,可以達(dá)到去除鍵合引線的目的。雙面連接封裝結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)消除發(fā)射極表面的引線鍵合,有效降低寄生電感,減小電壓過沖和功率損耗,提高開關(guān)性能;(2)實(shí)現(xiàn)芯片上下兩個(gè)方向散熱,提高散熱效率,有效降低芯片結(jié)溫,從而減緩失效。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提出了一種雙面連接DBC基板封裝的Si IGBT或SiC MOSFET功率模塊,相比于傳統(tǒng)的引線鍵合模塊,其電感降低62%,開關(guān)損耗降低50%~90%,散熱效率提高40%~50%。

        但雙面連接結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)。第一,相比于引線鍵合模塊,雙面連接結(jié)構(gòu)具有更多層材料,加大了封裝工藝的復(fù)雜性。第二,各層材料的CTE不同,熱失配會產(chǎn)生更大的熱-機(jī)械應(yīng)力,降低了連接層可靠性。為了降低熱-機(jī)械應(yīng)力,一些與芯片CTE匹配的金屬,如Mo或Cu/Mo/Cu[23]等被用作中介層材料。第三,在實(shí)現(xiàn)不同厚度的多芯片雙面連接的功率模塊時(shí),如圖5所示,需要可以在芯片和DBC基板之間電鍍或連接不同高度的微型金屬柱(Micro-Metal Post)或銅頂針(Cu Pin)等,解決多芯片厚度不同帶來的高度差異問題[6]。第四,錫基釬料是模塊封裝中最常用的互連材料,在雙面連接模塊封裝過程中,通常需要多個(gè)連接步驟,這就需要一組具有不同熔點(diǎn)的釬料,限制了模塊的服役溫度。因此在雙面連接封裝結(jié)構(gòu)中,具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電和高熔點(diǎn)的燒結(jié)銀焊膏成為了互連材料的優(yōu)先選擇。

圖5  雙面連接封裝結(jié)構(gòu)[6]

3.3  器件集成封裝

       器件集成封裝是在模塊里集成多種功能的器件,例如集成門極驅(qū)動電路、去耦電容、溫度傳感器、電流傳感器和保護(hù)電路等。器件集成封裝具有很多優(yōu)點(diǎn),例如通過集成門極驅(qū)動電路和去耦電容,可以降低母排或模塊外部接插件的寄生電感,縮短功率器件和門極驅(qū)動之間的連接,降低門極回路電感,實(shí)現(xiàn)抑制電磁干擾,提高均流性能和開關(guān)速度。但是該封裝結(jié)構(gòu)也存在一定的局限性,例如,集成的門極驅(qū)動電路一般比較簡單,模塊的整體尺寸、載流能力和開關(guān)頻率受各集成器件的限制。此外,在器件集成封裝之前,需要檢驗(yàn)各器件的耐溫性能,避免因?yàn)槠骷删嚯x太近,影響溫度敏感器件的正常工作。

3.4   三維功率集成封裝

       三維集成封裝結(jié)構(gòu)形式如圖6所示,三維封裝結(jié)構(gòu)主要分為疊層型三維封裝和埋置型三維封裝,是在二維封裝的基礎(chǔ)上,采用引線鍵合、倒裝芯片、微凸點(diǎn)、球珊陣列(Ball Grid Array,BGA)、硅通孔(Through Silicon Via,TSV)、PCB埋置等工藝技術(shù),在垂直方向上實(shí)現(xiàn)多芯片的疊層互連。


(f)埋置型封裝:PCB埋置式連接圖6  三維集成封裝結(jié)構(gòu)形式示意圖

        在疊層型三維封裝中,硅通孔是最受關(guān)注的技術(shù)之一,是利用穿透襯底的硅通孔的垂直互連,實(shí)現(xiàn)不同芯片之間的電氣互連。硅通孔封裝關(guān)鍵技術(shù)包括硅通孔成形、填充、芯片減薄和互連等。具體步驟為:首先通過激光打孔、干法刻蝕或濕法刻蝕形成通孔,然后采用化學(xué)氣相沉積等方法填充SiO2絕緣層和銅導(dǎo)電層,其次通過磨削加工減薄芯片,最后通過金屬間鍵合或粘接等方法實(shí)現(xiàn)芯片互連。與傳統(tǒng)平面二維引線互連結(jié)構(gòu)相比,硅通孔三維結(jié)構(gòu)具有尺寸小、重量輕、硅片使用效率高、縮短信號延遲同時(shí)降低功耗等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于三維晶圓級、系統(tǒng)級和集成電路封裝中。但它也存在一定的局限性,第一是可靠性,硅通孔封裝結(jié)構(gòu)的功率密度高,疊層芯片的熱管理問題較大;第二是成本高,封裝結(jié)構(gòu)、工藝和測試復(fù)雜。

        埋置型三維封裝,是采用銅線和微孔代替鍵合引線,將芯片嵌入在PCB層壓板中,可以縮小體積、提高可靠性,并且易于系統(tǒng)集成。此結(jié)構(gòu)面臨最大的挑戰(zhàn)是熱-機(jī)械性能較差,受限于傳統(tǒng)PCB材料的低玻璃轉(zhuǎn)化溫度和高CTE帶來的熱-機(jī)械應(yīng)力,其服役溫度較低。此外,F(xiàn)R4-PCB層壓板的剝離強(qiáng)度較低,約為0.9~1.25 N/mm,相比于DBC基板,PCB板嵌入式封裝的模塊可以承受的額定功率較低。


        除了上述焊接式連接之外,還可以通過壓接形成三維封裝,典型案例如圖7所示,為西碼(Westcode)IGBT壓接模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,各組件由外部施加的機(jī)械壓力取代引線、釬焊或燒結(jié)形成物理連接,結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高,在高壓大電流電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是在壓接模塊中,對模塊的內(nèi)部尺寸、各組件的平整度和表面質(zhì)量要求高,接頭的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能受壓力大小和均勻性的影響很大,需要選擇合適的合模壓力來保證較小的接觸電阻和接觸熱阻,但會不可避免地受到表面粗糙度和結(jié)構(gòu)變形的影響。在壓接結(jié)構(gòu)中常引入CTE較小的彈性緩沖結(jié)構(gòu)和材料,如Mo或Be墊片、彈簧片等,來均勻壓力、降低熱-機(jī)械應(yīng)力,提高可靠性。

 

結(jié)束語

       功率電子封裝的關(guān)鍵材料、連接技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),逐漸向去除引線、提高散熱性能、提高集成密度等方向發(fā)展,來滿足高溫、高壓、高頻環(huán)境的可靠應(yīng)用。隨著第三代半導(dǎo)體器件的推廣應(yīng)用,硅通孔技術(shù)、三維集成封裝結(jié)構(gòu)等是未來發(fā)展的主要趨勢,相信其應(yīng)用前景無限廣闊。

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