En los últimos 20 años, el carburo de silicio (sic), como dispositivo de potencia de banda ancha, ha atraído cada vez más atención. Las características de alta frecuencia, alta tensión, resistencia a altas temperaturas, velocidad de conmutación rápida y baja pérdida de los dispositivos de carburo de silicio hacen que la eficiencia y la densidad de potencia del sistema electrónico de potencia avancen en una dirección más alta.
Dispositivos de carburo de silicioEstas excelentes características requieren una conexión eficiente, alta y confiable de potencia y señal a través del encapsulamiento y el sistema de circuito para lograr una exhibición perfecta, lo que también plantea mayores requisitos para las tecnologías clave de encapsulamiento de dispositivos de potencia de carburo de silicio. A continuación se ordenarán y resumirán las tres direcciones técnicas clave de la tecnología de encapsulamiento de dispositivos de potencia de carburo de silicio, encapsulamiento de baja dispersión, encapsulamiento de alta temperatura y encapsulamiento integrado multifuncional.
Tecnología de encapsulamiento de inductores de baja dispersión
En la actualidad, la mayoría de los dispositivos sic comerciales existentes todavía utilizan el método de encapsulamiento de los dispositivos si tradicionales. La tecnología de encapsulamiento tradicional es madura, de bajo costo y es compatible y reemplazable con los dispositivos originales a base de Si. Sin embargo, la estructura de encapsulamiento tradicional hace que sus parámetros de bobina de inducción dispersa sean grandes, lo que causa una grave Sobretensión de voltaje durante el proceso de conmutación rápida de los dispositivos de carburo de silicio, y también conduce a problemas como el aumento de la pérdida y la interferencia electromagnética.
El tamaño de la bobina de inducción dispersa está relacionado con el área del Circuito de conversión del interruptor. Entre ellos, el modo de conexión de Unión metálica, los pines de los componentes y el diseño plano de varios chips son los factores clave que influyen en el gran área del Circuito de conversión de encapsulamiento tradicional. La eliminación de la línea de unión metálica puede reducir efectivamente el valor de la inducción dispersa y controlar su tamaño por debajo de 5nh. A continuación se presentan las estructuras de encapsulamiento típicas.
① encapsulamiento de parches volteados de un solo tubo
El equipo de la Universidad de Arkansas se basó en la tecnología de encapsulamiento de bga y propuso una tecnología de encapsulamiento de parches volteados de un solo tubo. El paquete voltea el electrodo dorsal del chip a la misma posición plana que el electrodo frontal a través de una pieza de conexión metálica, y luego implanta una bola de soldadura en la posición del electrodo correspondiente, eliminando el cable de unión metálica y el terminal del pin. En comparación con el paquete to - 247, el volumen se reduce 14 veces y la resistencia a la conducción se reduce en un 24%.
② encapsulamiento híbrido de PCB DBC
La placa cerámica recubierta de cobre (dbc) utilizada en el embalaje de módulos tradicionales limita que el chip solo se puede diseñar en un plano bidimensional, con un gran área de circuito de corriente y grandes parámetros de inductor disperso. Sin embargo, combinando el proceso DBC con la placa de pcb, se utiliza un cable de unión metálica para conectar la superficie superior del chip a la placa de pcb, controlando el circuito de conversión entre las capas de pcb, lo que reduce en gran medida el área del Circuito de corriente y, a su vez, los parámetros de la inducción dispersa. El paquete híbrido permite controlar la inducción dispersa por debajo de 5nh, con una reducción del 40% en volumen en comparación con los módulos tradicionales.
▲ encapsulamiento híbrido de PCB dbc▲
Placa de PCB flexible combinada con plata sinterizadaEl método de encapsulamiento del proceso también se utiliza en módulos comerciales. La placa de PCB flexible reemplaza la línea de Unión para lograr la conexión eléctrica de la superficie superior e inferior del chip. la inducción parasitaria del circuito interno del módulo es de solo 1,5nh, y la velocidad de conmutación es superior a 50 kV / S. la pérdida se puede reducir en un 50% en comparación con los módulos tradicionales.
Este método de encapsulamiento híbrido combina las ventajas de dos procesos maduros, es fácil de producir y puede lograr una baja inducción dispersa y un volumen más pequeño. Sin embargo, la existencia de placas de PCB limita la fiabilidad del funcionamiento a alta temperatura de los métodos de encapsulamiento anteriores.
③ encapsulamiento de interconexión plana frontal del chip
Además de reemplazar las líneas de unión metálica con placas de PCB flexibles, también se puede utilizar el método de conexión de interconexión plana para lograr la conexión de la parte delantera del chip. La interconexión plana no solo puede reducir el circuito de corriente, sino también reducir la inducción y resistencia dispersas, sino que también tiene mejores características de ciclo de temperatura y fiabilidad.
El encapsulamiento enterrado para chips sic también se puede considerar como un encapsulamiento plano directo en la parte delantera del chip. El método coloca el chip en una ranura de posicionamiento cerámico, luego llena las grietas con un medio aislante y finalmente cubre las dos caras de la máscara para salpicar cobre metálico para lograr la conexión de electrodos. Al seleccionar un material de embalaje razonable, se reduce la tensión térmica entre capas del módulo a altas temperaturas y se pueden medir las características positivas y inversas del módulo a altas temperaturas de 279 grados celsius.
▲ encapsulamiento enterrado▲
El proceso de encapsulamiento de conexión directa plana amplía el circuito actual del diseño plano de la placa DBC al diseño entre capas de los planos superior e inferior del chip eliminando los cables de Unión metálica, lo que reduce significativamente el área del circuito y puede lograr parámetros de inducción de baja dispersión, que es la misma idea básica que el encapsulamiento de disipación de calor de doble cara y el encapsulamiento tridimensional introducido más tarde para lograr una inducción de baja dispersión, pero la forma de implementación es ligeramente diferente.
④ tecnología de encapsulamiento de disipación de calor de doble cara
Debido a la disipación de calor de doble cara y el pequeño tamaño, el proceso de encapsulamiento de doble cara se utiliza más para aplicaciones de encapsulamiento de IGBT en vehículos eléctricos. Las superficies superior e inferior del módulo SIC de encapsulamiento de disipación de calor de doble cara se soldan con placas dbc, por lo que se puede lograr la disipación de calor simultánea en las superficies superior e inferior.
La dificultad del proceso es que la superficie superior del chip requiere un tratamiento de pulverización o galvanoplastia para que sea soldable, y se añaden juntas metálicas, columnas de conexión, etc. a la superficie superior del chip para eliminar las diferencias de altura de los chips de diferentes alturas en el mismo módulo. Junto con el pequeño área general de los chips sic, cómo garantizar la calidad de soldadura dentro del área limitada de la superficie superior es la clave en el proceso. Gracias al cableado simétrico de DBC superior e inferior y al diseño razonable del chip, el paquete puede reducir los parámetros de inducción parasitaria del circuito por debajo de 3nh, y la resistencia térmica del módulo disminuye un 38% en comparación con el paquete tradicional.
⑤ tecnología de encapsulamiento tridimensional (3d)
La tecnología de encapsulamiento tridimensional aprovecha las características estructurales verticales de los dispositivos de potencia sic para apilar directamente el tubo inferior del brazo del puente del interruptor sobre el tubo superior, eliminando el cableado redundante en el punto medio del brazo del puente y reduciendo la inducción parasitaria del circuito por debajo de 1nh. La superficie del chip se trata primero con cobre, luego se extrae el electrodo del chip a través del proceso de hundimiento de cobre a través del agujero, y finalmente se utiliza la laminación de PCB para completar la estructura multicapa. Gracias a la estructura del bus del pcb, la bobina de inducción del Circuito del módulo es de solo 0,25 nh, y el método de conexión Kelvin del polo de la puerta se puede realizar al mismo tiempo. La densidad de potencia del paquete es extremadamente alta, cómo garantizar el control de la temperatura del chip es una gran dificultad, el espesor del cobre exterior y el coeficiente de convección térmica superficial tienen un gran impacto en la disipación de calor del chip. Además de los chips de potencia, los componentes pasivos como los núcleos magnéticos, los condensadores, etc., se pueden incrustar en los PCB de la manera adecuada para mejorar la densidad de potencia.
A partir de la nueva estructura anterior, se puede ver que para aprovechar al máximo las ventajas de los dispositivos sic, aumentar la densidad de potencia y eliminar la conexión de cables de unión metálica es una tendencia. Al adoptar diversas nuevas estructuras, reducir el valor de la inducción parasitaria del Circuito del módulo y reducir el volumen es una garantía para promover la electrónica de potencia hacia alta frecuencia, alta eficiencia y alta densidad de potencia.
Tecnología de encapsulamiento de alta temperatura
Al realizar la conexión frontal del chip, el cable de cobre se puede reemplazar por el cable de aluminio, eliminando la diferencia de coeficiente de expansión térmica entre el cable de unión y la capa de cobre dbc, lo que mejora en gran medida la fiabilidad del trabajo del módulo. Además, se espera que el proceso de conexión de correas de aluminio y cobre también proporcione mejores soluciones para el carburo de silicio debido a su mayor capacidad de interceptación, mejor ciclo de potencia y capacidad de disipación de calor.
Las láminas de estaño o pasta de estaño se utilizan comúnmente para conectar chips y placas dbc. la tecnología de soldadura es muy madura y simple. al ajustar la proporción de composición de soldadura, mejorar la tecnología de impresión de pasta de estaño, reducir la tasa de vacío en la soldadura al vacío y agregar gas de reducción, se pueden lograr procesos de soldadura de alta calidad. Sin embargo, la conductividad térmica de la soldadura es baja y cambiará con la temperatura, lo que no es adecuado para que los dispositivos sic funcionen a altas temperaturas. Además, el problema de fiabilidad de la capa de soldadura también es una de las principales causas del fracaso del módulo.
▲ comparación de materiales típicos de soldadura y sinterización▲
Con sus ventajas de alta conductividad térmica, baja temperatura de unión y alto punto de fusión, se espera que la tecnología de conexión de plata sinterizada reemplace al Estaño de soldadura como un nuevo método de conexión para dispositivos sic. El proceso de sinterización de plata consiste generalmente en mezclar polvo de plata con disolvente orgánico en pasta de soldadura de plata, luego imprimirlo en el sustrato, eliminar el disolvente orgánico mediante precalentamiento y luego presurizar la sinterización para lograr la conexión entre el chip y el sustrato. Para reducir la temperatura de sinterización, una forma es aumentar la presión ejercida en la sinterización, pero también aumentar el costo del equipo correspondiente y causar fácilmente daños en el chip; Otra forma es reducir el volumen de partículas de plata si se utilizaNanopartículas de plataSin embargo, el costo de procesamiento de partículas es alto, por lo que muchas investigaciones continúan estudiando partículas de plata de micrones para obtener parámetros adecuados de temperatura, presión y tiempo de sinterización para lograr un efecto de sinterización más ideal.
Además, para garantizar el funcionamiento estable de los dispositivos de carburo de silicio, el sustrato cerámico y la placa inferior metálica también necesitan tener una buena fiabilidad a alta temperatura. Cuanto mayor sea la diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre los diferentes materiales, mayor será el estrés térmico entre las capas de materiales y menor será la fiabilidad. Por lo tanto, la selección de materiales con alta conductividad térmica, valores similares del coeficiente de expansión térmica y materiales de carburo de silicio es la clave para mejorar la fiabilidad y la clave del embalaje.
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