Siliciumcarbide (SiC) heeft de afgelopen twee decennia steeds meer aandacht gekregen als een halfgeleidermateriaal met groot bereik voor vermogensapparaten. Vergeleken met silicium (Si) bieden SiC-apparaten aanzienlijke voordelen, zoals hogere elektrische velden, hogere schakelsnelheden, betere thermische geleidbaarheid en hogere bedrijfstemperaturen. De realisatie van deze voordelen vereist echter geavanceerde verpakkingstechnologieën om uitdagingen aan te gaan zoals het verminderen van parasitaire inductantie, het verbeteren van de thermische prestaties en het garanderen van betrouwbaarheid bij hoge temperaturen. Dit artikel geeft een overzicht van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van verpakkingstechnologieën voor SiC voedingsapparaten, met de nadruk op lage parasitaire inductantie, verpakking bij hoge temperaturen en multifunctionele geïntegreerde verpakking. De uitdagingen en mogelijkheden op deze gebieden worden ook besproken.
Inleiding:
Siliciumcarbide (SiC) voedingsapparaten zijn klaar om een revolutie teweeg te brengen in de vermogenselektronica dankzij hun superieure materiaaleigenschappen in vergelijking met traditionele siliciumapparaten. Apparaten op basis van SiC kunnen werken bij hogere frequenties, spanningen en temperaturen, wat resulteert in een verbeterde efficiëntie en vermogensdichtheid voor verschillende toepassingen, waaronder elektrische voertuigen, systemen voor hernieuwbare energie en industriële vermogenselektronica. Deze voordelen kunnen echter alleen volledig worden gerealiseerd door de ontwikkeling van geavanceerde verpakkingstechnologieën die voldoen aan de unieke vereisten van SiC-apparaten.
1. Verpakkingstechnologie met lage parasitaire inductantie:
De reductie van parasitaire inductantie in de verpakking van SiC voedingsapparaten is cruciaal voor het bereiken van hoge schakelsnelheden en het minimaliseren van spanningsoverschrijdingen en elektromagnetische interferentie (EMI). Traditionele verpakkingsstructuren, die vaak worden gebruikt voor siliciumapparaten, hebben te lijden onder hoge parasitaire inductantie vanwege grote schakellussen en het gebruik van metalen bindingsdraden. Om dit probleem aan te pakken zijn er verschillende innovatieve verpakkingstechnologieën ontwikkeld.
1.1 Flip-Chip verpakking:
Flip-chip verpakkingstechnologie, zoals voorgesteld door het team van de Universiteit van Arkansas, gebruikt een metalen interconnectie om de chip om te draaien en de elektrode aan de achterkant te verbinden met hetzelfde vlak als de elektrode aan de voorkant. Hierdoor zijn er geen verbindingsdraden nodig en wordt de parasitaire inductie aanzienlijk verminderd. Er is aangetoond dat deze verpakkingsmethode de grootte van het apparaat met 14 keer en de aan-statusweerstand met 24% vermindert in vergelijking met de traditionele TO-247 verpakking.
1.2 Hybride verpakking DBC+PCB:
Een andere oplossing om parasitaire inductantie te verminderen is het combineren van Direct Bonded Copper (DBC) en Printed Circuit Boards (PCB) in een hybride verpakkingsstructuur. Door het oppervlak van de chip te verbinden met de PCB wordt de stroomlus geminimaliseerd, wat leidt tot een significante reductie in parasitaire inductantie. Deze hybride verpakking kan inductiewaarden van minder dan 5nH bereiken en het totale volume verminderen met 40%.
1.3 Chip-on-Lead-interconnectie:
Het gebruik van DLB (Direct Lead Bonding) voor chip-naar-lead verbindingen minimaliseert het stroomlusgebied nog verder, waardoor parasitaire inductantie wordt verminderd en de temperatuurwisselprestaties en betrouwbaarheid worden verbeterd. Deze verpakkingstechniek maakt bindingsdraden overbodig, waardoor het een veelbelovende oplossing is voor SiC voedingsapparaten.
1.4 Dubbelzijdige koeling Verpakking:
Dubbelzijdige koelingstechnologie, die vaak wordt gebruikt in vermogenselektronica voor elektrische voertuigen, is toegepast op SiC-apparaten om de warmteafvoer te verbeteren. Door gebruik te maken van DBC-substraten aan beide zijden van de chip, bereikt de verpakking gelijktijdige warmteafvoer van zowel de boven- als de onderkant. Dit verlaagt de warmteweerstand met 38% ten opzichte van een traditionele verpakking.
1.5 3D-verpakkingstechnologie:
3D-verpakkingstechnologie maakt gebruik van de verticale structuur van SiC om parasitaire inductantie te verminderen. Door schakelarmen direct op elkaar te stapelen, elimineert 3D-verpakking onnodige bedrading en wordt de lusinductantie aanzienlijk gereduceerd tot minder dan 1nH. Het is aangetoond dat deze aanpak zowel de efficiëntie als de vermogensdichtheid van het apparaat verbetert.
2. Verpakkingstechnologie voor hoge temperaturen:
SiC-voedingsapparaten zijn ontworpen om te werken bij temperaturen van meer dan 300°C, veel hoger dan traditionele siliciumapparaten. De verpakkingsmaterialen en -structuren die in siliciumapparaten worden gebruikt, zijn echter niet geschikt voor toepassingen bij hoge temperaturen, aangezien hun betrouwbaarheid boven 150°C aanzienlijk afneemt. Daarom is de ontwikkeling van verpakkingsmaterialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen cruciaal voor het succes van SiC-apparaten.
2.1 Interconnectiematerialen voor hoge temperaturen:
Koperen bindingsdraden, die aluminium draden vervangen in toepassingen met hoge temperaturen, verbeteren de betrouwbaarheid van SiC voedingsapparaten aanzienlijk. Daarnaast worden koperen tapes en banden onderzocht vanwege hun superieure stroomvoerend vermogen en warmteafvoer, waardoor ze ideaal zijn voor SiC-toepassingen bij hoge temperaturen.
2.2 Gesinterd Zilver Technologie:
Lijmen met gesinterd zilver is in opkomst als alternatief voor traditionele soldeertechnieken voor toepassingen bij hoge temperaturen. Met een warmtegeleidingsvermogen van 200W/(m-K) biedt gesinterd zilver een uitstekend thermisch beheer en een hoog smeltpunt, waardoor het ideaal is voor SiC voedingsapparaten. Het proces om de binding van gesinterd zilver te optimaliseren - met name wat betreft druk, temperatuur en tijd - blijft echter een gebied van actief onderzoek.
2.3 Keramische substraten en metalen basisplaten:
Om de betrouwbaarheid op lange termijn van SiC-voedingsapparaten in omgevingen met hoge temperaturen te garanderen, moeten de substraten en basisplaten een hoog warmtegeleidingsvermogen hebben en overeenkomen met de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van SiC. Materialen zoals aluminiumnitride (AlN) en berylliumoxide (BeO) worden overwogen vanwege hun uitstekende thermische eigenschappen. De toxiciteit van BeO beperkt echter het wijdverspreide gebruik ervan en de hoge kosten van AlN blijven een barrière voor de toepassing ervan.
3. Multifunctionele geïntegreerde verpakkingstechnologie:
Omdat SiC-apparaten steeds kleiner en krachtiger worden, wordt multifunctionele integratie steeds belangrijker. De integratie van condensatoren, drivers, sensoren en koellichamen in de verpakking is cruciaal voor het verbeteren van de algehele prestaties van het apparaat.
3.1 Geïntegreerde condensatoren en drivers:
De integratie van keramische condensatoren direct in de vermogensmodule vermindert parasitaire inductantie en verbetert de algehele systeemprestaties. De betrouwbaarheid bij hoge temperaturen van deze condensatoren is echter nog steeds een uitdaging. Ook de integratie van poortdrivers in de module, zoals te zien is bij SiC intelligente vermogensmodules (IPM's) van bedrijven als Mitsubishi en Infineon, verkleint de module en verbetert de schakelprestaties.
3.2 Sensorintegratie en beperking van EMI:
Temperatuur-, stroom- en spanningssensoren worden geïntegreerd in SiC voedingsapparaten voor real-time bewaking en regeling, waardoor de algehele prestaties en betrouwbaarheid van het systeem verbeteren. Daarnaast zijn EMI-filters en afscherming geïntegreerd om elektromagnetische interferentie te beperken, zodat wordt voldaan aan de industrienormen.
3.3 Integratie microkanaal-warmteput:
Microkanaal-warmteputten worden rechtstreeks in de vermogensmodule geïntegreerd om de warmteafvoer te verbeteren. Deze technologie verlaagt de thermische weerstand en verbetert de algemene thermische prestaties van SiC voedingsapparaten. De integratie van microkanaalkoeling in de basisplaat van de module kan de thermische weerstand met 34% verlagen.
4. Uitdagingen en toekomstperspectieven:
Ondanks de vooruitgang in SiC verpakkingstechnologieën zijn er nog verschillende uitdagingen, met name op het gebied van materiaalontwikkeling, kostenreductie en betrouwbaarheid bij hoge temperaturen. Verder onderzoek is nodig om:
- De prestaties valideren van verpakkingsstructuren met een lage parasitaire inductantie, vooral op het gebied van cyclisch vermogen, thermisch vermogen en algemene betrouwbaarheid.
- Ontwikkel verpakkingsmaterialen voor hoge temperaturen met optimale thermische geleidbaarheid en thermische expansie-eigenschappen.
- Overwin de beperkingen van keramische condensatoren, sensoren en andere geïntegreerde componenten bij hoge temperaturen.
- Nieuwe koelingstechnologieën onderzoeken, zoals microkanaalkoeling en materialen met faseverandering, om de thermische prestaties van SiC-vermogensapparaten verder te verbeteren.
De conclusie is dat de ontwikkeling van geavanceerde verpakkingstechnologieën de sleutel is tot het ontsluiten van het volledige potentieel van SiC power devices. Naarmate de industrie blijft innoveren, zal SiC een steeds belangrijkere rol gaan spelen in de evolutie van vermogenselektronica en de weg vrijmaken voor een hoger rendement, hogere vermogensdichtheid en betrouwbaardere systemen.