Węglik krzemu (SiC) zyskał coraz większą uwagę jako materiał półprzewodnikowy o szerokim paśmie przenoszenia dla urządzeń zasilających w ciągu ostatnich dwóch dekad. W porównaniu do krzemu (Si), urządzenia SiC oferują znaczące korzyści, takie jak wyższe pola elektryczne przebicia, szybsze prędkości przełączania, lepszą przewodność cieplną i wyższe temperatury pracy. Jednak realizacja tych zalet wymaga zaawansowanych technologii pakowania, aby sprostać wyzwaniom, takim jak zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej, poprawa wydajności termicznej i zapewnienie niezawodności w wysokich temperaturach. Niniejszy artykuł zawiera przegląd najnowszych osiągnięć w zakresie technologii pakowania urządzeń SiC, koncentrując się na niskiej indukcyjności pasożytniczej, pakowaniu w wysokiej temperaturze i wielofunkcyjnym zintegrowanym opakowaniu. Omówiono również wyzwania i możliwości w tych obszarach.
Wprowadzenie:
Urządzenia zasilające z węglika krzemu (SiC) są gotowe do zrewolucjonizowania elektroniki mocy ze względu na ich doskonałe właściwości materiałowe w porównaniu do tradycyjnych urządzeń krzemowych. Urządzenia zasilające oparte na SiC mogą pracować przy wyższych częstotliwościach, napięciach i temperaturach, co skutkuje lepszą wydajnością i gęstością mocy w różnych zastosowaniach, w tym w pojazdach elektrycznych, systemach energii odnawialnej i energoelektronice przemysłowej. Zalety te można jednak w pełni wykorzystać tylko poprzez opracowanie zaawansowanych technologii pakowania, które spełniają unikalne wymagania urządzeń SiC.
1. Technologia opakowań o niskiej indukcyjności pasożytniczej:
Zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej w opakowaniach urządzeń zasilających SiC ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia szybkiego przełączania i zminimalizowania przeregulowania napięcia oraz zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Tradycyjne struktury opakowaniowe, powszechnie stosowane w urządzeniach krzemowych, cierpią z powodu wysokiej indukcyjności pasożytniczej z powodu dużych pętli przełączania i stosowania metalowych drutów łączących. Aby rozwiązać ten problem, opracowano kilka innowacyjnych technologii pakowania.
1.1 Opakowania typu Flip-Chip:
Technologia pakowania typu flip-chip, taka jak ta zaproponowana przez zespół z University of Arkansas, wykorzystuje metalowy interkonekt do odwrócenia chipa i połączenia tylnej elektrody z tą samą płaszczyzną co przednia elektroda. Eliminuje to potrzebę stosowania przewodów łączących i znacznie zmniejsza indukcyjność pasożytniczą. Wykazano, że takie podejście do pakowania zmniejsza rozmiar urządzenia 14-krotnie, a rezystancję w stanie włączenia o 24% w porównaniu z tradycyjnym opakowaniem TO-247.
1.2 Opakowanie hybrydowe DBC+PCB:
Innym rozwiązaniem mającym na celu zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej jest połączenie bezpośrednio połączonej miedzi (DBC) i płytek drukowanych (PCB) w hybrydowej strukturze opakowania. Łącząc powierzchnię chipa z płytką drukowaną, obszar pętli prądowej jest zminimalizowany, co prowadzi do znacznego zmniejszenia indukcyjności pasożytniczej. To hybrydowe opakowanie może osiągnąć wartości indukcyjności poniżej 5nH i zmniejszyć całkowitą objętość o 40%.
1.3 Chip-on-Lead Interconnection:
Zastosowanie bezpośredniego łączenia wyprowadzeń (DLB) w połączeniach chip-wyprowadzenie dodatkowo minimalizuje obszar pętli prądowej, zmniejszając w ten sposób pasożytniczą indukcyjność i poprawiając wydajność i niezawodność cykli temperaturowych. Ta technika pakowania eliminuje potrzebę stosowania przewodów łączących, co czyni ją obiecującym rozwiązaniem dla urządzeń zasilających SiC.
1.4 Opakowanie z dwustronnym chłodzeniem:
Technologia dwustronnego chłodzenia, powszechnie stosowana w energoelektronice pojazdów elektrycznych, została zastosowana w urządzeniach SiC w celu poprawy rozpraszania ciepła. Dzięki zastosowaniu substratów DBC po obu stronach chipa, pakiet osiąga jednoczesne rozpraszanie ciepła zarówno z górnej, jak i dolnej powierzchni. Zmniejsza to opór cieplny o 38% w porównaniu z tradycyjnym opakowaniem.
1.5 Technologia opakowań 3D:
Technologia pakowania 3D wykorzystuje pionową strukturę SiC w celu zmniejszenia indukcyjności pasożytniczej. Układając ramiona przełączające bezpośrednio jedno na drugim, pakowanie 3D eliminuje niepotrzebne okablowanie i znacznie zmniejsza indukcyjność pętli do poniżej 1nH. Wykazano, że takie podejście poprawia zarówno wydajność, jak i gęstość mocy urządzenia.
2. Technologia opakowań wysokotemperaturowych:
Urządzenia SiC są zaprojektowane do pracy w temperaturach przekraczających 300°C, czyli znacznie wyższych niż tradycyjne urządzenia krzemowe. Jednak materiały i struktury opakowaniowe stosowane w urządzeniach krzemowych nie nadają się do zastosowań wysokotemperaturowych, ponieważ ich niezawodność znacznie spada powyżej 150°C. Dlatego opracowanie materiałów opakowaniowych, które mogą wytrzymać wysokie temperatury, ma kluczowe znaczenie dla sukcesu urządzeń zasilających SiC.
2.1 Wysokotemperaturowe materiały połączeniowe:
Miedziane przewody łączące, które zastępują przewody aluminiowe w zastosowaniach wysokotemperaturowych, znacznie poprawiają niezawodność urządzeń zasilających SiC. Dodatkowo, taśmy i opaski miedziane są badane pod kątem ich doskonałej obciążalności prądowej i zdolności rozpraszania ciepła, co czyni je idealnymi do zastosowań SiC w wysokich temperaturach.
2.2 Technologia spiekanego srebra:
Spajanie srebrem spiekanym staje się alternatywą dla tradycyjnych technik lutowania w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Dzięki przewodności cieplnej na poziomie 200 W/(m-K), spiekane srebro zapewnia doskonałe zarządzanie temperaturą i wysoką temperaturę topnienia, co czyni je idealnym rozwiązaniem dla urządzeń SiC. Jednak proces optymalizacji łączenia spiekanego srebra - w szczególności w odniesieniu do ciśnienia, temperatury i czasu - pozostaje obszarem aktywnych badań.
2.3 Podłoża ceramiczne i metalowe płyty bazowe:
Aby zapewnić długoterminową niezawodność urządzeń zasilających SiC w środowiskach o wysokiej temperaturze, podłoża i płyty bazowe muszą wykazywać wysoką przewodność cieplną i odpowiadać współczynnikowi rozszerzalności cieplnej (CTE) SiC. Materiały takie jak azotek glinu (AlN) i tlenek berylu (BeO) są rozważane ze względu na ich doskonałe właściwości termiczne. Jednak toksyczność BeO ogranicza jego powszechne zastosowanie, a wysoki koszt AlN pozostaje barierą dla jego przyjęcia.
3. Wielofunkcyjna technologia zintegrowanych opakowań:
Ponieważ urządzenia SiC dążą do miniaturyzacji i większej gęstości mocy, wielofunkcyjna integracja staje się coraz ważniejsza. Integracja kondensatorów, sterowników, czujników i radiatorów w opakowaniu ma kluczowe znaczenie dla poprawy ogólnej wydajności urządzenia.
3.1 Zintegrowane kondensatory i sterowniki:
Integracja kondensatorów ceramicznych bezpośrednio w module zasilania zmniejsza indukcyjność pasożytniczą i poprawia ogólną wydajność systemu. Wyzwaniem pozostaje jednak niezawodność tych kondensatorów w wysokich temperaturach. Podobnie, integracja sterowników bramek w module, jak widać w inteligentnych modułach mocy SiC (IPM) firm takich jak Mitsubishi i Infineon, zmniejsza rozmiar modułu i poprawia wydajność przełączania.
3.2 Integracja czujników i ograniczanie zakłóceń elektromagnetycznych:
Czujniki temperatury, prądu i napięcia są zintegrowane z urządzeniami zasilającymi SiC, aby zapewnić monitorowanie i kontrolę w czasie rzeczywistym, zwiększając ogólną wydajność i niezawodność systemu. Dodatkowo, filtry EMI i ekranowanie są zintegrowane w celu złagodzenia zakłóceń elektromagnetycznych, zapewniając zgodność z normami branżowymi.
3.3 Integracja radiatora mikrokanałowego:
Mikrokanalikowe radiatory są integrowane bezpośrednio z modułem zasilania w celu poprawy rozpraszania ciepła. Technologia ta zmniejsza opór cieplny i poprawia ogólną wydajność termiczną urządzeń zasilających SiC. Integracja chłodzenia mikrokanałowego w płycie bazowej modułu może skutkować zmniejszeniem oporu cieplnego o 34%.
4. Wyzwania i perspektywy na przyszłość:
Pomimo postępu w technologiach pakowania SiC, pozostaje kilka wyzwań, szczególnie w obszarach rozwoju materiałów, redukcji kosztów i niezawodności w wysokich temperaturach. Potrzebne są dalsze badania, aby:
- Weryfikacja wydajności struktur opakowaniowych o niskiej indukcyjności pasożytniczej, zwłaszcza pod względem cykli zasilania, cykli termicznych i ogólnej niezawodności.
- Opracowanie wysokotemperaturowych materiałów opakowaniowych o optymalnej przewodności cieplnej i właściwościach rozszerzalności cieplnej.
- Pokonaj ograniczenia kondensatorów ceramicznych, czujników i innych zintegrowanych komponentów w wysokich temperaturach.
- Zbadanie nowych technologii chłodzenia, takich jak chłodzenie mikrokanałowe i materiały zmiennofazowe, w celu dalszej poprawy wydajności termicznej urządzeń zasilających SiC.
Podsumowując, rozwój zaawansowanych technologii pakowania jest kluczem do uwolnienia pełnego potencjału urządzeń SiC. Ponieważ branża nadal wprowadza innowacje, SiC będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w ewolucji elektroniki mocy, torując drogę do wyższej wydajności, większej gęstości mocy i bardziej niezawodnych systemów.