Карбид кремния (SiC) в последние два десятилетия привлекает все большее внимание как широкополосный полупроводниковый материал для силовых устройств. По сравнению с кремнием (Si), SiC-устройства обладают значительными преимуществами, такими как более высокие пробивные электрические поля, более высокая скорость переключения, лучшая теплопроводность и более высокие рабочие температуры. Однако для реализации этих преимуществ требуются передовые технологии упаковки, позволяющие решать такие задачи, как снижение паразитной индуктивности, улучшение тепловых характеристик и обеспечение надежности при высоких температурах. В данной статье представлен обзор последних достижений в области технологий упаковки силовых SiC-приборов с акцентом на низкую паразитную индуктивность, высокотемпературную упаковку и многофункциональную интегрированную упаковку. Также обсуждаются проблемы и возможности в этих областях.
Введение:
Силовые устройства на основе карбида кремния (SiC) способны произвести революцию в силовой электронике благодаря своим лучшим свойствам материала по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Силовые устройства на основе SiC могут работать при более высоких частотах, напряжениях и температурах, что приводит к повышению эффективности и плотности мощности для различных приложений, включая электромобили, системы возобновляемой энергетики и промышленную силовую электронику. Однако эти преимущества могут быть полностью реализованы только при разработке передовых технологий упаковки, отвечающих уникальным требованиям SiC-устройств.
1. Технология упаковки с низким паразитным индуктивным сопротивлением:
Снижение паразитной индуктивности в упаковке силовых устройств SiC имеет решающее значение для достижения высокой скорости переключения и минимизации перегрузки по напряжению и электромагнитных помех (EMI). Традиционные упаковочные структуры, обычно используемые для кремниевых приборов, страдают от высокой паразитной индуктивности из-за больших контуров переключения и использования металлических проводов связи. Для решения этой проблемы было разработано несколько инновационных технологий упаковки.
1.1 Упаковка флип-чипов:
Технология упаковки микросхем с переворачиванием, например, предложенная командой Университета Арканзаса, использует металлический межсоединение для переворачивания микросхемы и подключения заднего электрода к той же плоскости, что и передний электрод. Это устраняет необходимость в соединительных проводах и значительно снижает паразитную индуктивность. Было показано, что такой подход к упаковке позволяет уменьшить размер устройства в 14 раз, а сопротивление в состоянии покоя - на 24% по сравнению с традиционной упаковкой TO-247.
1.2 Гибридная упаковка DBC+PCB:
Еще одно решение для снижения паразитной индуктивности заключается в объединении меди с прямыми связями (DBC) и печатных плат (PCB) в гибридную упаковочную структуру. Благодаря соединению поверхности микросхемы с печатной платой площадь токовой петли минимизируется, что приводит к значительному снижению паразитной индуктивности. Такая гибридная упаковка позволяет достичь значений индуктивности менее 5nH и уменьшить общий объем на 40%.
1.3 Соединение микросхем на выводах:
Использование прямого соединения выводов (DLB) для соединения чипа с выводом еще больше минимизирует площадь токовой петли, тем самым уменьшая паразитную индуктивность и улучшая характеристики температурных циклов и надежность. Эта технология упаковки устраняет необходимость в соединительных проводах, что делает ее перспективным решением для силовых устройств SiC.
1.4 Упаковка с двухсторонним охлаждением:
Технология двухстороннего охлаждения, широко используемая в силовой электронике для электромобилей, была применена к SiC-устройствам для улучшения рассеивания тепла. Благодаря использованию подложек DBC с обеих сторон чипа, в упаковке достигается одновременный отвод тепла как с верхней, так и с нижней поверхности. Это позволяет снизить тепловое сопротивление на 38% по сравнению с традиционной упаковкой.
1.5 Технология 3D-упаковки:
Технология 3D-упаковки использует преимущества вертикальной структуры SiC для снижения паразитной индуктивности. Благодаря укладке коммутационных плеч непосредственно друг на друга 3D-упаковка позволяет отказаться от лишних проводов и значительно снизить индуктивность контура до уровня менее 1nH. Этот подход позволил повысить эффективность и плотность мощности устройства.
2. Технология высокотемпературной упаковки:
Силовые приборы на основе SiC рассчитаны на работу при температурах свыше 300°C, что гораздо выше, чем у традиционных кремниевых приборов. Однако упаковочные материалы и структуры, используемые в кремниевых устройствах, не подходят для высокотемпературных применений, поскольку их надежность значительно снижается при температурах выше 150°C. Поэтому разработка упаковочных материалов, способных выдерживать высокие температуры, имеет решающее значение для успеха силовых устройств на основе SiC.
2.1 Высокотемпературные соединительные материалы:
Медные соединительные провода, которые заменяют алюминиевые провода в высокотемпературных приложениях, значительно повышают надежность силовых устройств SiC. Кроме того, изучаются возможности использования медных лент и полос, поскольку они обладают превосходной пропускной способностью по току и способностью отводить тепло, что делает их идеальными для высокотемпературных SiC-приборов.
2.2 Технология спеченного серебра:
Соединение спеченным серебром становится альтернативой традиционным методам пайки в высокотемпературных приложениях. Обладая теплопроводностью 200 Вт/(м-К), спеченное серебро обеспечивает отличную терморегуляцию и высокую температуру плавления, что делает его идеальным для силовых устройств SiC. Однако процесс оптимизации соединения спеченного серебра, в частности, в отношении давления, температуры и времени, остается областью активных исследований.
2.3 Керамические подложки и металлические базовые пластины:
Чтобы обеспечить долговременную надежность силовых устройств на SiC в условиях высоких температур, подложки и базовые пластины должны обладать высокой теплопроводностью и соответствовать коэффициенту теплового расширения (CTE) SiC. Такие материалы, как нитрид алюминия (AlN) и оксид бериллия (BeO), рассматриваются благодаря их превосходным тепловым свойствам. Однако токсичность BeO ограничивает его широкое применение, а высокая стоимость AlN остается препятствием для его внедрения.
3. Многофункциональная интегрированная технология упаковки:
Поскольку SiC-устройства стремятся к миниатюризации и повышению плотности мощности, многофункциональная интеграция становится все более важной. Интеграция конденсаторов, драйверов, датчиков и теплоотводов в упаковку имеет решающее значение для повышения общей производительности устройства.
3.1 Интегрированные конденсаторы и драйверы:
Интеграция керамических конденсаторов непосредственно в силовой модуль снижает паразитную индуктивность и улучшает общую производительность системы. Однако высокотемпературная надежность этих конденсаторов все еще остается проблемой. Аналогичным образом, интеграция драйверов затворов в модуль, как это показано в SiC интеллектуальных силовых модулях (IPM) от таких компаний, как Mitsubishi и Infineon, уменьшает размер модуля и улучшает характеристики переключения.
3.2 Интеграция датчиков и подавление электромагнитных помех:
В силовые устройства SiC интегрируются датчики температуры, тока и напряжения для мониторинга и управления в режиме реального времени, что повышает общую производительность и надежность системы. Кроме того, встроенные фильтры и экранирование EMI снижают уровень электромагнитных помех, обеспечивая соответствие промышленным стандартам.
3.3 Интеграция микроканального радиатора:
Микроканальные радиаторы интегрируются непосредственно в силовой модуль для улучшения отвода тепла. Эта технология позволяет снизить тепловое сопротивление и улучшить общие тепловые характеристики силовых устройств SiC. Интеграция микроканального охлаждения в опорную пластину модуля может привести к снижению теплового сопротивления на 34%.
4. Вызовы и перспективы:
Несмотря на прогресс в технологиях упаковки SiC, остается ряд проблем, особенно в области разработки материалов, снижения стоимости и высокотемпературной надежности. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы:
- Проверка характеристик упаковочных структур с низкой паразитной индуктивностью, особенно с точки зрения цикличности питания, термоцикличности и общей надежности.
- Разработка высокотемпературных упаковочных материалов с оптимальными свойствами теплопроводности и теплового расширения.
- Преодолевайте ограничения керамических конденсаторов, датчиков и других интегрированных компонентов при высоких температурах.
- Изучение новых технологий охлаждения, таких как микроканальное охлаждение и материалы с фазовым переходом, для дальнейшего повышения тепловых характеристик силовых устройств SiC.
В заключение следует отметить, что развитие передовых технологий упаковки является ключом к раскрытию всего потенциала силовых устройств SiC. По мере дальнейшего развития отрасли SiC будет играть все более важную роль в эволюции силовой электроники, прокладывая путь к повышению эффективности, плотности мощности и надежности систем.