Kiselkarbid (SiC) har under de senaste två decennierna fått allt större uppmärksamhet som halvledarmaterial med brett bandgap för kraftelektronik. Jämfört med kisel (Si) erbjuder SiC-enheter betydande fördelar som högre elektriska fält vid nedbrytning, snabbare växlingshastigheter, bättre värmeledningsförmåga och högre driftstemperaturer. För att dessa fördelar ska kunna realiseras krävs dock avancerad förpackningsteknik för att hantera utmaningar som att minska parasitisk induktans, förbättra termisk prestanda och säkerställa tillförlitlighet vid höga temperaturer. Den här artikeln ger en översikt över den senaste utvecklingen inom förpackningsteknik för SiC-enheter, med fokus på låg parasitisk induktans, högtemperaturförpackningar och multifunktionella integrerade förpackningar. Utmaningarna och möjligheterna inom dessa områden diskuteras också.
Inledning:
Kraftkomponenter av kiselkarbid (SiC) är på väg att revolutionera kraftelektroniken tack vare sina överlägsna materialegenskaper jämfört med traditionella kiselkomponenter. SiC-baserade kraftkomponenter kan arbeta vid högre frekvenser, spänningar och temperaturer, vilket ger förbättrad effektivitet och effekttäthet för olika tillämpningar, bland annat elfordon, system för förnybar energi och industriell kraftelektronik. Dessa fördelar kan dock bara utnyttjas fullt ut genom utveckling av avancerade förpackningstekniker som uppfyller de unika kraven för SiC-enheter.
1. Förpackningsteknik med låg parasitisk induktans:
Att minska den parasitära induktansen i kapslingen av SiC-strömförsörjningsenheter är avgörande för att uppnå höghastighetsväxling och minimera spänningsöverslag och elektromagnetisk interferens (EMI). Traditionella förpackningsstrukturer, som ofta används för kiselenheter, har hög parasitisk induktans på grund av stora kopplingsöglor och användning av metalltrådar. För att komma till rätta med detta problem har flera innovativa förpackningstekniker utvecklats.
1.1 Flip-Chip-förpackning:
Förpackningstekniken för flip-chip, som den som föreslås av teamet från University of Arkansas, använder en metallkoppling för att flippa chippet och ansluta baksideselektroden till samma plan som frontelektroden. Detta eliminerar behovet av bondtrådar och minskar den parasitiska induktansen avsevärt. Den här förpackningsmetoden har visat sig kunna minska enhetens storlek med 14 gånger och on-state-motståndet med 24% jämfört med traditionell TO-247-förpackning.
1.2 Hybridförpackningar av typen DBC+PCB:
En annan lösning för att minska parasitisk induktans är att kombinera Direct Bonded Copper (DBC) och mönsterkort (PCB) i en hybridförpackningsstruktur. Genom att ansluta chipets yta till kretskortet minimeras området för strömslingan, vilket leder till en betydande minskning av den parasitära induktansen. Denna hybridförpackning kan uppnå induktansvärden under 5nH och minska den totala volymen med 40%.
1.3 Sammankoppling av chip på ledare:
Genom att använda DLB (Direct Lead Bonding) för anslutningar mellan chip och ledare minimeras strömloopområdet ytterligare, vilket minskar parasitisk induktans och förbättrar prestanda och tillförlitlighet vid temperaturcykler. Denna förpackningsteknik eliminerar behovet av bondtrådar, vilket gör den till en lovande lösning för SiC-strömförsörjningsenheter.
1.4 Dubbelsidig kylning Förpackning:
Dubbelsidig kylningsteknik, som ofta används i kraftelektronik för elfordon, har tillämpats på SiC-enheter för att förbättra värmeavledningen. Genom att använda DBC-substrat på båda sidor av chipet får man en samtidig värmeavledning från både ovansidan och undersidan. Detta minskar det termiska motståndet med 38% jämfört med traditionella kapslingar.
1.5 3D-förpackningsteknik:
3D-paketeringstekniken utnyttjar SiC:s vertikala struktur för att minska parasitisk induktans. Genom att stapla kopplingsarmarna direkt ovanpå varandra eliminerar 3D-paketering onödig kabeldragning och minskar loopinduktansen avsevärt till under 1nH. Detta tillvägagångssätt har visat sig förbättra både effektiviteten och effekttätheten hos enheten.
2. Förpackningsteknik för höga temperaturer:
SiC-kraftkretsar är konstruerade för att arbeta i temperaturer över 300°C, vilket är mycket högre än traditionella kiselkretsar. De förpackningsmaterial och strukturer som används i kiselkretsar är dock inte lämpliga för högtemperaturtillämpningar, eftersom deras tillförlitlighet minskar avsevärt över 150°C. Därför är utvecklingen av förpackningsmaterial som tål höga temperaturer avgörande för att SiC-enheter ska bli framgångsrika.
2.1 Material för högtemperaturförbindning:
Kopparbindningstrådar, som ersätter aluminiumtrådar i högtemperaturapplikationer, förbättrar avsevärt tillförlitligheten hos SiC-kraftaggregat. Dessutom undersöks kopparband och -tejper för deras överlägsna strömförande kapacitet och värmeavledningsförmåga, vilket gör dem idealiska för SiC-applikationer med höga temperaturer.
2.2 Tekniken för sintrat silver:
Bondning med sinterat silver håller på att utvecklas till ett alternativ till traditionella lödtekniker för högtemperaturapplikationer. Med en värmeledningsförmåga på 200 W/(m-K) ger sintrat silver utmärkt termisk hantering och höga smältpunkter, vilket gör det idealiskt för SiC-kraftaggregat. Processen för att optimera bindningen av sintrat silver - särskilt när det gäller tryck, temperatur och tid - är dock fortfarande ett område för aktiv forskning.
2.3 Keramiska substrat och metallbasplattor:
För att säkerställa SiC-kraftenheternas långsiktiga tillförlitlighet i miljöer med höga temperaturer måste substraten och basplattorna ha hög värmeledningsförmåga och matcha SiC:s termiska expansionskoefficient (CTE). Material som aluminiumnitrid (AlN) och berylliumoxid (BeO) övervägs på grund av deras utmärkta termiska egenskaper. BeO:s toxicitet begränsar dock dess utbredda användning, och AlN:s höga kostnad är fortfarande ett hinder för dess införande.
3. Multifunktionell integrerad förpackningsteknik:
I takt med att SiC-komponenterna drivs mot miniatyrisering och högre effekttäthet blir multifunktionell integration allt viktigare. Integrationen av kondensatorer, drivdon, sensorer och kylflänsar i förpackningen är avgörande för att förbättra enhetens övergripande prestanda.
3.1 Integrerade kondensatorer och drivkrafter:
Integreringen av keramiska kondensatorer direkt i kraftmodulen minskar den parasitära induktansen och förbättrar systemets prestanda. Dessa kondensatorers tillförlitlighet vid höga temperaturer är dock fortfarande en utmaning. Genom att integrera grinddrivdon i modulen, som i SiC Intelligent Power Modules (IPM) från företag som Mitsubishi och Infineon, minskar modulens storlek och switchningsprestandan förbättras.
3.2 Sensorintegrering och EMI-mildring:
Temperatur-, ström- och spänningssensorer integreras i SiC-strömförsörjningsenheter för att ge övervakning och kontroll i realtid, vilket förbättrar systemets övergripande prestanda och tillförlitlighet. Dessutom integreras EMI-filter och avskärmning för att minska elektromagnetiska störningar och säkerställa överensstämmelse med industristandarder.
3.3 Integrering av kylflänsar med mikrokanaler:
Kylflänsar med mikrokanaler integreras direkt i effektmodulen för att förbättra värmeavledningen. Den här tekniken minskar det termiska motståndet och förbättrar SiC-strömförsörjningsenheternas totala termiska prestanda. Integreringen av mikrokanalkylning i modulens bottenplatta kan resultera i en minskning av värmemotståndet med 34%.
4. Utmaningar och framtidsutsikter:
Trots framstegen inom förpackningstekniken för SiC kvarstår flera utmaningar, särskilt inom områdena materialutveckling, kostnadsminskning och tillförlitlighet vid höga temperaturer. Ytterligare forskning behövs för att:
- Validera prestandan hos förpackningsstrukturer med låg parasitisk induktans, särskilt när det gäller strömcykling, termisk cykling och övergripande tillförlitlighet.
- Utveckla förpackningsmaterial för höga temperaturer med optimal värmeledningsförmåga och termiska expansionsegenskaper.
- Övervinn begränsningarna hos keramiska kondensatorer, sensorer och andra integrerade komponenter vid höga temperaturer.
- Utforska nya kyltekniker, t.ex. mikrokanalkylning och fasändringsmaterial, för att ytterligare förbättra SiC-kraftenheternas termiska prestanda.
Sammanfattningsvis är utvecklingen av avancerad förpackningsteknik nyckeln till att frigöra den fulla potentialen hos SiC-kraftkomponenter. I takt med att industrin fortsätter att förnya sig kommer SiC att spela en allt viktigare roll i utvecklingen av kraftelektronik och bana väg för högre effektivitet, högre effekttäthet och mer tillförlitliga system.