??? 摘 要: 分析了傳統(tǒng)大功率電力電子" title="電力電子">電力電子器件普遍采用的封裝結(jié)構(gòu)和互連方式存在的問題,對目前電力電子集成模塊的集成與封裝技術(shù)" title="封裝技術(shù)">封裝技術(shù)進(jìn)行了分類和比較,介紹了各種新型封裝結(jié)構(gòu)與互連方式的原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。
??? 關(guān)鍵詞: 電力電子集成? 封裝? 互連
?
??? 如何使電力電子裝置的效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低、更加可靠耐用,長期以來一直是各設(shè)計、生產(chǎn)者不斷努力和追求的方向。解決這一問題最為有效的途徑,是采用系統(tǒng)集成的方法使多種電力電子器件組合成為標(biāo)準(zhǔn)化模塊,并封裝為一體,構(gòu)成集成電力電子模塊[1]。
??? 集成電力電子模塊既不是某種特殊的半導(dǎo)體器件,也不是一種無源元件。它是按照最優(yōu)化電路拓?fù)浜拖到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的原則而設(shè)計出的包含多種器件的集成組件或模塊。除了具備有功率半導(dǎo)體器件外,還包含驅(qū)動電路、控制電路、傳感器、保護(hù)電路、輔助電源及無源元件。
??? 集成與封裝技術(shù)作為電力電子集成模塊的一個重點研究方向,主要研究模塊的集成和封裝工藝。目前已有越來越多的學(xué)者認(rèn)識到,能否真正將集成模塊的概念付諸實現(xiàn),在很大程度上取決于集成和封裝的工藝技術(shù)。
1 傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)與互連方式存在的主要問題
1.1 封裝技術(shù)是研究電力電子集成模塊的核心問題
??? 電力電子集成的基本思路可以分成單片集成和多芯片混合集成兩種。由于高壓、大電流的主電路和其它低壓、小電流電路的集成工藝完全不同,還有高壓隔離和傳熱的問題,因此,目前僅在數(shù)十瓦的功率范圍內(nèi)實現(xiàn)了單片集成。電力電子集成封裝技術(shù)的主要發(fā)展方向為混合集成,即將不同工藝的硅片封裝在一個模塊中。
??? 混合集成中,首先面臨的是集成模塊的封裝問題。與普通IC不同,集成模塊的封裝更主要是使模塊具備更大的電流承載能力,更高的功率密度和更高效的散熱能力。另一方面,對集成模塊封裝技術(shù)的研究是研究與之相關(guān)的各類問題的基礎(chǔ)和平臺。主電路、控制電路等的優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn),模塊內(nèi)的電磁兼容問題、寄生參數(shù)等的分析,控制、傳感技術(shù)以及高效的散熱方式等等,幾乎所有相關(guān)研究都必須在此基礎(chǔ)上展開。
??? 具體到封裝技術(shù),又涉及模塊的封裝結(jié)構(gòu)、模塊內(nèi)芯片與基板" title="基板">基板的互連方式、各類封裝材料(導(dǎo)熱、填充、絕緣)的選取、制備的工藝流程等許多問題。由于集成模塊無論在功能和結(jié)構(gòu)上都與傳統(tǒng)IC或功率器件存在巨大差異,因此新型的模塊封裝結(jié)構(gòu)和與之相適應(yīng)的引線工藝又是封裝技術(shù)中重點并且首先需要研究的問題。
1.2 傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)與互連方式存在的主要問題
??? 傳統(tǒng)的電力電子器件或模塊,雖然外形封裝樣式多種多樣,但其采用的封裝結(jié)構(gòu)形式以平面型為主。然而對于電力電子集成模塊,由于隔離和散熱等問題,難以將功率芯片" title="功率芯片">功率芯片、控制芯片等多個不同工藝的硅片采用平面型結(jié)構(gòu)安裝在同一塊底板上。
??? 引線工藝主要解決裸芯片的各電極如何與基板互連的問題。傳統(tǒng)電力電子器件采用的互連工藝主要有鍵合與壓接兩種方式。前者適用于電流容量為50～600A的器件,由于工藝成熟、成本低,應(yīng)用較為廣泛;后者適用于電流超過500～3000A的器件。然而,這兩種互連方式由于其固有的缺陷,均不能簡單照搬到電力電子集成模塊上。其中壓接方式的缺陷主要體現(xiàn)在對管芯、壓塊、底板等零件平整度要求很高,否則不僅使模塊的接觸熱阻增大,而且會損傷芯片,嚴(yán)重時使芯片碎裂;要保證施加合適的壓力,壓力過大,會損傷芯片;壓力過小,不僅使正向峰值壓降、熱阻增大,而且會使這兩個參數(shù)不穩(wěn)定;由于熱應(yīng)力會使彈簧片等緊固件發(fā)生較大的塑性形變,使加在芯片上的壓力發(fā)生變化,造成正向峰值壓降和熱阻不穩(wěn)定;工藝設(shè)備復(fù)雜,成本高,殼內(nèi)零件較多易引起芯片沾污。
??? 引線鍵合技術(shù)本身存在諸多技術(shù)缺陷表現(xiàn)在:多根引線并聯(lián)會產(chǎn)生鄰近效應(yīng),導(dǎo)致同一硅片的鍵合線之間或同一模塊內(nèi)的不同硅片的鍵合線之間電流分布不均;由于高頻大電流通過互相平行的引線產(chǎn)生電磁場,由此形成的電磁力容易造成引線老化;引線鍵合工藝的寄生電感很大,會給器件帶來較高的開關(guān)過電壓,形成開關(guān)應(yīng)力;引線本身很細(xì),又普遍采用平面封裝結(jié)構(gòu),傳熱性能不夠好;引線和硅片作為不同的材料,二者熱膨脹系數(shù)的差異會產(chǎn)生熱應(yīng)力等等。
??? 因此,低寄生參數(shù)、高性能、能有效傳熱、高可靠性的新型電力電子集成模塊的封裝結(jié)構(gòu)和互連方式成為電力電子模塊集成工藝中研究的主要問題。
2 新型封裝結(jié)構(gòu)與互連方式的研究現(xiàn)狀
??? 為了獲得高性能的電力電子集成模塊,以混合封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的多芯片模塊(Multi-Chip Module——MCM)封裝是目前國際上該領(lǐng)域研究的主流方向。隨著三維混合封裝技術(shù)的發(fā)展,目前的MCM已不只局限于將幾塊芯片平面安裝在一塊襯底上,而是采用埋置、有源基板或疊層技術(shù),在三維空間內(nèi)將多個不同工藝的芯片互連形成完整功能的模塊。
??? 將MCM技術(shù)用于電力電子集成封裝的研究,核心內(nèi)容是研究具有高載流能力、低漏感、高可靠性、三維傳熱能力和低成本、便于制造的互連和封裝工藝,從而解決寄生參數(shù)、散熱和可靠性問題。目前,國際上已提出多種技術(shù)方案,根據(jù)其互連方式大體可以劃分為兩類:以焊接技術(shù)為基礎(chǔ)的互連工藝和以沉積金屬膜(薄膜或厚膜)為基礎(chǔ)的互連工藝。
2.1 焊接技術(shù)為基礎(chǔ)的互連工藝
??? 以焊接技術(shù)為基礎(chǔ)的互連工藝普遍采用疊層型三維封裝結(jié)構(gòu),即把多個裸芯片或多芯片模塊(MCM)沿Z軸層層疊裝、互連,組成三維封裝結(jié)構(gòu)。疊層型三維封裝的優(yōu)點是工藝相對簡單,成本相對較低,關(guān)鍵是解決各層間的垂直互連問題。根據(jù)集成功率模塊的特殊性,主要利用焊接工藝將焊料凸點、金屬柱等焊接在芯片的電極引出端,并與任一基板或芯片互連。目前的技術(shù)方案包括焊料凸點互連(Solder Ball Interconnect)和金屬柱互連平行板結(jié)構(gòu)(Metal Posts Interconnected Parallel Plate Structures——MPIPPS)等。
??? (1)焊料凸點互連(Solder Ball Interconnect)
??? 該技術(shù)利用焊料凸點代替引線構(gòu)成芯片電極的引出端,并常與倒裝芯片技術(shù)(Flip-Chip Technology)結(jié)合,以進(jìn)一步縮短引線間距。倒裝芯片技術(shù)是在芯片的輸入/輸出端利用平面工藝制成焊料凸點焊球,將芯片面朝下,直接貼裝在基片上,利用回流焊工藝使芯片焊球和基板焊盤之間形成焊點" title="焊點">焊點,實現(xiàn)芯片與基板的電、熱、機(jī)械連接。焊料凸點互連的優(yōu)點在于省略了芯片和基板之間的引線,起電連接作用的焊點路徑短、接觸面積大、寄生電感/電容小,封裝密度高。
??? 圖1所示為采用焊料凸點互連的集成電力電子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖[2]。在模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了柔性電路板,并與倒裝芯片技術(shù)相結(jié)合,使功率芯片借助焊料凸點倒扣在柔性電路板上,而芯片的另一面經(jīng)DBC板與散熱器固定。應(yīng)用焊料凸點互連方式的集成功率模塊的缺點在于:由于芯片的熱膨脹系數(shù)和底板的熱膨脹系數(shù)存在熱膨脹失配,因此在芯片服役(工作時發(fā)熱,不工作時冷卻)中,熱膨脹失配嚴(yán)重。在熱循環(huán)加載下,焊點內(nèi)產(chǎn)生很大的周期性塑性形變,萌生裂縫并擴(kuò)展,使焊點很快疲勞失效。
?
文獻(xiàn)[3]對焊料凸點互連技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。一方面通過應(yīng)用底充膠(underfill)技術(shù),即在芯片和基板間隙填充聚合物,機(jī)械耦合了芯片與基板的熱膨脹失配,提高焊點壽命;另一方面將焊料凸點互連技術(shù)與球柵陣列封裝(Ball Grid Array——BGA)相結(jié)合,進(jìn)一步減小了集成模塊的電氣寄生參數(shù),提高了散熱性能。圖2為采用球柵陣列工藝技術(shù)構(gòu)成的集成電力電子模塊。除采用類似的三維疊層封裝結(jié)構(gòu)外,由于是在硅片表面以陣列方式制出球形觸點作為引腳,不僅使封裝尺寸更為縮小,達(dá)到與芯片尺寸封裝(Chip Scale Package——CSP)接近的封裝密度,而且解決了確保獲得好的芯片(know good die——KGD)的問題,使功率芯片可以象普通芯片一樣進(jìn)行測試?yán)匣Y選,成品率更有保證。
?
??? (2)金屬柱互連平行板結(jié)構(gòu)(Metal Posts Interconnected Parallel Plate Structures——MPIPPS)
??? 圖3所示為金屬柱互連平行板結(jié)構(gòu)的封裝示意圖[4]。在硅片的正反兩面上下各有一層互相平行的陶瓷覆銅板(Direct Bond Copper——DBC)。DBC板上都預(yù)先刻蝕有相應(yīng)的電路。硅片的底面直接焊接在DBC板上,而硅片正面的電極是通過直接鍵合的金屬柱引出,與上DBC板構(gòu)成電氣連接,即借助金屬柱完成了硅片之間及上下DBC板之間的互連。上DBC板作為一雙面基板,安裝驅(qū)動、保護(hù)等元件構(gòu)成控制電路,與下DBC板的功率電路共同組成具備獨(dú)立完整功能的集成電力電子模塊。
?
??? (3)其他互連方式
??? 類似的以焊接技術(shù)為基礎(chǔ)的互連方式還包括仙童公司的球柵陣列MOSFET[5],摩托羅拉公司的多芯片機(jī)械電子功率封裝(Multichip Mechatronics Power Package)[6],CPES的凹陷陣列互連(Dimple Array Interconnect—DAI)[7]等。其中DAI技術(shù)是在銅帶上制作類似球柵陣列的凹陷陣列,將凹陷的凸起作為芯片的互連引線。與凸焊點相比,凹陷陣列的凸起高度可以做的更高,使互連更加可靠,在銅帶上制作凹陷的工藝相對也較為簡單。
2.2 沉積金屬膜為基礎(chǔ)的互連工藝
??? 以沉積金屬膜為基礎(chǔ)的互連工藝多采用埋置型三維封裝結(jié)構(gòu),即在各類基板或介質(zhì)中埋置裸芯片,頂層再貼裝表貼元件及芯片來實現(xiàn)三維封裝結(jié)構(gòu)。典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。其特點是蒸鍍或濺射的金屬膜不僅與芯片的電極相連,而且可以構(gòu)成電路圖形,并連至其他電路。
?
??? 其最大優(yōu)點是能大大減少焊點,縮短引線間距,進(jìn)而減小寄生參數(shù)。表1所示為幾種互連工藝的寄生參數(shù)比較[8]。可以看出,不論寄生電感還是等效電阻,沉積金屬膜為基礎(chǔ)的互連工藝都是最低的。另外,這種互連工藝采用的埋置型三維封裝結(jié)構(gòu)能夠增大芯片的有效散熱面積,熱量耗散可以沿模塊的各個方向流動,有利于進(jìn)一步提高集成模塊的功率密度。
?
??? 以沉積金屬膜為基礎(chǔ)的互連工藝有:薄膜覆蓋技術(shù)和嵌入式封裝等。
??? (1)薄膜覆蓋技術(shù)(Thin Film Power Overlay Technology)
??? 圖5為采用薄膜覆蓋技術(shù)構(gòu)成的功率模塊的結(jié)構(gòu)示意[8]。首先在功率芯片上涂覆聚酰亞胺介質(zhì)薄膜。之后利用激光在薄膜上燒灼過孔,與下面芯片的電極相通。再用濺射法使過孔金屬化,然后涂覆金屬層,并圖形化。最上層表貼驅(qū)動、控制、保護(hù)元件。薄膜覆蓋技術(shù)的優(yōu)點是能夠制作耐壓等級高、電流大、高效散熱的集成功率模塊。
?
??? (2)嵌入式封裝(Embedded Power Technology)
??? 圖6為嵌入式封裝的結(jié)構(gòu)示意圖[9]。首先在陶瓷框架上刻蝕出空洞,功率芯片被埋設(shè)在陶瓷框架的空洞內(nèi),之后,在其上部利用絲網(wǎng)漏印、光刻等技術(shù)分別涂覆介質(zhì)薄膜以及金屬膜并使之圖形化,最后,集成模塊的驅(qū)動、控制、保護(hù)元件以表貼或膜式元件的形式粘附在最上層。嵌入式封裝結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是可以大為縮小模塊的體積,繼而提高模塊的功率密度。和焊接技術(shù)為基礎(chǔ)的互連工藝相比,芯片電極引出線的距離更短,相應(yīng)的寄生參數(shù)也更小。
?
??? 針對電力電子集成模塊的新型集成與封裝技術(shù)的研究是電力電子集成領(lǐng)域的研究重點。傳統(tǒng)的平板型、螺栓型等封裝結(jié)構(gòu)以及引線鍵合、壓接等互連方式由于存在各種缺陷,不適用于電力電子集成模塊。以MCM為基礎(chǔ)的三維封裝技術(shù)具有組裝密度高、寄生參數(shù)小、功耗低等優(yōu)點,成為集成模塊的發(fā)展方向。其中,以焊接技術(shù)為基礎(chǔ)的互連方法工藝相對簡單,成本相對較低;以沉積金屬膜為基礎(chǔ)的互連方法結(jié)構(gòu)更緊湊,寄生參數(shù)更小,更利于三維散熱,但工藝較為復(fù)雜。
參考文獻(xiàn)
1 J. D. Van Wyk, Fred C. Lee. Power Electronics Technology at the Down of the new Millennium——Status and Future,Power Electronics Specialists Conference, 1999,PESC 99.?30th Annual IEEE, Vol. 1, pp 3-12
2 Xiao, Y.; et al. Flip-chip flex-circuit packaging for power electronics.Power Semiconductor Devices and ICs,2001.ISPSD '01.Proceedings of the 13th International Symposium on, 2001 Page(s):?55-58
3 Xingsheng Liu; et al. Chip-scale packaging of power devices and its application in?integrated power electronics modules. Advanced Packaging, IEEE Transactions on,Volume:24 Issue:2, May 2001 Page(s):206-215
4 Haque, S.; et al. An innovative technique for packaging?power electronic building blocks using metal posts interconnected parallel plate structures. Advanced Packaging,IEEE Transactions on,Volume: 22 Issue: 2, May 1999?Page(s):136-144
5 Joshi, R., et al. MOSFET BGA package. Electronic?Components & Technology Conference, 2000. 2000 Proceedings. Page(s): 944-947
6 Paulasto, et al. Flip chip die attach development for?multichip mechatronics power packages. Electronics Manufacturing Technology Symposium,1999.Twenty-Fourth IEEE/CPMT, 1999 Page(s):433-439
7 Wen, S.S., et al. Dimple-array interconnect technique for packaging power semiconductor devices and modules. Power Semiconductor Devices and ICs, 2001. ISPSD '01. Proceedings of the 13th International Symposium on, 2001?Page(s): 69-74
8 Fisher, R.; et al. High frequency, low cost, power packaging using thin film power overlay technology. Applied?Power Electronics Conference and Exposition, 1995. APEC '95. Conference Proceedings 1995., Tenth Annual Part:1,1995 Page(s):12-17 vol.1
9 Liang, Z.; Lee, F.C.? Embedded power technology for?IPEMs packaging applications. Applied Power Electronics?Conference and Exposition,2001. APEC 2001. Sixteenth?Annual IEEE, Volume: 2, 2001 Page(s):1057-1061 vol.2