PCB뉴스 - 탄화규소 파워모듈 패키징 개발

글로벌 자동차 전동화 물결 속에서 자동차 반도체 분야의 전력전자소자는 자동차 전동화의 핵심 부품으로 자리잡고 있습니다. 자동차용 전력 모듈은 실리콘 기반 IGBT 시대부터 실리콘 카바이드 MOSFET을 핵심으로 점차 개발 단계에 진입했습니다. 탄화규소의 밴드갭 폭은 실리콘 기반 물질의 약 3배이고, 임계 항복 전계 강도는 실리콘 기반 물질의 약 10배이며, 열전도도는 실리콘 기반 물질의 약 3배이며, 전자는 포화 드리프트 속도는 실리콘 기반 재료의 약 10배입니다. 실리콘 기반 장치와 비교하여 실리콘 카바이드 소재의 고전압, 고온 및 고주파 특성은 보다 엄격한 작업 조건에서 사용할 수 있으며 효율성과 전력 밀도를 크게 향상시키고 비용, 부피, 그리고 애플리케이션의 무게.

전기 자동차에서 실리콘 카바이드 전력 장치의 적용은 주로 두 방향으로 이루어지며, 하나는 모터 구동 인버터(모터 컨트롤러)에 사용되고 다른 하나는 주로 전력 변환 시스템(차량 DC/ DC), 온보드 충전 시스템(OBC), 온보드 에어컨 시스템(PTC 및 공기 압축기) 등

모터 컨트롤러에서 실리콘 기반 IGBT를 실리콘 카바이드 MOS로 교체하면 모터 컨트롤러의 효율성이 향상됩니다. NEDC 작동 조건에서 배터리 수명에 대한 기여도는 3%-8% 증가하므로 전자 제어 애플리케이션은 다음과 같습니다. 실리콘 카바이드 장치에 대한 수요가 가장 시급합니다. 동시에 신에너지 자동차 시장이 고전압 고속 충전 기술을 적용하는 고전압 플랫폼을 적극적으로 장려함에 따라 실리콘 기반 IGBT는 대처하기가 매우 어렵고 실리콘 카바이드 MOS로 대체됩니다. 이는 차세대 전자 제어 시스템에서 탄화 규소 전력 장치의 핵심이자 대체 불가능한 상태를 더욱 확증합니다.

현재 탄화규소 전력 모듈 패키징에는 여러 가지 방향이 있습니다.

1. 더 높은 온도 변화를 견딜 수 있도록 더욱 발전된 연결 재료 및 연결 프로세스.

세 가지 유형의 세라믹 동박 적층판이 주로 전력 모듈에 사용됩니다. AI2O3-DBC는 내열성이 가장 높지만 제조 비용은 가장 낮습니다. AlN-DBC는 내열성이 가장 낮지만 인성이 낮습니다. Si3N4-AMB 세라믹 소재는 중간 수준의 내열성, 우수한 인성, 더 나은 열용량 매개변수 및 AlN 및 AI2O3를 훨씬 능가하는 신뢰성을 갖추고 있어 모듈의 방열 용량, 전류 용량 및 전력 밀도를 크게 향상시켜 매우 적합합니다. 자동차 등급 실리콘 카바이드 모듈 애플리케이션용.

2. 장치의 고주파 특성에 적응하기 위해 부유 인덕턴스를 줄이기 위한 더 짧은 연결 경로와 고급 연결 기술입니다. 은 소결은 현재 실리콘 카바이드 모듈 분야에서 가장 진보된 용접 기술로, 고온 및 저온 사용 시나리오에 대한 자동차 등급 전력 모듈의 엄격한 요구 사항을 완벽하게 충족할 수 있습니다. 기존 납땜 기술과 비교하여 은 소결은 공극 없음, 저온 소결 및 고온 서비스를 달성할 수 있으며 납땜 층의 두께는 고온 장치 상호 연결에 적합합니다. 열적 특성은 주석 땜납보다 우수하고 전도도는 5~6배, 열 전도도는 3~4배 증가합니다. 많은 회사에서는 전원 모듈 내부의 모든 기존 납땜을 칩, 저항기, 센서 등을 포함한 은 소결 공정으로 업그레이드하고 반복하려고 노력해 왔습니다. 모듈의 전기적 성능과 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 시도한 방향은 DTS+TCB(Die Top System + Thick Cu Bonding) 기술을 사용해 두꺼운 구리선을 AMB 기판에 용접하고 칩 표면의 구리를 용접하는 것이다. 상온 조건에서 초음파 용접을 통해 칩을 접착하고 연결하여 칩 사이를 전기적으로 연결합니다. 알루미늄 와이어 본딩과 비교하여 모듈 수명을 3배 이상 늘릴 수 있으며 전류 및 열전도도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

3. 더 나은 시스템 열 관리를 위해 더욱 통합된 패키지 구조 설계 및 회로 토폴로지. 모듈 제품의 열 경로 설계를 더욱 콤팩트하게 만들고, 인버터 시스템 통합 설계를 더욱 콤팩트하고 효율적으로 만들고, 전체 시스템 인버터 비용을 더욱 절감하기 위해 포장 형태를 변경하여 방열 및 흐름 용량을 향상시킬 수 있습니다. 다중 칩 병렬 연결의 내부 구조를 채택하여 각 병렬 주 회로와 구동 회로의 매개변수는 기본적으로 동일하므로 병렬 칩의 전류 공유를 최대한 보장합니다. 모듈 내부에는 온도 센서(PTC)가 패키징되어 있으며, PTC는 칩과 가까운 모듈 중앙에 설치되어 긴밀한 열 결합을 통해 모듈 온도를 쉽고 정확하게 측정할 수 있습니다.

일반적인 탄화규소 포장 구조:

1. 단일 튜브 플립칩 칩 패키징, 단일 튜브 플립칩 칩 패키징 기술. 이 패키지는 칩의 후면 전극을 금속 커넥터를 통해 전면 전극과 동일한 평면 위치로 뒤집은 다음 해당 전극 위치에 솔더 볼을 이식하여 금속 본딩 와이어와 핀 단자를 제거합니다. TO-247 패키지에 비해 부피는 14배, 온 저항은 24% 감소합니다.

2. DBC+PCB 하이브리드 패키징 기존 모듈 패키징에 사용되는 구리 피복 세라믹 보드(직접 결합 구리-DBC)는 칩을 2차원 평면에만 배치할 수 없도록 제한하여 전류 루프 면적이 크고 표류가 큽니다. 인덕턴스 매개변수.

3. 소결은 공정과 결합된 유연한 PCB 보드의 패키징 방법은 상용 모듈에도 사용됩니다. 유연한 PCB 보드를 사용하여 본딩 와이어를 교체하여 칩의 윗면과 아랫면 사이의 전기적 연결을 구현하고 모듈의 내부 회로를 보냅니다. 4. 하이브리드 패키징 방식은 두 가지 성숙한 프로세스의 장점을 결합합니다. 제조가 용이하고, 낮은 부유 인덕턴스와 더 작은 크기를 달성할 수 있습니다. 그러나 PCB 기판의 존재로 인해 위에서 언급한 고온 작동용 패키징 방법의 신뢰성이 제한됩니다.

5. SiC 칩의 매립형 패키지는 칩 전면에 있는 평평한 직접 연결 패키지로 간주될 수도 있습니다. 이 방법은 칩을 세라믹 위치 홈에 배치한 다음 절연 매체로 틈을 채우고 마지막으로 금속 구리를 스퍼터링하여 마스크의 양면을 덮어 전극 연결을 달성합니다. 합리적인 포장재를 선택함으로써 고온에서 모듈의 층간 열응력을 줄이고, 279°C의 고온에서 모듈의 순방향 및 역방향 특성을 측정할 수 있습니다.

6. 평면 직접 연결 패키징 프로세스는 금속 본딩 와이어를 제거하고 루프 면적을 크게 줄이고 낮은 부유 인덕턴스 매개변수를 달성함으로써 DBC 보드 평면 레이아웃에서 칩의 상부 및 하부 평면의 층간 레이아웃으로 전류 루프를 확장합니다. 소개된 양면 방열 패키지와 3차원 패키지는 낮은 부유 인덕턴스를 달성한다는 기본 아이디어는 동일하지만 구현 방식이 약간 다르다.

7. 양면 방열 패키징 기술 양면 패키징 기술은 양면 방열 특성과 작은 크기로 인해 전기차 내부 IGBT 패키징 용도로 주로 사용된다.

8. 3차원(3D) 패키징 기술 3차원 패키징 기술은 SiC 전력 소자의 수직 구조 특성을 활용하여 스위치 브리지 암의 하단 튜브를 상단 튜브에 직접 적층하여 중간 지점의 중복 배선을 제거합니다. 브리지 암을 제거하고 회로의 기생 인덕턴스가 1nH 미만으로 떨어지도록 허용합니다.

현재 대부분의 자동차 회사는 실리콘 카바이드를 차량 응용 분야에 적극적으로 적용하기 시작했습니다. 실리콘 카바이드 전력 반도체 산업은 중국은 물론 전 세계적으로 폭발적인 성장을 앞두고 있습니다. 자동차 회사 및 실리콘 카바이드 장치 제조업체.

SiC(탄화규소) 전력소자는 넓은 밴드갭 소자로서 높은 내전압, 높은 내열성, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도 등의 장점을 갖고 있습니다.

탄화규소 장치의 이러한 유리한 특성을 최대한 활용하는 방법은 패키징 기술에 새로운 과제를 안겨주었습니다. 기존 패키징에는 큰 부유 인덕턴스 매개변수가 있으며 장치의 빠른 스위칭 특성을 맞추기가 어렵습니다. 장치가 고온에서 작동하면 패키징 신뢰성이 저하됩니다. 또한 모듈의 다기능 통합 패키징 및 높은 전력 밀도 요구 사항도 충족됩니다.