يمثل تغليف أجهزة طاقة أشباه الموصلات العديد من التحديات. Wolfspeed هي شركة رائدة في السوق في مجال تكنولوجيا كربيد السيليكون (SiC). في هذه المقالة ، سنعرض ابتكارات حزمة Wolfspeed لأجهزة طاقة SiC ، كما قدمها Kuldeep Saxena ، مهندس تطوير الحزم في Wolfspeed في ندوة الويب الافتراضية لعام 2022.
وظائف وتحديات حزمة جهاز الطاقة
توفر الحزمة إمكانية الاستخدام الخارجي لجهاز الطاقة. تتضمن بعض الوظائف الرئيسية التي يوفرها ما يلي:
- التوصيلات البينية: يتضمن ذلك جلب توصيلات الطاقة والإشارة من وسادات المعدن الموجودة على القالب إلى إطار الرصاص في الحزمة
- واجهات ووصلات الدبوس الخارجية: يمكن أن تأتي جهات الاتصال بالعالم الخارجي في مجموعة متنوعة من الخيارات مثل المسامير أو الوسادات
- الحماية: توفر الحزمة عزل الجهد ، والدعم الميكانيكي ، وكذلك حاجز الرطوبة
- القدرة على الطاقة / الحرارة: يجب أن تكون التوصيلات وطبقات الحماية قادرة على تحمل مستويات التيار والطاقة المقدرة للجهاز. الوظيفة الأساسية هي أيضًا القدرة على تبديد الحرارة من خلال توفير مقاومة حرارية منخفضة (Rth).
مع كل مزاياها المادية ، فإن SiC مفضل للعديد من تطبيقات الجهد العالي والطاقة العالية ودرجات الحرارة العالية. تسمح الطفيليات المنخفضة أيضًا بترددات تحويل أعلى. هذه المزايا تخلق كثافة عالية للتيار ومجال كهربائي عالي وتدفق حراري عالي على الجهاز. بالمقارنة مع Si ، يُظهر SiC معامل تمدد حراري أعلى (CTE) ومعامل أعلى ، وكلاهما يمكن أن يخلق ضغطًا ميكانيكيًا حراريًا أعلى. يعمل التبديل الأسرع على تضخيم تأثير الطفيليات الخارجية ذات الصلة بالحزمة ، كما تزيد عملية الجهد العالي من مسافات الزحف. تسمح كفاءات التوصيل الأعلى (المقاومة النوعية المنخفضة لـ Rdson) من خلال تحسينات العملية والتصميم بأحجام قوالب أصغر ، ولكن هذا يضع مزيدًا من الضغط على إزالة الحرارة على مستوى العبوة. تدفع كثافة التكلفة والتعبئة الاتجاه إلى زيادة مقياس Amps / $ ، مما يؤدي إلى حدوث تعارض مع النفقات اللازمة للمواد والمؤهلات الجديدة. يوضح الشكل 1 بعض هذه التحديات. دعنا نلقي نظرة على بعض هذه التحديات ، وكذلك الابتكارات التي يتم تطبيقها للتغلب عليها بمزيد من التفصيل.
المتطفلين
يمكن أن يكون تقليل مساهمة حزمة الطفيليات أمرًا ضروريًا لأداء التبديل الجيد. يوضح الشكل 2 (أ) و 2 (ب) هذا. يمكن أن يؤدي تقليل محاثة الحزمة إلى تقليل التجاوزات ويمكن أن تؤدي إضافة توصيلات كلفن المصدر إلى تقليل تأثير تيارات طاقة المصدر وقطرات الجهد المرتبطة من توصيلات المصدر الخارجي على محرك إشارة مصدر البوابة.
ابتكارات القوالب
كان استخدام الجنود الذين يعتمدون على الرصاص (Pb) هو الطرق الافتراضية لإرفاق القوالب ، ويعمل بشكل جيد مع أجهزة Si. ومع ذلك ، مع الموصلية الحرارية الأعلى بكثير من SiC ، يمكن أن تحد الموصلية الحرارية السيئة لهؤلاء الجنود من الأداء الحراري الكلي ، كما هو موضح في الشكل 3.
تعد تقنيات إرفاق القوالب المحسنة مجالًا للبحث النشط وقد تم بالفعل إنتاج بعض هذه الأساليب. يلخص الشكل 4 العناصر الرئيسية.
التلبيد هو عملية تستخدم درجة الحرارة والضغط في كثير من الحالات لربط جزيئات مقياس النانو / الميكرومتر معًا ، بالإضافة إلى السطح الموصل. يمكن أن تكون المادة على شكل فيلم مصفح. يمكن وضع إدخالات محملة بنابض لموازنة الضغط في تجميعات الوحدة. تلبد الفضة (Ag) يكتسب قوة جر متزايدة بسبب الفوائد التي يجلبها من المقاومة الحرارية المنخفضة (Rth) ، وسمك خط الربط الأرق (BLT) أو سمك المادة اللاصقة ، مما يتيح تشغيل 200 درجة مئوية. تعد هجرة Ag مصدر قلق ، بالإضافة إلى زيادة الضغط الحراري الميكانيكي. يستخدم تلبيد Ag بدون ضغط مصفوفة بوليمر تتكثف ، على الرغم من أنها قد لا تكون جيدة مثل التلبيد القائم على الضغط. تلبيد النحاس (Cu) ليس شائعًا. تتميز بمزايا التكلفة المنخفضة و Rth ، ولكن مع عدم توفر التعقيد في شكل فيلم وتحتاج إلى بيئة خاملة. تتمتع مواد eutectics الذهبية (Au-Sn) بميزة BLT أرق بكثير (3-4 ميكرون فقط ، مقارنة بـ> 50 ميكرومتر المستخدمة مع المواد الأخرى).
ابتكارات ربط الأسلاك / الربط البيني
يتم استخدام أسلاك الألمنيوم (Al) بشكل شائع. يمكن أن تختلف أقطار الأسلاك بناءً على التصنيفات الحالية للجهاز وعدد الأسلاك المتوازية المستخدمة ، بحد أقصى 20 مللي. تتطلب الأسلاك السميكة حدًا أدنى لحجم الوسادة ، وبالتالي يمكن أن تستخدم وسادات البوابة سلكًا أرق من تلك المستخدمة في منصات المصدر الأكبر ، على الرغم من أن حجم السلك المتغير يمكن أن يقلل من إنتاجية الترابط. عادةً ما يكون السطح العلوي لأجهزة SiC عبارة عن لوح معدني قائم على Al-Cu. يمكن عادةً أن تكون أسلاك Al إسفينًا فوق صوتي مرتبط بهذا. تقدم الأسلاك النحاسية الثقيلة (أي أقطار الأسلاك المشابهة لتلك المستخدمة مع Al) مزايا توصيل وموثوقية حرارية أفضل ، ولكن مع إجهاد أكبر. لا يمكن ربطها مباشرة بمعدن لوحة Al-Cu. سيحتاج قالب SiC إلى خطوات معالجة إضافية ، تسمى نظام Die Top (DTS) حيث يمكن وضع رقائق النحاس على سطح الوسادة. يمكن أن تتمثل الطريقة الأخرى في إضافة طبقة النحاس العلوية المطلية أثناء معالجة Fab ، مع عدم وجود مخاطر تلوث Fab مع معالجة النحاس المضافة ، بالإضافة إلى الحاجة إلى طبقة تخميل (ربما رقيقة Al) لمنع أكسدة النحاس. يمكن أيضًا استخدام مقاطع النحاس بدلاً من أسلاك النحاس.
تزيل إمكانية تلبيد الجانب الأمامي الحاجة إلى ربط السلك ، حيث يتم إجراء الاتصال هنا بأعمدة معدنية يمكن توصيلها كهربائيًا بوسادات ربط الجهاز. في هذه الحالة ، يمكن استخدام وضع طبقة ربط Au فوق لوحة Al-Cu المعدنية أثناء معالجة Fab.
مقارنة حرارية لأنظمة ربط / ربط سلكية مختلفة
يوضح الشكل 5 مقارنة للأداء الحراري لبعض مخططات ربط القوالب والربط السلكي التي تمت مناقشتها أعلاه. بالنسبة لحمل 80A ، يمكن ملاحظة أن نفس القالب يحتوي على ملف تعريف درجة حرارة يكون ~ 90 درجة مئوية أكثر برودة باستخدام روابط الأسلاك Cu DTS القائمة على Cu DTS ، جنبًا إلى جنب مع تلبيد النحاس للجزء الخلفي من القوالب. للحصول على الحد الأقصى لتصنيف درجة حرارة الوصلة ، يمكن استخدام هذا المخطط على العكس من ذلك لزيادة التصنيف الحالي للجهاز.
ابتكارات مجمع قولبة الإيبوكسي (إي إم سي)
يوفر القالب حماية للجهاز من الرطوبة والحرارة والصدمات في البيئة الخارجية. يمكن أن تتكون هذه عادة من خليط من راتنجات الايبوكسي والمواد الصلبة والمواد المالئة والمواد المضافة والشمع. إنه جزء مهم من عملية التغليف ، ويمكن أن يكون له تأثير كبير على مؤشر التتبع المقارن (CTI) ، وهو مقياس للانهيار الكهربائي للعازل ، بالإضافة إلى الضغط داخل العبوة. يمكن أن تؤدي مطابقة CTE الأفضل للحشو مع إطار الرصاص Cu (LF) إلى تقليل الضغط بشكل كبير داخل العبوة وهي مجال بحث نشط. تتطلب المجالات الكهربائية العالية على أجهزة SiC ميزات خاصة مثل الشقوق داخل EMC لتصنيف الحقل.
التبريد وابتكارات الحزمة الأخرى
يمكن أن توفر تقنية Surface Mount المبردة من الجانب العلوي (SMT) عرضًا منخفضًا من Rth حيث يتم توصيل علامة تبويب التصريف مباشرة بالمشتت الحراري. علاوة على ذلك ، يمكن الآن استخدام مساحة PCB الموجودة في الجزء السفلي من الحزمة لمكونات النظام الأخرى أو التوجيه ، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة النظام. يمكن تحقيق زيادة في كثافة الطاقة تصل إلى الضعف. تحسين أداء التحويل ممكن أيضًا بسبب حلقة محرك البوابة الأصغر في حزمة SMT.
يعد التبريد المزدوج الجانب اتجاهًا صناعيًا آخر يمكن أن يستفيد من علامة تبويب المصدر المكشوف لتبديد الحرارة وزيادة القدرة الحالية للجهاز. يوضح الشكل 6 هذه الطرق.
يشير Creepage إلى أقصر مسافة بين المحطات عبر العزل لتوفير العزل عند جهد الجهاز المُقدر. يوضح الشكل 7. تصميمًا عاليًا لحزمة الزحف. يوضح هذا الشكل أيضًا تصميم مجداف التصريف المعزول ، حيث تسمح عزل السيراميك أسفل LF العلوي بالتصريف مباشرة إلى المشتت الحراري LF.
الاستنتاجات
يظهر تطور Wolfspeed في عبوات SiC المنفصلة في الشكل 8. تتضمن بعض أحدث الابتكارات حزمة TO بدون الرصاص (TOLL) التي توفر كثافة عالية وحزمة عامل شكل أصغر مع Rth أقل ومحاثة ، مع مسافة زحف أصغر كافية لـ 650V . من المرجح أن تستمر ابتكارات الحزمة هذه مع الدفع لتحسين الأداء وخفض التكلفة.
