封裝技術(shù)就是高功率電子器件的未來

交通是全世界最大的空氣污染源之一，占全球碳排放量的五分之一，而且這一數(shù)字還在上升。為了開動交通工具,人類大量消耗化石燃料，例如：汽油、柴油或石油氣等， 從而產(chǎn)生大量的污染物如一氧化碳、 二氧化碳、二氧化氮等造成嚴(yán)重的空氣污染，所有這些物質(zhì)都對人類健康有害。

為了改善空氣質(zhì)素解決空氣污染問題，世界各地近年積極推動清潔能源，逐步取代化石燃料技術(shù)以減碳抗暖化。這些替代品屬于電動類型，包括電池電動車(Battery Electric Vehicle, BEV)或插電式混動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)等配置。這波汽車電氣化浪潮要求汽車制造商在它們的解決方案中使用大量半導(dǎo)體技術(shù)，同時需要設(shè)計和組裝更多的高功率電子組件(High Powererd Electronics, HPE)，以驅(qū)動未來的汽車發(fā)展。

意譯超級英雄電影中一句經(jīng)典臺詞來說，「能力越大，熱量越大」!對于電動車級的 HPE 高功率電子組件來說，其運行條件可能非常嚴(yán)苛，因為一般車輛運行中的溫度通常都超過攝氏150度。為了保護這些精心設(shè)計和組裝的組件，並使它們能在如此高溫的狀態(tài)下繼續(xù)產(chǎn)生高電壓和電流為車輛供電和運行，先進的封裝技術(shù)就是關(guān)鍵。

理解高性能封裝：高功率電子組件背后的電源封裝

電動汽車系統(tǒng)基本上由發(fā)電機、電動機、逆變器、蓄電池、蓄電池充電器和電氣控制單元(Electrical Control Unit, ECU)組成。而電氣控制單元 ECU 則是高功率電子組件 HPE 如雙面冷卻包(Double-Sided Cooling Package, DSC)和單面冷卻(Single-Sided Cooling, SSC)所在的位置。

為了保護DSC和SSC封裝，制造商通常采用一種使用銀漿材料的轉(zhuǎn)移模塑工藝。

圖1a中顯示了一個典型的DSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)，頂部引線框架和底部的直接銅鍵合(Direct Bond Copper, DBC)用于耗散在提供高電壓和電流水平時產(chǎn)生的熱量。為了全面消除產(chǎn)生的大量熱量，DSC 以機電一體化的方式集成到冷卻系統(tǒng)中，猶如一個散熱器般為運行中組件散熱。

圖1a：雙面冷卻(DSC)組件示意圖

圖1a的DSC 與圖1b中的 SSC形成對比，SSC通常都會連接到一個釘狀翅片組件，以散發(fā)產(chǎn)生的熱量。

圖1b：單面冷卻(SSC)組件示意圖

無論是DSC還是SSC，在其模制過程中都有多重挑戰(zhàn)。首先是模具溢出和飛邊(Mold Bleed and Flash, MBF)或晶片裂紋，兩者都會導(dǎo)致組件損壞和降低可焊性。另一個潛在問題則是分層和空洞，而這問題通常發(fā)生在設(shè)計和設(shè)置期間使用次優(yōu)過程和工藝所致。

應(yīng)對挑戰(zhàn)

此類的瑕疵與缺陷會影響高功率電子組件HPE的質(zhì)量，特別是生產(chǎn)用于車用級高質(zhì)量的HPE時更加需要避免出現(xiàn)缺陷。通常這些問題可通過四個主要方面來解決：間接材料、工藝設(shè)置、來料和工具設(shè)計(見圖2和圖3)。

就本文而言，重點將放在 MBF 和晶片裂紋上，因為它們是目前工藝中最常見的問題。

在圖2的思維導(dǎo)圖中，導(dǎo)致晶片裂紋最顯著的原因之一是來料的性質(zhì)。為了解決這個問題，制造商需要向第三方材料采購時進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，例如關(guān)注DBC基板尺寸質(zhì)量。

之后面的臨挑戰(zhàn)涉及晶片完整性，包括晶片放置位置的尺寸精度;固晶的共面性;及晶片定心在銀漿上方。

圖2：晶片裂紋的思維導(dǎo)圖

在圖3中，導(dǎo)致MBF 的主要成因是環(huán)氧模塑化合物(Epoxy Moulding Compound)滲入DBC外露焊盤的頂部和底部 — 這問題歸因于模具設(shè)計。這現(xiàn)象與ASM Pacific Technology 在該領(lǐng)域的多年設(shè)計和研究經(jīng)驗是一致的。

圖3：模具排氣閃光(MBF)的思維導(dǎo)圖

圖 4 顯示了理想模制工藝的圖示，其中模制工具設(shè)計為具有最佳密封能力。

圖4：MBF控制裝置的密封

總而言之，生產(chǎn)高質(zhì)量 HPE 和封裝結(jié)構(gòu)首先需要解決許多關(guān)鍵因素，其中兩個最重要的問題是晶片裂紋和 MBF，導(dǎo)致這些問題的因素包括來料、模具精度和模具設(shè)計。憑借 ASM Pacific Technology 的先進封裝技術(shù)，以及在該領(lǐng)域多年的研究專長，定能幫助滿足所有封裝需求。

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