SKiN — новая технология беспроводных соединений силовых микросхем

Новая концепция сборки, о которой идет речь в предлагаемой статье, основана на применении флип–чип технологии (или технологии монтажа методом перевернутого кристалла), согласно которой контакты чипов подключаются непосредственно к печатной плате способом ультразвуковой сварки. Основным элементом, необходимым для реализации этой концепции, является гибкая PCB–плата с тонким алюминиевым слоем, необходимым для трассировки силовых цепей и соединения их с кристаллами. Выводы чипов подключаются к участкам алюминиевой металлизации гибкой платы, образуя высоконадежное сварное соединение Al/Al.

Силовые токонесущие шины расположены на нижней стороне гибкой печатной платы, а цепи управления IGBT — на ее противоположной стороне. Это позволяет достичь высокой степени интеграции сборки, поскольку на верхней стороне PCB, не занятой силовыми кристаллами, можно разместить интегральную микросхему драйвера, датчики и пассивные элементы обвязки.

Основная концепция SKiN технологии

Технология SKiN основана на флип–чип методе монтажа, ориентированном на большой объем производства. Алюминиевые контактные площадки эмиттера и затвора стандартного полупроводникового кристалла IGBT привариваются на покрытые алюминием перфорированные структурные выступы на гибкой плате (рис. 1). При этом отсутствует необходимость в дополнительной металлизации контактов чипов или использовании проволочных выводов. Для монтажа кристаллов на перфорированную плату достаточно штатной алюминиевой металлизации, имеющейся на верхнем слое.

Компания SEMIKRON разработала усовершенствованный технологический SKiN–процесс, основанный на применении 3–слойной гибкой платы. Один крайний слой используется для установки силовых чипов и размещения сильноточных шин, на другом размещаются smd логические элементы схемы управления, внутренний слой служит изолятором. Кремниевые кристаллы IGBT не обладают достаточной механической прочностью, позволяющей устанавливать их на гибкие платы. Для повышения механической стабильности соединения коллекторный слой, являющийся основанием чипа, припаивается на дополнительную жесткую подложку. При размещении чипов интегральных схем или smd–компонентов такой проблемы не существует.

Гибкий материал SKiN

Гибкая основа для изготовления SKiNплат производится с помощью прокатывания. Далее получившиеся листы размером 510 480 мм подвергаются травлению и шлифованию. Достаточно толстый алюминиевый силовой слой способен пропускать ток плотностью около 15 А/мм2 при длине дорожки 10 мм, при этом его активное сопротивление составляет около 0,25 мОм. Применение такого материала позволяет разрабатывать силовые модули с номинальным током до 100 А без использования дополнительных силовых токонесущих проводников. Напряжение изоляции промежуточного полиамидного изолирующего слоя составляет 7,5 кВ.

Верхний слой, предназначенный для подключения элементов управления со сколь угодно мелким шагом, имеет медную металлизацию стандартной толщины 35 мкм. Конечная обработка поверхности металлизированных слоев выполняется различными способами в зависимости от функционального назначения конкретной области. Существует несколько областей, обладающих улучшенной способностью к сварке и склеиванию, часть зон оптимизирована для пайки. Все эти поверхности могут быть сформированы в массовом производстве с применением стандартных технологий производства печатных плат. Гибкие слои также могут быть использованы для формирования силового и сигнального интерфейса (рис. 2, 3).

Наличие подобных 3D–структур открывает разработчикам силовых модулей принципиально новые возможности. Прежде всего, использование SKiN–технологии позволяет создавать сверхтонкие модули толщиной до 2 мм. Короткие связи обеспечивают минимальное значение распределенной индуктивности. Возможность размещения элементов схемы управления рядом с силовыми чипами при выполнении трассировки связей в гибких слоях позволяет разрабатывать ультракомпактные конструкции.

Перфорированные выводы SKiN структуры

SEMIKRON разработал технологию формирования геометрии перфорированных структур, позволяющую ультразвуковому «сварочному аппарату» присоединять флипчип («перевернутый» чип) непосредственно к объемным выводам печатной платы. Внешний вид таких выводов, выполненных методом перфорации на гибком материале платы, показан на рис. 4. Один объемный контакт способен проводить ток до 8 А, его геометрия рассчитана на создание надежного соединения и противостояние усилию, создаваемому при сварке. Размеры выводов и расстояние между ними выбирается таким образом, чтобы кристалл можно было подключать непосредственно без промежуточных проводных соединений.

На финальном этапе производства вся мультичиповая структура может быть сформирована с помощью одного прецизионного штампа, данный процесс получается достаточно быстрым и экономически эффективным. На рис. 5 показана типовая структура объемных выводов, предназначенных для подключения чипа IGBT с током 10 А, к двум из них подключается эмиттер, к третьему — затвор. Допуск на колебания высоты контактов составляет менее 5 мкм.

Термомеханическое моделирование SKiN процесса

Для анализа тепловых и механических характеристик новой конструкции было проведено моделирование с использованием метода конечных элементов FEM (Finite Element Method). FEM–анализ (рис. 6) показал, что SKiN–технология обеспечивает высокую гибкость структуры, позволяющую резко снизить уровень термомеханических стрессов, возникающих при соединении различных материалов.

Целью моделирования было определение геометрии выводов и материалов слоев, обеспечивающих устойчивость механических характеристик при воздействии циклических изменений температуры. Модель модуля, учитывающая влияние всех слоев, анализировалась при перепаде температур от –40 до 125 °С. При анализе были применены двойные граничные условия, позволяющие имитировать воздействие на все точки на каждой стороне структуры и обеспечивающие одинаковое смещение в направлении плоскости симметрии. В модели учитывался температурный коэффициент расширения СТЕ материалов, что позволило оптимизировать состав слоев с точки зрения снижения термомеханических стрессов. Результат моделирования представлен в виде диаграммы на рис. 7, показывающей соотношение напряжений, создаваемых между различными слоями при изменении температуры от –40 до 125 °С.

Технология SKiN — процесс сварки флип–чипов

Технологический процесс монтажа чипов обеспечивает их прямое сварное соединение с объемными выводами гибкой печатной платы. На рис. 8 показан флип–чип, подключенный к SKiN–плате. Сварочный аппарат, фото которого приведено на рис. 9, имеет рабочую поверхность 200×250 мм, возможное перемещение в вертикальном направлении составляет 5 мм. При монтаже чипы поступают на рабочий орган прибора непосредственно с оригинальной пластины.

Преимущества процесса ультразвуковой сварки флип–чипов:

• монометаллическое соединение с минимальным контактным сопротивлением и низкой распределенной индуктивностью при высокой надежности;
• высокая повторяемость процесса, точность ориентации ±3 мкм;
• прецизионный контроль усилия сопряжения и параметров сварки;
• временной визуальный контроль деформации выводов.

Производительность:

• время цикла: 1,0–1,2 с;
• продолжительность сварки: 100 мс на чип.

Технология SKiN — установка элементов схемы управления

Применение технологии SKiN для гибких печатных плат позволяет создавать интеллектуальные модули высокой степени интеграции. Для размещения компонентов схемы управления — пассивных и логических элементов, а также интегральных микросхем — служит верхняя сторона PCB, не занятая силовыми чипами. Поскольку слой омеднения имеет толщину 35 мкм, на нем могут быть размещены и подключены с помощью ультразвуковой сварки smd–компоненты и чипы интегральных схем. В стандартных IPM с медной выводной рамкой драйвер может быть размещен только на отдельной от силовых кристаллов подложке.

Использование гибкой PCB–структуры и SKiN–технологии дает возможность размещать маломощные элементы схемы управления на верхней стороне той же подложки, где установлены силовые кристаллы. Это позволяет получить очень плотную упаковку компонентов и существенно уменьшить значения паразитных индуктивностей линий связи.

С целью дальнейшей миниатюризации было бы желательно устранить технологический процесс очистки при подключении smd–компонентов на верхний слой печатной платы. В качестве наиболее перспективного рассматривается вариант установки маломощных компонентов с помощью токопроводящего клея. Данный способ монтажа обеспечивает высокостабильное соединение, устойчивое к воздействию высоких температур. Такая технология дает хорошие результаты даже в случае, если часть компонентов будет устанавливаться на плату с помощью пайки оплавлением (установка на припой с последующим разогревом). На рис. 11 показана «логическая» сторона гибкой PCB с чипом драйвера и пассивными smd–компонентами, установленным после подключения силовых флип–чипов.

Технология SKiN — гибкий интерфейс

Еще одним преимуществом новой технологии является простота формирования гибкого интерфейса для соединения с внешними цепями. В стандартных силовых модулях силовые и управляющие контакты подключаются, как правило, с помощью пайки, прижимного соединения или выводной рамки. При этом выводы силовых чипов, расположенные на их верхнем слое, должны быть соединены проводниками с токонесущими шинами подложки, которые далее подключаются к внешним выводам.

Указанные промежуточные соединения могут быть устранены при использовании гибких плат, все связи в которых выполняются печатными проводниками, формируемыми за один производственный цикл. Таким образом, напыленные токонесущие шины заменяют как проводники, подключаемые с помощью ультразвуковой сварки, так и внешние выводы. Окончание верхнего слоя гибкой платы, используемое как сигнальный интерфейс, далее может быть соединено с платой контроллера с помощью пайки, сварки или специального коннектора. Силовые терминалы, расположенные на окончании нижнего слоя PCB, также соединяются с внешними токонесущими шинами с помощью пайки или сварки. При использовании IPM, встроенного в электродвигатель, возможно подключение гибких терминалов непосредственно к обмоткам мотора. При этом благодаря гибкости интерфейса, который можно изогнуть в произвольном направлении, ориентация модуля внутри двигателя может быть произвольной.

Технология SKiN — интеллектуальный силовой модуль

Для демонстрации возможностей новой 3D–технологии, к которым относятся высокая степень интеграции и возможность реализации всех соединений с помощью гибких печатных шин, было решено воплотить их в интеллектуальном силовом модуле. В настоящее время компания SEMIKRON ведет разработку двух типов IPM с рабочим напряжением 600 (рис. 12) и 1200 В. Основные характеристики модулей приведены в таблице.

Рабочее напряжение, В	600	1200
Конфигурация	3–фазный инвертор	3–фазный CIB
Номинальный ток, А	<25	<15
Размер, мм	54×23×6	74×36×10

Рис. 12. Конструкция IPM с рабочим напряжением 600 В

Оба модуля имеют конструкцию, предназначенную для поверхностного монтажа (smd). Выводы, расположенные по краям гибкой платы, являющейся продолжением нижней части модуля, могут быть подключены к устройству управления с помощью пайки. Сигнальные и силовые терминалы, расположенные на противоположных краях платы, формируют так называемый DIL (Dual In Line) интерфейс, никаких дополнительных контактов не требуется.

Для подключения модуля к плате управления с помощью процесса пайки оплавлением все гибкие трассы имеют покрытие AgPd. На рис. 13 показано поперечное сечение и внешний вид модуля IPM с рабочим напряжением 600 В. Окончания гибкого слоя изогнуты таким образом, чтобы сигнальные и силовые терминалы могли быть припаяны непосредственно к основной плате инвертора.

Рис. 13. а) Конструкция IPM с рабочим напряжением 600 В; б) инженерный образец IPM

На рис. 14 представлены эпюры переключения 600 В IPM, полученные при токе 10 А и различных напряжениях DC–шины. Благодаря сверхнизкой индуктивности силовых терминалов модуля и непосредственной связи затворов IGBT с микросхемой драйвера обеспечивается минимальный уровень перенапряжений при переключении и низкий уровень осцилляций.

Рис. 14. Эпюры переключения 600 В IPM

Заключение

В статье представлена новая технология производства компактных силовых модулей, позволяющая устанавливать силовые флип–чипы на гибкие двусторонние печатные платы с помощью процесса ультразвуковой сварки. Усовершенствованная изолированная гибкая печатная плата содержит нижний алюминиевый слой для размещения силовых кристаллов, верхний слой с медным покрытием для установки элементов схемы управления и средний изолирующий полиамидный слой. Уникальной особенностью новой технологии является способ установки силовых чипов на объемные перфорированные контакты с помощью ультразвуковой сварки. Верхний омедненный слой используется для размещения маломощных элементов схемы управления, таких как интегральные схемы и пассивные компоненты. Описанный способ соединения позволяет разрабатывать ультракомпактные модули предельно высокой степени интеграции. Возможности и преимущества новой технологии были использованы при разработке интеллектуальных силовых модулей с рабочим напряжением 600 и 1200 В, построенных по схеме 3–фазного инвертора и CIB.

Литература

1. Bai J., Lu G. Q., Liu X. Flip Chip on Flex Integrated Power Electronics Modules for High Density power Integration // IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2003. Vol. 26, № 1.
2. Catala J., Bai J., Liu X., Wen S., Lu G. Q. Three Dimensional Packaging for Power Semiconductor Devices and Modules // IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2005. Vol. 28, № 3.
3. Mermet–Guyennet M. New Structure of Power Integrated Modules // CIPS Proc. 2006[4]; Fillon R., Delgado E., McConnelee P., Beaupre R. A High Performance Polymer thin Film Power Electronics Packaging Technology // Advancing Microelectronics. 09. 2003.
4. Hase K., Lefranc G., Zellner M., Licht T. A Solder Bumping Interconnect Technology for High Power Devices // IEEE PESC Proc. 2004.
5. SIPLT TM Siemens Planar Interconnect Technology Innovative Replacement of Wire Bonding. (Cooperation technology.)