Vorwort
Epoxidharz, eine Klasse von Polymerverbindungen, die Epoxidgruppen in ihrer Molekularstruktur enthalten, weist nach der Aushärtung hervorragende thermische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, elektrische Isolierung, Zuverlässigkeit und mechanische Eigenschaften sowie eine geringe Schrumpfungsrate und chemische Beständigkeit auf. Durch die Zugabe von Härtern bietet es zudem gute Verarbeitbarkeit und Handhabbarkeit.
1. Zusammensetzung und Struktur von Epoxidharz
Epoxidharzmoleküle bestehen hauptsächlich aus Epoxidgruppen und anderen funktionellen Gruppen, wobei die Epoxidgruppen die charakteristischen Merkmale darstellen. Die Harzmoleküle enthalten typischerweise zwei oder mehr Epoxidgruppen.
Im Kernbereich der Halbleiterverpackungstechnologie zeigen das Gießharzverfahren und das Formgebungsverfahren als zwei Hauptverfahrenswege jeweils einzigartige Leistungsvorteile und Anwendungsbereiche, die maßgeschneiderte Verpackungslösungen für Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Anforderungen bieten. Im Folgenden werden wir diese beiden Verfahren umfassend analysieren.
Epoxidharz-Formgebungsverfahren
2.1 Formgebungsverfahren
Das Spritzgießverfahren, auch als Formgebungsverfahren bekannt, ist einer der kritischen Schritte in der Verpackung von Leistungsbauelementen. Es dient dazu, den Chip, die Bonddrähte und das Rahmenwerk (intern) sowie den Basisanschluss zu umhüllen, um den Chip und die Bonddrähte zu schützen. Dies verhindert mechanische Beschädigungen des Chips und schützt den Chip und die Bonddrähte vor Feuchtigkeit. Das Prinzip besteht darin, dass festes Epoxidharz-Formgebungsmaterial im Spritzgießzylinder durch Erwärmung erweicht und in einen flüssigen Zustand versetzt wird. Das flüssige Epoxidharz wird dann durch den Druck, der von der Spritzgießeinheit erzeugt wird, in den Formhohlraum, der das Rahmenwerk enthält, injiziert. Anschließend erfolgt die Aushärtung unter Druck, wodurch eine spezifische Form entsteht, die den Chip und die Bonddrähte umhüllt.
Halbbrückenmodul-Formgebung
2. 2 Formgebungsverfahren
1. Loading
1. Laden
Der zu verpackende Chip (Die) und das Leiterrahmen (Lead Frame) werden in den Formhohlraum (Cavity) der Form geladen.
2. Preheat
2. Vorheizen
Das Heizelement unter der Form beginnt, die Form vorzuheizen. Durch die Erwärmung wird sichergestellt, dass die Form die für das Spritzgießen geeignete Temperatur erreicht, sodass das Harz den Formhohlraum besser ausfüllen kann.
3. Clamp
3. Schließen der Form
Sobald die Form die voreingestellte Temperatur erreicht hat, werden die oberen und unteren Teile der Form zusammengepresst und festgeklemmt.
4. Load and Transfer
4. Laden und Materialtransfer
Das Epoxidharz wird in einem Behälter außerhalb der Form (Pot) platziert. Unter einem bestimmten Druck wird das vorgewärmte flüssige Epoxidharz durch den Einlass (Gate Insert) in die Form injiziert. Das fließende Epoxidharz umhüllt den Chip und das Leiterrahmen vollständig und füllt den gesamten Formhohlraum aus.
5. Cure
5. Aushärten
Nachdem das Epoxidharz in die Form injiziert wurde, muss es durch Erwärmung weiter ausgehärtet werden, um es von einem halbfesten Zustand in eine feste Schutzschale zu verwandeln.
6. Demold
6. Entformen
Nach der Aushärtung wird die Form geöffnet und das formgegebene Bauelement aus der Form entnommen.
7. Degate
7. Entgraten
Der letzte Schritt besteht darin, überschüssiges Epoxidharz, wie z.B. Grate oder Einlassreste, vom formgegebenen Bauelement zu entfernen.
Formgebungsverfahren- Ablaudiagramm
2.3 Auswirkungen von Formgebungsharz auf die Ausrüstung
Vollautomatische Formgebungsverpackungsgeräte haben eine geringe Tonnage, einen kleinen Platzbedarf für die Forminstallation und werden hauptsächlich für die Produktverpackung verwendet. Die Geräte selbst sind kostspielig und haben hohe Wartungskosten. Bei der Verwendung von Formgebungsgeräten treten die meisten Ausfälle (95 % bis 100 %) während des Produktionsbetriebs auf, während nur wenige (5 % bis 15 %) vor dem Betrieb sichtbar sind. Diese plötzlichen Ausfälle haben erhebliche Auswirkungen auf die Produktion.
Chip-Verpackungsformen sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Chip-Produktion und spielen eine wichtige Rolle für die Leistung und Stabilität der Schaltung. Unterschiedliche Chips erfordern unterschiedliche Arten von Verpackungsformen. Basierend auf verschiedenen Verpackungsmaterialien und Herstellungsverfahren werden Halbleiter-Formgebungsformen hauptsächlich in anorganische und organische Formen unterteilt.
Da für die Formgebung von Chips hauptsächlich Epoxidharz verwendet wird, das im ungehärteten Zustand oft eine hohe Korrosivität aufweist, kann es in Hochtemperatur- und Feuchtigkeitsumgebungen zu Ausdehnung und Schrumpfung kommen, was zu Delamination oder Rissen zwischen dem Verpackungsmaterial und dem Chip, dem Basisanschluss, dem leitfähigen Kleber oder dem Rahmen führt. Diese Delamination oder Rissbildung kann zu Verschleiß an der Ausrüstung führen, insbesondere während des Betriebs, wo Reibung und Vibrationen diesen Verschleiß verstärken und den normalen Betrieb und die Lebensdauer der Ausrüstung beeinträchtigen. Gleichzeitig kann Korrosion zu Leckagen, Rissen und anderen Problemen an der Ausrüstung führen.
2.4 Probleme bei der Formgebung
1. Delamination und Rissbildung
Epoxid-Formgebungsmaterialien und Halbleiterverpackungstechnologien sind Schlüsselmaterialien für die stabile Funktionsweise von Chips und beeinflussen die Qualität von Halbleiterbauelementen erheblich. Während des Verpackungsprozesses kann es aufgrund von zu hohen Spannungen zu Delamination oder Rissen zwischen dem Chip, dem Basisanschluss, dem leitfähigen Kleber oder dem Rahmen kommen, oder zu hohe Ionenkonzentrationen können zu einem Ausfall der elektrischen Leistung des Chips führen. Eines der größten Probleme, das die Halbleiterindustrie beschäftigt, ist das Problem der Delamination, dessen wahre Ursache oft schwer zu bestimmen ist und manchmal zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen kann.
分层问题 Delamination
Rissbildung
2. Füllprobleme bei der Verpackung**
Unterschiede in den Leistungsparametern des Formgebungsmaterials, die Position des Einspritzpunkts und das Design des Fließkanals in der Formgebungsform, Unterschiede im Formgebungsverfahren sowie das Design der Produktstruktur (einschließlich der Struktur des Leiterrahmens) können zu Füllproblemen im Formgebungsprozess führen, was die Produktausbeute und die Dichtigkeit des Produkts verringert und die Wärmeableitung beeinträchtigt.
Die Qualitätsrate von Halbleiter-Formgebungschips liegt derzeit allgemein unter 90 %. Die Schlüsselfaktoren, die diese Qualitätsrate beeinflussen, umfassen die Qualität der Verpackungsmaterialien, die Reife des Produktionsprozesses, die Stabilität des Gerätezustands und die Standardisierung der manuellen Bedienung. Diese Faktoren wirken gemeinsam auf den Produktionsprozess und haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualitätsrate der Chips.
3. Vakuumgießverfahren mit Epoxidharz
Das Vergießverfahren besteht darin, flüssiges Verpackungsmaterial in den Hohlraum zwischen dem Gehäuse und dem Sockel des elektronischen Bauteils zu injizieren, um es vollständig zu füllen und dann auszuhärten, wodurch eine geschlossene Schutzschicht entsteht. Diese Schutzschicht kann effektiv den Einfluss der äußeren Umgebung auf das elektronische Bauteil isolieren und gleichzeitig eine gewisse Wärmeableitung bieten, um die Betriebstemperatur des elektronischen Bauteils zu senken.
Automatisierte Vergießgeräte können die Menge des Verpackungsmaterials basierend auf der Form und Größe des elektronischen Bauteils automatisch anpassen, um eine effiziente und präzise Vergießung zu erreichen. Diese Methode eignet sich für die Massenproduktion und kann die Produktionseffizienz und Produktqualität verbessern. Der Prozess umfasst: Vorwärmen des Produkts, Entgasen und Vorrühren des Rohmaterials, Evakuieren des Hohlraums, Einspritzen des Harzes, wenn der Vakuumgrad den eingestellten Wert erreicht, und Aushärten.
Video zum Prinzip des Vakuumgießverfahrens
Produktvorbereitung ➡ Vorwärmen ➡ Vorbehandlung des Vergießharzes ➡ Vakuumgießen ➡ Aushärten usw.
Daher haben diese beiden Verpackungsverfahren jeweils ihre eigenen Besonderheiten. Im Vergleich dazu ist das Formgebungsverfahren komplexer und erfordert während des gesamten Prozesses eine höhere Gesamtfähigkeit des Personals. Während des Betriebs können einige plötzliche Probleme auftreten, wie z.B. Unterschiede in der Verpackungsmethode, Größenunterschiede, hohe Ausfallraten, hohe Kosten für Geräte und Formen sowie hohe Wartungskosten.
Das automatisierte Vergießverfahren hingegen zeigt deutliche Vorteile. Es kann die Menge des Verpackungsmaterials basierend auf der spezifischen Form und Größe des elektronischen Bauteils automatisch anpassen, um eine effiziente und präzise Vergießung zu erreichen. Das Verfahren ist nicht nur einfacher zu bedienen, sondern auch intelligenter, was die Belastung des Bedienpersonals erheblich verringert. Gleichzeitig weisen die Geräte eine hohe Stabilität und Zuverlässigkeit auf, was die Häufigkeit von Geräteausfällen reduziert und den Wartungsbedarf verringert.
4. Vergleich zwischen Vakuumgießverfahren und Formgebungsverfahren mit Epoxidharz
4.1 Klassifizierung von Halbleitermodulen
Halbleitermodule können in Einzeltransistormodule, Halbbrückenmodule, Vollbrückenmodule usw. unterteilt werden. Diese Strukturen und Verpackungstechnologien haben einen direkten Einfluss auf die Effizienz und Leistung des elektrischen Steuerungssystems. Im Folgenden werden wir hauptsächlich die Unterschiede in der Verpackungstechnologie zwischen SiC-Halbbrückenmodulen und HPD-Vollbrückenmodulen vergleichen.
4.2 Vergleich der Verpackungstechnologie von Halbbrücken und Vollbrücken
Neben BYD, NIO und Xiaomi führen auch Automobilhersteller wie BAIC, Changan, Seres und Great Wall SiC-Halbbrückenmodule in ihren Hauptantrieben ein. Die auf dem Markt erhältlichen SiC-Halbbrückenmodule verwenden das Halbbrücken-Formgebungsverfahren, das typischerweise aus dem Chip, dem Isoliersubstrat, dem Kühlkörper, dem Bondmaterial, dem Dichtmittel und dem Gehäuse besteht. Die Methode ist flexibler und ermöglicht in Kombination mit Schlüsseltechnologien wie Silbersintern und Formgebungsübertragung nicht nur eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung, sondern auch eine bessere Leistung in Bezug auf thermische Kapazität, thermischen Widerstand und Streuinduktivität.
Am 23. Dezember veröffentlichte NIO sein neues Flaggschiffmodell ET9, das mit einem 1200V-SiC-Leistungsmodul ausgestattet ist, das das Halbbrücken-Formgebungsverfahren verwendet. Das Leistungsmodul hat eine Dichte von 1315 kW/L und eine hohe Leistungszyklusfähigkeit von bis zu 300.000 Zyklen. Im Mai letzten Jahres schloss NIO eine Partnerschaft mit ON Semiconductor und erwarb dessen VE-TracTM Direct SiC-Leistungsmodule, die mit der neuesten SiC-MOSFET-Technologie ausgestattet sind und in HPD-Verpackung vorliegen. Das bedeutet, dass NIOs bisherige SiC-Modelle hauptsächlich HPD-Module verwendeten, während das ET9 auf SiC-Halbbrückenmodule umstellt.
Bei der Anwendung der Halbbrücken-Formgebungstechnologie auf SiC-Halbbrückenmodule gibt es jedoch immer noch eine Reihe von technischen Herausforderungen, einschließlich parasitärer Parameter, Modulkühlung und elektromagnetischer Interferenz. Die Verpackung kann Risse oder Delaminationen sowie Füllprobleme verursachen.
Derzeit verwenden kommerzielle SiC-Leistungsmodule für Automobilanwendungen hauptsächlich die traditionelle Gießharzverpackungstechnologie für Siliziumbauelemente. HPD-Vollbrückenmodule bestehen aus mehreren Einzeltransistoren, Dioden und anderen Komponenten, die zusammen verpackt sind. Dreiphasige Vollbrücken-HPD (High Power Device) Module sind nach wie vor der Mainstream und die ausgereifteste Verpackungsform für IGBT-Leistungsmodule in Elektrofahrzeugen.
SiC-Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule unterscheiden sich auch in der Verpackungstechnologie, insbesondere in Bezug auf die Kühlmethode, die Verpackungsstruktur, das Verfahren und die Kosten. HPD-Vollbrückenmodule erfordern möglicherweise eine komplexere Gestaltung und Optimierung in Bezug auf Kühlung und Leistungsverarbeitung, um eine effiziente und zuverlässige Leistung zu gewährleisten. Halbbrückenmodule hingegen können in Bezug auf Kosten und Volumen vorteilhafter sein und eignen sich für kostensensitive Anwendungen.
Analysebericht
Basierend auf den oben genannten Testdaten für Epoxidharz-Gießharz und den Erfahrungen mit anderen Tests von formgegebenen Leistungshalbleitern zeigen beide Verpackungsmethoden hervorragende Leistungen in Bezug auf Leistungszyklen und Temperaturzyklen.
IGBT Module
5. Technische Herausforderungen des Epoxidharz-Gießverfahrens**
Das Epoxidharz-Gießverfahren ist nicht fehlerfrei. Nach dem Gießen von Epoxidharz können Probleme wie Blasenbildung, Drahtausfälle, eine hohe Schrumpfungsrate während der Aushärtung sowie Risse, Ablösungen und Verformungen von IGBT-Modulen unter Temperaturschocks auftreten, die die Verpackungseffektivität und langfristige Zuverlässigkeit gefährden.
Epoxidharz weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und seine Viskosität liegt typischerweise bei 10–20 WmPa.s. Wärmeleitfähige Kleber enthalten eine große Menge an abrasiven Füllstoffen. Ein klassisches Beispiel für einen wärmeleitfähigen Füllstoff ist Aluminiumoxid, dessen Mohs-Härte bis zu 9,0 beträgt, was die Härte der meisten harten Metalle, einschließlich hochfestem Stahl, übertrifft. Daher können diese harten wärmeleitfähigen Füllstoffe im Kleber schwere Abnutzungen an der Ausrüstung verursachen, was zu Leckagen und Präzisionsproblemen bei der Dosierpumpe führt.
> Um diese technischen Herausforderungen zu bewältigen, hat unser Technikteam basierend auf mehr als 20 Jahren Erfahrung das Epoxidharz-Gießverfahren intensiv erforscht und praktisch umgesetzt. Am Beispiel von IGBT-Modulen haben wir basierend auf den Eigenschaften von Epoxidharzklebstoffen Kernkomponenten entwickelt und das XETAR-Xinyinda-Drei-Stufen-Vakuumgießgerät eingesetzt, das mit einer hochpräzisen Schneckenpumpe (der Rotor besteht aus Si3N4 mit einer Mohs-Härte von 9,4, der Stator aus hochabriebfestem NBR-Gummi) ausgestattet ist, um eine wartungsfreie Schneckenpumpe für drei Jahre zu realisieren. Dies hat effektiv die Probleme von Leckagen und Präzision der Pumpe gelöst und eine präzise Steuerung ermöglicht.
Gleichzeitig haben wir den Prozess optimiert und verbessert. Wir haben die Schrumpfungsrate während der Aushärtung erfolgreich reduziert und die Dimensionsstabilität und mechanische Festigkeit der ausgehärteten Produkte deutlich verbessert. Gleichzeitig wurde die Bildung von Blasen effektiv vermieden. Die Oberfläche der ausgehärteten Produkte ist glatt und eben, ohne Risse, Ablösungen oder Verformungen.
Darüber hinaus kann dieses System mit dem optimierten Prozess täglich bis zu 2000 Produkte mit einer Qualitätsrate von 99,99 % effizient produzieren. Dies hat die Produktionseffizienz erheblich gesteigert und die Produktionszyklen deutlich verkürzt. Dieses System eignet sich besonders für großvolumige Produktions- und Anwendungsszenarien und hat unseren Produktionsprozess erheblich verbessert.
Video zum XETAR-Xinyinda-Epoxidharz-Gießverfahren
Darüber hinaus kann dieses System mit dem optimierten Prozess täglich bis zu 2000 Produkte mit einer Qualitätsrate von 99,99 % effizient produzieren. Dies hat die Produktionseffizienz erheblich gesteigert und die Produktionszyklen deutlich verkürzt. Dieses System eignet sich besonders für großvolumige Produktions- und Anwendungsszenarien und hat unseren Produktionsprozess erheblich verbessert.
6. Fazit:
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Bereich der Verpackungstechnologie Formgebung und Gießverfahren als zwei völlig unterschiedliche Verpackungsverfahren betrachtet werden. Die Reife der Formgebungstechnologie wird die Lebensdauer von formgegebenen Bauelementen direkt beeinflussen, und SiC-Halbbrückenmodule stehen in der Verpackungstechnologie und im Verfahren immer noch vor großen Herausforderungen. Das Gießverfahren hingegen ist ausgereifter und zuverlässiger, und das HPD-Vollbrückenmodul-Gießverfahren ist nach wie vor die ausgereifteste Verpackungsform für IGBT-Leistungsmodule.
Aus der aktuellen Prozessperspektive ist das Epoxidharz-Gießverfahren in der tatsächlichen Produktion leichter zuverlässig und stabil zu realisieren. Da keine maßgeschneiderten Spritzgussformen für verschiedene Verpackungsprodukte erforderlich sind, kann ein Gießgerät kostengünstig und zuverlässig an verschiedene Verpackungsprodukte angepasst werden. Im Vergleich zum Formgebungsverfahren sind die Investitionskosten für Geräte beim Gießverfahren niedriger, die Gerätezuverlässigkeit höher und die Wartungskosten geringer. Ein zuverlässiges Gießgerät und die entsprechenden Grundprozesse können eine Produktionsqualitätsrate von über 99,99 % für verschiedene Verpackungsprodukte erreichen. Bei Produkten gleicher Klasse erfordert das Formgebungsverfahren höhere Investitionen in Geräte, da der Druck, die Einspritzmenge, die Zeit und die Temperatur genau kontrolliert werden müssen und die Toleranz des Formgebungsmaterials selbst gering ist. Daher liegt die Qualitätsrate des Formgebungsverfahrens derzeit immer noch unter 90 %.
Unter Berücksichtigung der funktionalen Unterschiede von Leistungshalbleitern und den Unterschieden im Design können Formgebungs- und Gießverfahren jeweils ihre eigenen Vorteile haben und sich nicht gegenseitig ersetzen. Zum Beispiel kann das Formgebungsverfahren bei rahmenlosem Design besser geeignet sein.
Vielleicht wird in naher Zukunft, wenn Leistungsmodule, Schaltregler und Leiterplatten zu multifunktionalen Modulen kombiniert werden, das Gießverfahren seine Vorteile voll ausspielen können.
Im Streben nach hoher Effizienz und Stabilität im Bereich der elektronischen Verpackung sind hochwertige Hardware, Technologie, ausgereifte Verfahren und zuverlässige Leistung unerlässlich.