Vorwort

Epoxidharz, eine Klasse von Polymerverbindungen, die Epoxidgruppen in ihrer Molekularstruktur enthalten, weist nach der Aush?rtung hervorragende thermische Best?ndigkeit, hohe mechanische Festigkeit, elektrische Isolierung, Zuverl?ssigkeit und mechanische Eigenschaften sowie eine geringe Schrumpfungsrate und chemische Best?ndigkeit auf. Durch die Zugabe von H?rtern bietet es zudem gute Verarbeitbarkeit und Handhabbarkeit.

1. Zusammensetzung und Struktur von Epoxidharz

Epoxidharzmoleküle bestehen haupts?chlich 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 Gie?harzverfahren und das Formgebungsverfahren als zwei Hauptverfahrenswege jeweils einzigartige Leistungsvorteile und Anwendungsbereiche, die ma?geschneiderte Verpackungsl?sungen für Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Anforderungen bieten. Im Folgenden werden wir diese beiden Verfahren umfassend analysieren.

Epoxidharz-Formgebungsverfahren

2.1 Formgebungsverfahren

Das Spritzgie?verfahren, auch als Formgebungsverfahren bekannt, ist einer der kritischen Schritte in der Verpackung von Leistungsbauelementen. Es dient dazu, den Chip, die Bonddr?hte und das Rahmenwerk (intern) sowie den Basisanschluss zu umhüllen, um den Chip und die Bonddr?hte zu schützen. Dies verhindert mechanische Besch?digungen des Chips und schützt den Chip und die Bonddr?hte vor Feuchtigkeit. Das Prinzip besteht darin, dass festes Epoxidharz-Formgebungsmaterial im Spritzgie?zylinder durch Erw?rmung erweicht und in einen flüssigen Zustand versetzt wird. Das flüssige Epoxidharz wird dann durch den Druck, der von der Spritzgie?einheit erzeugt wird, in den Formhohlraum, der das Rahmenwerk enth?lt, injiziert. Anschlie?end erfolgt die Aush?rtung unter Druck, wodurch eine spezifische Form entsteht, die den Chip und die Bonddr?hte 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 Erw?rmung wird sichergestellt, dass die Form die für das Spritzgie?en geeignete Temperatur erreicht, sodass das Harz den Formhohlraum besser ausfüllen kann.

3. Clamp

3. Schlie?en 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 Beh?lter au?erhalb der Form (Pot) platziert. Unter einem bestimmten Druck wird das vorgew?rmte flüssige Epoxidharz durch den Einlass (Gate Insert) in die Form injiziert. Das flie?ende Epoxidharz umhüllt den Chip und das Leiterrahmen vollst?ndig und füllt den gesamten Formhohlraum aus.

5. Cure

5. Aush?rten

Nachdem das Epoxidharz in die Form injiziert wurde, muss es durch Erw?rmung weiter ausgeh?rtet werden, um es von einem halbfesten Zustand in eine feste Schutzschale zu verwandeln.

6. Demold

6. Entformen

Nach der Aush?rtung wird die Form ge?ffnet 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 Formgebungsverpackungsger?te haben eine geringe Tonnage, einen kleinen Platzbedarf für die Forminstallation und werden haupts?chlich für die Produktverpackung verwendet. Die Ger?te selbst sind kostspielig und haben hohe Wartungskosten. Bei der Verwendung von Formgebungsger?ten treten die meisten Ausf?lle (95 % bis 100 %) w?hrend des Produktionsbetriebs auf, w?hrend nur wenige (5 % bis 15 %) vor dem Betrieb sichtbar sind. Diese pl?tzlichen Ausf?lle haben erhebliche Auswirkungen auf die Produktion.

Chip-Verpackungsformen sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Chip-Produktion und spielen eine wichtige Rolle für die Leistung und Stabilit?t der Schaltung. Unterschiedliche Chips erfordern unterschiedliche Arten von Verpackungsformen. Basierend auf verschiedenen Verpackungsmaterialien und Herstellungsverfahren werden Halbleiter-Formgebungsformen haupts?chlich in anorganische und organische Formen unterteilt.

Da für die Formgebung von Chips haupts?chlich Epoxidharz verwendet wird, das im ungeh?rteten Zustand oft eine hohe Korrosivit?t 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 leitf?higen Kleber oder dem Rahmen führt. Diese Delamination oder Rissbildung kann zu Verschlei? an der Ausrüstung führen, insbesondere w?hrend des Betriebs, wo Reibung und Vibrationen diesen Verschlei? verst?rken und den normalen Betrieb und die Lebensdauer der Ausrüstung beeintr?chtigen. 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 Qualit?t von Halbleiterbauelementen erheblich. W?hrend des Verpackungsprozesses kann es aufgrund von zu hohen Spannungen zu Delamination oder Rissen zwischen dem Chip, dem Basisanschluss, dem leitf?higen Kleber oder dem Rahmen kommen, oder zu hohe Ionenkonzentrationen k?nnen zu einem Ausfall der elektrischen Leistung des Chips führen. Eines der gr??ten Probleme, das die Halbleiterindustrie besch?ftigt, ist das Problem der Delamination, dessen wahre Ursache oft schwer zu bestimmen ist und manchmal zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen kann.

 

分層問題 Delamination

 

 Rissbildung

2. Füllprobleme bei der Verpackung**

Unterschiede in den Leistungsparametern des Formgebungsmaterials, die Position des Einspritzpunkts und das Design des Flie?kanals in der Formgebungsform, Unterschiede im Formgebungsverfahren sowie das Design der Produktstruktur (einschlie?lich der Struktur des Leiterrahmens) k?nnen zu Füllproblemen im Formgebungsprozess führen, was die Produktausbeute und die Dichtigkeit des Produkts verringert und die W?rmeableitung beeintr?chtigt.

Die Qualit?tsrate von Halbleiter-Formgebungschips liegt derzeit allgemein unter 90 %. Die Schlüsselfaktoren, die diese Qualit?tsrate beeinflussen, umfassen die Qualit?t der Verpackungsmaterialien, die Reife des Produktionsprozesses, die Stabilit?t des Ger?tezustands und die Standardisierung der manuellen Bedienung. Diese Faktoren wirken gemeinsam auf den Produktionsprozess und haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualit?tsrate der Chips.

3. Vakuumgie?verfahren mit Epoxidharz

Das Vergie?verfahren besteht darin, flüssiges Verpackungsmaterial in den Hohlraum zwischen dem Geh?use und dem Sockel des elektronischen Bauteils zu injizieren, um es vollst?ndig zu füllen und dann auszuh?rten, wodurch eine geschlossene Schutzschicht entsteht. Diese Schutzschicht kann effektiv den Einfluss der ?u?eren Umgebung auf das elektronische Bauteil isolieren und gleichzeitig eine gewisse W?rmeableitung bieten, um die Betriebstemperatur des elektronischen Bauteils zu senken.

Automatisierte Vergie?ger?te k?nnen die Menge des Verpackungsmaterials basierend auf der Form und Gr??e des elektronischen Bauteils automatisch anpassen, um eine effiziente und pr?zise Vergie?ung zu erreichen. Diese Methode eignet sich für die Massenproduktion und kann die Produktionseffizienz und Produktqualit?t verbessern. Der Prozess umfasst: Vorw?rmen des Produkts, Entgasen und Vorrühren des Rohmaterials, Evakuieren des Hohlraums, Einspritzen des Harzes, wenn der Vakuumgrad den eingestellten Wert erreicht, und Aush?rten.

 Video zum Prinzip des Vakuumgie?verfahrens

Produktvorbereitung ? Vorw?rmen ? Vorbehandlung des Vergie?harzes ? Vakuumgie?en ? Aush?rten usw.

Daher haben diese beiden Verpackungsverfahren jeweils ihre eigenen Besonderheiten. Im Vergleich dazu ist das Formgebungsverfahren komplexer und erfordert w?hrend des gesamten Prozesses eine h?here Gesamtf?higkeit des Personals. W?hrend des Betriebs k?nnen einige pl?tzliche Probleme auftreten, wie z.B. Unterschiede in der Verpackungsmethode, Gr??enunterschiede, hohe Ausfallraten, hohe Kosten für Ger?te und Formen sowie hohe Wartungskosten.

Das automatisierte Vergie?verfahren hingegen zeigt deutliche Vorteile. Es kann die Menge des Verpackungsmaterials basierend auf der spezifischen Form und Gr??e des elektronischen Bauteils automatisch anpassen, um eine effiziente und pr?zise Vergie?ung zu erreichen. Das Verfahren ist nicht nur einfacher zu bedienen, sondern auch intelligenter, was die Belastung des Bedienpersonals erheblich verringert. Gleichzeitig weisen die Ger?te eine hohe Stabilit?t und Zuverl?ssigkeit auf, was die H?ufigkeit von Ger?teausf?llen reduziert und den Wartungsbedarf verringert.

4. Vergleich zwischen Vakuumgie?verfahren und Formgebungsverfahren mit Epoxidharz

4.1 Klassifizierung von Halbleitermodulen

Halbleitermodule k?nnen 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 haupts?chlich 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 erh?ltlichen SiC-Halbbrückenmodule verwenden das Halbbrücken-Formgebungsverfahren, das typischerweise aus dem Chip, dem Isoliersubstrat, dem Kühlk?rper, dem Bondmaterial, dem Dichtmittel und dem Geh?use besteht. Die Methode ist flexibler und erm?glicht in Kombination mit Schlüsseltechnologien wie Silbersintern und Formgebungsübertragung nicht nur eine gleichm??igere Stromdichteverteilung, sondern auch eine bessere Leistung in Bezug auf thermische Kapazit?t, thermischen Widerstand und Streuinduktivit?t.

Am 23. Dezember ver?ffentlichte 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 Leistungszyklusf?higkeit 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 haupts?chlich HPD-Module verwendeten, w?hrend 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, einschlie?lich parasit?rer Parameter, Modulkühlung und elektromagnetischer Interferenz. Die Verpackung kann Risse oder Delaminationen sowie Füllprobleme verursachen.

Derzeit verwenden kommerzielle SiC-Leistungsmodule für Automobilanwendungen haupts?chlich die traditionelle Gie?harzverpackungstechnologie 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 m?glicherweise eine komplexere Gestaltung und Optimierung in Bezug auf Kühlung und Leistungsverarbeitung, um eine effiziente und zuverl?ssige Leistung zu gew?hrleisten. Halbbrückenmodule hingegen k?nnen in Bezug auf Kosten und Volumen vorteilhafter sein und eignen sich für kostensensitive Anwendungen.

 

 

 Analysebericht

Basierend auf den oben genannten Testdaten für Epoxidharz-Gie?harz 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-Gie?verfahrens**

Das Epoxidharz-Gie?verfahren ist nicht fehlerfrei. Nach dem Gie?en von Epoxidharz k?nnen Probleme wie Blasenbildung, Drahtausf?lle, eine hohe Schrumpfungsrate w?hrend der Aush?rtung sowie Risse, Abl?sungen und Verformungen von IGBT-Modulen unter Temperaturschocks auftreten, die die Verpackungseffektivit?t und langfristige Zuverl?ssigkeit gef?hrden.

Epoxidharz weist eine hohe W?rmeleitf?higkeit auf, und seine Viskosit?t liegt typischerweise bei 10–20 WmPa.s. W?rmeleitf?hige Kleber enthalten eine gro?e Menge an abrasiven Füllstoffen. Ein klassisches Beispiel für einen w?rmeleitf?higen Füllstoff ist Aluminiumoxid, dessen Mohs-H?rte bis zu 9,0 betr?gt, was die H?rte der meisten harten Metalle, einschlie?lich hochfestem Stahl, übertrifft. Daher k?nnen diese harten w?rmeleitf?higen Füllstoffe im Kleber schwere Abnutzungen an der Ausrüstung verursachen, was zu Leckagen und Pr?zisionsproblemen bei der Dosierpumpe führt.

> Um diese technischen Herausforderungen zu bew?ltigen, hat unser Technikteam basierend auf mehr als 20 Jahren Erfahrung das Epoxidharz-Gie?verfahren 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-Vakuumgie?ger?t eingesetzt, das mit einer hochpr?zisen Schneckenpumpe (der Rotor besteht aus Si3N4 mit einer Mohs-H?rte 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 Pr?zision der Pumpe gel?st und eine pr?zise Steuerung erm?glicht.

Gleichzeitig haben wir den Prozess optimiert und verbessert. Wir haben die Schrumpfungsrate w?hrend der Aush?rtung erfolgreich reduziert und die Dimensionsstabilit?t und mechanische Festigkeit der ausgeh?rteten Produkte deutlich verbessert. Gleichzeitig wurde die Bildung von Blasen effektiv vermieden. Die Oberfl?che der ausgeh?rteten Produkte ist glatt und eben, ohne Risse, Abl?sungen oder Verformungen.

Darüber hinaus kann dieses System mit dem optimierten Prozess t?glich bis zu 2000 Produkte mit einer Qualit?tsrate von 99,99 % effizient produzieren. Dies hat die Produktionseffizienz erheblich gesteigert und die Produktionszyklen deutlich verkürzt. Dieses System eignet sich besonders für gro?volumige Produktions- und Anwendungsszenarien und hat unseren Produktionsprozess erheblich verbessert.

 Video zum XETAR-Xinyinda-Epoxidharz-Gie?verfahren

Darüber hinaus kann dieses System mit dem optimierten Prozess t?glich bis zu 2000 Produkte mit einer Qualit?tsrate von 99,99 % effizient produzieren. Dies hat die Produktionseffizienz erheblich gesteigert und die Produktionszyklen deutlich verkürzt. Dieses System eignet sich besonders für gro?volumige Produktions- und Anwendungsszenarien und hat unseren Produktionsprozess erheblich verbessert.

6. Fazit:

Zusammenfassend l?sst sich sagen, dass im Bereich der Verpackungstechnologie Formgebung und Gie?verfahren als zwei v?llig 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 gro?en Herausforderungen. Das Gie?verfahren hingegen ist ausgereifter und zuverl?ssiger, und das HPD-Vollbrückenmodul-Gie?verfahren ist nach wie vor die ausgereifteste Verpackungsform für IGBT-Leistungsmodule.

Aus der aktuellen Prozessperspektive ist das Epoxidharz-Gie?verfahren in der tats?chlichen Produktion leichter zuverl?ssig und stabil zu realisieren. Da keine ma?geschneiderten Spritzgussformen für verschiedene Verpackungsprodukte erforderlich sind, kann ein Gie?ger?t kostengünstig und zuverl?ssig an verschiedene Verpackungsprodukte angepasst werden. Im Vergleich zum Formgebungsverfahren sind die Investitionskosten für Ger?te beim Gie?verfahren niedriger, die Ger?tezuverl?ssigkeit h?her und die Wartungskosten geringer. Ein zuverl?ssiges Gie?ger?t und die entsprechenden Grundprozesse k?nnen eine Produktionsqualit?tsrate von über 99,99 % für verschiedene Verpackungsprodukte erreichen. Bei Produkten gleicher Klasse erfordert das Formgebungsverfahren h?here Investitionen in Ger?te, 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 Qualit?tsrate des Formgebungsverfahrens derzeit immer noch unter 90 %.

Unter Berücksichtigung der funktionalen Unterschiede von Leistungshalbleitern und den Unterschieden im Design k?nnen Formgebungs- und Gie?verfahren 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 Gie?verfahren seine Vorteile voll ausspielen k?nnen.

Im Streben nach hoher Effizienz und Stabilit?t im Bereich der elektronischen Verpackung sind hochwertige Hardware, Technologie, ausgereifte Verfahren und zuverl?ssige Leistung unerl?sslich.