News: Mikroelektronik
2 Dezember 2024
QPT meldet Patent für Chipbefestigungsverfahren an, das die Ableitung von Abwärme um das bis zu 15-fache steigert
Da die von Transistoren verarbeitete Leistung zur Deckung des Bedarfs neuer Anwendungen zunimmt, wird es für die Verpackung von Leistungselektronik zunehmend schwieriger, die Abwärme vom Chip abzuführen. Das unabhängige Leistungselektronikunternehmen Quantum Power Transformation (QPT) Ltd aus Cambridge, Großbritannien – das 2019 gegründet wurde und auf Galliumnitrid (GaN) basierende Elektromotorsteuerungen entwickelt – hat daher ein Patent für eine neuartige Methode zur Befestigung von Chips an Wärmeverteilern oder Substraten angemeldet, die typischerweise aus Aluminiumnitrid (AlN) bestehen. Laut QPT bietet dies mit dem Namen qAttach eine viel bessere Möglichkeit, Wärme vom Chip abzuleiten, und erhöht zudem die Zuverlässigkeit, da der Montageprozess die Substrate weniger belastet, was eine der größten Herausforderungen für die Verpackungsindustrie für Hochleistungshalbleiter darstellt.
QPT entwickelte das neue Verfahren für die Verwendung mit den Galliumnitrid-Transistoren (GaN), die es in seinen Elektromotorsteuerungsdesigns verwendet, um sie in die Lage zu versetzen, die enormen Mengen an Abwärme zu bewältigen, die bei ihrer Verwendung für Hochleistungs-, Hochspannungsanwendungen und bei hoher Frequenz entstehen. Es werden jetzt GaN-Transistoren hergestellt, die für hohe Spannungen ausgelegt sind, aber die Chipgröße ist für Hochspannungstransistoren relativ klein, was bedeutet, dass weniger Oberfläche vorhanden ist, von der Wärme abgeführt werden muss. Daher werden sie oft heruntergestuft, damit sie ohne Überhitzung funktionieren können. qAttach soll dieses Problem lösen, da nun deutlich mehr Wärme effizient vom Chip abgeführt werden kann, sodass dieser nicht überhitzt. Dies ermöglicht es nun, GaN effizient für Hochleistungs-, Hochspannungsanwendungen der nächsten Generation in Automobil- und Industriemotoren einzusetzen und endlich das Versprechen kostengünstiger Hochspannungs-GaN-Transistoren einzulösen.
„Das Problem beim aktuellen Befestigungsansatz besteht darin, dass die Sinterschicht, die den Chip am Substrat befestigt, normalerweise 30–60 μm dick ist und eine Wärmebarriere bildet, die die Wärmeableitung vom Chip behindert“, bemerkt Chief Technology Officer Rob Gwynne. „Wir verwenden zuverlässige, bewährte Technologien aus anderen Bereichen auf neuartige Weise, um die qAttach-Befestigungsschicht zu erstellen, die möglicherweise nur einen Bruchteil eines Mikrometers dick ist. Diese deutliche Reduzierung der Wärmebarrieredicke bedeutet, dass unsere Lösung die Abwärme bis zu zehnmal besser vom Chip ableitet“, fügt er hinzu. „Wenn wir den Prozess verfeinern, erwarten wir sogar noch bessere Wärmeübertragungsraten durch diese Schicht.“
Beim herkömmlichen Ansatz muss die Wärme vom Chip durch die dicke Sinterschicht zum Substrat gelangen, um über den Kühlkörper abgeleitet zu werden, wie in Abbildung 1, erklärt Gwynne. Die Leiterplatte ist an der Oberseite angebracht (und in eingebetteten Gehäusen um den Wärmeverteiler herum), sodass auf diese Weise nur wenig Wärme abgeleitet wird. Die neue Struktur von QPT in Abbildung 2 ist ein Sandwich aus Kühlkörper, Substrat, qAttach-Schicht, Chip, qAttach-Schicht, Substrat und Kühlkörper, wobei die Leiterplatte die Struktur an den Seiten umgibt. Da die qAttach-Schicht ultradünn ist, kann Wärme viel schneller hindurch- und weggeleitet werden. Außerdem kann dies jetzt auch von der Oberseite des Chips aus geschehen, um die Gesamtwärmeabfuhrrate um das bis zu 15-fache zu erhöhen.
Die qAttach-Technologie soll gegenüber dem bestehenden Sinterverfahren weitere Verbesserungen aufweisen. Erstens kann das Substrat viel dünner sein, da die Anwendung der beim Sintern erforderlichen großen Kraft nicht erforderlich ist. Das dünnere Substrat verringert den Wärmewiderstand erheblich und erleichtert so die Wärmeableitung zum Kühlkörper.
Zweitens bedeutet der geringere Druck, der für diesen Prozess erforderlich ist, dass die Fertigungsbelastung der Matrizen geringer ist. Dies verringert die Möglichkeit eines Geräteausfalls, was insbesondere für Automobilunternehmen von Interesse ist, bei denen Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.
Drittens ist die ultradünne qAttach-Schicht kein laminares Blatt. Sie hat eine proprietäre Geometrie, die die Ausdehnung bei Erhitzung hauptsächlich in der Z-Achse (die senkrecht zur qAttach-Schicht steht) beschränkt, sodass es nicht zu einer Delamination der Befestigungsschicht von Chip und Substrat kommt, was bei bestehenden Befestigungsmethoden ein großes Problem darstellt. Dies liegt daran, dass die herkömmliche, durchgehende Schicht des gesinterten Ansatzes eine etwa siebenmal höhere Wärmeausdehnung als der Chip und eine etwa dreimal höhere als das AlN-Substrat aufweist. Diese unterschiedlichen Ausdehnungsraten erzeugen über die Länge eines großen Leistungschips erhebliche Spannungen, die dazu führen können, dass die Struktur bei Erhitzung auseinanderreißt. Diese Delamination ist die häufigste Ursache für Fehler in Leistungspaketen, sodass dieser neue Ansatz die Zuverlässigkeit des montierten Geräts weiter verbessert.
„Unser neues qAttach-Verfahren ist eine universelle Lösung für das wachsende Problem der Ableitung von Abwärme, das sonst die Entwicklung von Leistungselektronik der nächsten Generation behindern würde“, sagt Gwynne. „Die Fähigkeit von qAttach, die Wärmeableitung vom Chip um das bis zu 15-fache zu verbessern, kann auch zur Ableitung von Abwärme von fast allen anderen Transistortypen wie Siliziumkarbid (SiC) verwendet werden, damit diese höhere Leistungslasten bewältigen können als derzeit“, fügt er hinzu. „Wir haben bereits einige führende multinationale Unternehmen, die an der Lizenzierung dieses Verfahrens interessiert sind, da sie die strategischen Vorteile erkennen, die diese Innovation ihren Produktlinien bringen würde.“
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- Quelle: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2024/dec/qpt-021224.shtml
