أخبار التكنولوجيا

تلبيد مساحة كبيرة لتغليف وحدة الطاقة عالية الأداء



تقليديًا، تم لحام أجهزة الطاقة السيليكونية مثل IGBTs أو MOSFETs على الركيزة المعدنية الخزفية، وتم استخدام روابط أسلاك الألمنيوم كتقنية للتوصيل البيني، وتم استخدام معجون اللحام أو الشحم الحراري لتوصيل وحدة الطاقة باللوحة الأساسية أو المبرد. يظهر هذا الهيكل في الشكل 1 (يسار).

الحزمة التقليدية لأجهزة السيليكون (يسار)؛  الحزمة المستقبلية عالية الموثوقية لأجهزة SiC (يمين).
الشكل 1: الحزمة التقليدية لأجهزة السيليكون (يسار)؛ الحزمة المستقبلية عالية الموثوقية لأجهزة SiC (يمين)

يجب أن تخضع تكنولوجيا حزمة وحدات الطاقة لتغييرات جذرية بسبب الطرح السريع في السوق لأجهزة كربيد السيليكون ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) لتطبيقات السيارات والطاقة الجديدة والتطبيقات الصناعية. يمكن لأجهزة SiC مثل الثنائيات أو الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) أن تعمل في درجات حرارة أعلى، وتزيد من كثافة الطاقة، وبالتالي تفرض ضغطًا ميكانيكيًا حراريًا أكبر على مواد التعبئة والتغليف. يوضح الشكل 1 (يمين) مفهوم التعبئة والتغليف المتقدم الذي تم تحسينه لتحقيق أعلى موثوقية وأقصى قدر من الكفاءة بالاشتراك مع أشباه الموصلات WBG.

تم تجهيز الوحدة المستقبلية بنظام Heraeus Die Top System لتمكين ربط الأسلاك النحاسية (Cu) أعلى القالب، جنبًا إلى جنب مع تقنية التلبيد الفضية (Ag) لتوصيل الشريحة بالركيزة. آل2يا3يجب استبدال الركائز الخزفية المعدنية القائمة على العبوات التقليدية بمادة Si عالية التوصيل للحرارة3ن4ركائز معدنية نشطة مصنوعة من النحاس (AMB) لزيادة الموثوقية والأداء (الشكل 1، يمين). وأخيرًا، يتم استبدال مادة اللحام، التي تربط الوحدة باللوحة الأساسية، بمادة ملبدة من مادة Ag موثوقة للغاية وموصلة للحرارة للغاية. تُسمى هذه العملية “تلبد منطقة كبيرة”، حيث يتم تلبيد الوحدات الكاملة على المبرد.

يظهر الشكل 2 التحسن في الأداء الحراري باستخدام تلبيد مساحة كبيرة بدلاً من اللحام، حيث تمت محاكاة انخفاض درجة حرارة القالب بمقدار 22 درجة مئوية عند التغيير من مفهوم التغليف الملحوم بالكامل (يسار، Tالأعلى = 193 درجة مئوية) لمفهوم التغليف الملبد بالكامل (يمين، Tالأعلى = 171 درجة مئوية). يسمح التحسن في المقاومة الحرارية باستخدام شرائح أصغر وبالتالي أكثر فعالية من حيث التكلفة لتحقيق نفس طاقة الخرج للجهاز أو تشغيل تيار أكثر من خلال نفس أشباه الموصلات بنفس التكلفة الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، تعد مسألة موثوقية المفصل فيما يتعلق بالتدوير الحراري أحد الجوانب الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار.

تلبيد مساحة كبيرة للمناطق التي تتجاوز 300 ملم2 لا تزال تقنية حديثة إلى حد ما، ولا يوجد الكثير من الوحدات التي تستخدم هذه التقنية في هذا المجال. ومع ذلك، من المتوقع زيادة الطلب بسبب الكهربة السريعة لسيارات الركاب وشركات صناعة السيارات التي تسعى جاهدة لتحقيق أعلى مستويات الموثوقية. يضع هذا الاتجاه متطلبات جديدة لمصنعي معجون الملبد مثل Heraeus وموردي مكابس الملبد مثل AMX Automatrix. في حين أن تركيب القالب محدود بحجم الرقاقة، فإن مناطق تلبيد المساحة الكبيرة تكون أكبر بكثير – في نطاق> 2500 مم2، اعتمادًا على حجم الوحدة. ظهرت العديد من المفاهيم، مثل الوضع الرطب والجاف للوحدة في العجينة، والعديد من طرق تطبيق العجينة، مثل طباعة الاستنسل أو التوزيع، وكلها لها مزاياها وعيوبها المحددة. لذلك، يجب إجراء اختيار دقيق للمعجون المناسب وطريقة التطبيق وتكنولوجيا التلبيد لكل عبوة.

نتائج محاكاة ANSYS لتوزيع درجة حرارة الحالة الثابتة لمفاهيم التغليف المختلفة.
الشكل 2: نتائج محاكاة ANSYS لتوزيع درجة حرارة الحالة الثابتة لمفاهيم التغليف المختلفة. من اليسار إلى اليمين: الوحدة النمطية والملحومة بالقالب، الوحدة الملحومة والمتكلسة بالقالب، الوحدة الملبدة بالكامل. تفاصيل المحاكاة: Ploss = 202 وات لكل شريحة، حجم قالب SiC 5 × 5 × 0.15 مم3.

أنواع لصق Heraeus لتلبد مساحة كبيرة

تفاعل Heraeus مع الاتجاه نحو تلبيد مساحة كبيرة من خلال تطوير معاجين تلبيد الضغط Ag، PE360P وPE360D، كما هو موضح في الشكل 3. يركز هذا القسم على الخصائص المشتركة لـ PE360P؛ من المتوقع أن تكون النتائج التي تم الحصول عليها عن طريق توزيع الخصائص هي نفسها وسيتم مناقشتها في مكان آخر.

تم تصميم PE360P لتطبيقات الطباعة مثل طباعة الاستنسل أو طباعة الشاشة ويضمن إمكانية المعالجة لأكثر من 8 ساعات على آلة الطباعة. تم تصميم PE360P لوضع العبوات المقولبة أو الركائز العارية في مقاس 40 × 40 مم2 إلى 100 × 100 ملم2 تتراوح على العجينة المجففة مسبقًا. بالنسبة لهذا الحجم، تكون عملية الوضع الجاف مناسبة، حيث تتم عملية تجفيف العجينة دون تغطية العجينة بالوحدة أو اللوح الأساسي، مما يضمن التبخر الفعال للمذيبات والمواد المضافة قبل عملية التلبيد الفعلية. ومع ذلك، فإن تأثير التواء الوحدة واللوح الأساسي يمثل عائقًا لعملية الوضع الجاف، وهو أمر يحتاج إلى معالجة. يظهر الشكل 4 تدفق العملية للوضع الجاف والوضع الرطب.

 
يظهر مثال على أداء معجون PE360P في الشكل 5. تم تلبيد ركائز AMB ذات السطح الفضي على ألواح مسطحة مصنوعة من النحاس. تم استخدام الألواح الأساسية للتلبيد إما بسطح النحاس العاري أو طلاء Ag. تم إجراء التلبيد على جهاز AMX P101 بقوة 20 ميجا باسكال و250 درجة مئوية في النيتروجين لمدة 5 دقائق. تم تجفيف المعجون بالكامل قبل التلبد. تُظهِر عمليات المسح بالموجات فوق الصوتية المقابلة اتصالاً ممتازًا وعدم وجود أي فراغ مرئي تقريبًا على الألواح الأساسية المطلية بالنحاس والفضة، مما يشير إلى اتصال حراري وميكانيكي مثالي بين الركيزة والمبرد.

تعد أنواع المعجون PE360 من شركة Heraeus Electronics مناسبة لتطبيقات تلبيد المساحات الكبيرة.
الشكل 3: أنواع المعجون PE360 من شركة Heraeus Electronics المناسبة لتطبيقات التلبيد ذات المساحة الكبيرة

علاوة على ذلك، خضعت موثوقية وصلة التلبيد لاختبار دورة درجة الحرارة (TCT). لهذا الغرض، تم تلبيد ركائز AMB المطلية بـ Ag بسماكة 0.3 مم من النحاس على الألواح الأساسية النحاسية المطلية بـ Ag (معجون P360P، درجة حرارة اللبيدة 230 درجة مئوية، وقت اللبيدة 5 دقائق، ضغط 12 ميجا باسكال). تم فحص المنطقة المصفحة عن طريق المسح بالموجات فوق الصوتية بعد 1000 دورة و2000 دورة من الصدمة الحرارية. يتم عرض الصور الناتجة في الشكل 6. بعد 1000 دورة من التدوير الحراري، لا يمكن رؤية أي تصفيح تقريبًا عند استخدام تلبيد مساحة كبيرة. يمكن اكتشاف العيوب البسيطة فقط في زوايا عينات الاختبار، والتي يمكن معالجتها لأعلى مستويات الإجهاد التي تحدث في هذه المواضع. يقع التصفيح بشكل أساسي على جانب اللوح الأساسي للاتصال. يتم رؤية تغييرات طفيفة فقط عند 2000 دورة من TCT، مما يثبت الموثوقية الممتازة لمفصل الملبد.

تدفق العملية لكلا النوعين PE360، بما في ذلك الوضع الرطب أو الجاف.
الشكل 4: تدفق العملية لكلا النوعين PE360، بما في ذلك الوضع الرطب أو الجاف
تدفق العملية ومسح الصور المجهرية الصوتية لركائز AMB الملبدة PE360P على ألواح النحاس العارية المطلية بـ Ag.
الشكل 5: تدفق العملية ومسح الصور المجهرية الصوتية لركائز AMB الملبدة بـ PE360P على ألواح النحاس العارية والمطلية بـ Ag
مسح الصور المجهرية الصوتية لجانب AMB وجانب اللوح الأساسي بعد ركوب الدراجات الحرارية.
الشكل 6: مسح الصور المجهرية الصوتية لجانب AMB وجانب اللوح الأساسي بعد ركوب الدراجات الحرارية. تبلغ مساحة كل من الركائز حوالي 1000 مم2. حالة TCT: -55 درجة مئوية/150 درجة مئوية (مدة بقاء 20 دقيقة).

معدات المساحة الكبيرة P201X HS

استجابة للطلب الواضح الصادر من صناعة السيارات وموردي المستوى الأول، قامت AMX بتوسيع مجموعة معداتها الحالية، الموجهة خصيصًا نحو دمج الآلات المتخصصة المصممة لتلبية الاحتياجات الفورية لتطبيقات التلبيد ذات المساحة الكبيرة.

وضمن هذه المبادرة، تمت زيادة مساحة التلبيد بشكل كبير، حيث وصلت أبعادها إلى 300 × 300 ملم لوحدة البحث والتطوير (X-Sinter P55). في الوقت نفسه، خضعت معدات الإنتاج الضخم (X-Sinter P201X) لتحسينات لتلبية متطلبات تطبيقات تلبيد ضغط المبدد الحراري، وبلغت ذروتها في تقديم طراز X-Sinter P201X HS.

كان الهدف الأساسي من هذه التعديلات هو تحسين عمليات الإنتاج المجمعة مع الحفاظ على معدل إنتاج مرتفع، كما يتضح من معيار VDI 3423 الذي يتجاوز 99%. تم تصميم الوحدات بحيث تتكامل بسلاسة ضمن سيناريو سير العمل الآلي بالكامل. على صعيد البرمجيات، هذه الوحدات قابلة للتكيف مع شبكات Industry 4.0 من خلال التوافق مع أنظمة الاتصالات مثل SecsGem أو OPCUA أو OPCON أو منصات MES المتقدمة الأخرى.

علاوة على ذلك، تم تعزيز وقت دورة العملية من خلال دمج نظام التسخين المسبق، مما يضمن الحفاظ على درجات حرارة مرتفعة في المبرد، تكملها لوحة التبريد اللاحق بعد التلبيد. تتوفر أيضًا خزانة نيتروجين كاملة اختيارية، تعمل كإجراء وقائي ضد أكسدة قضيب التوصيل. يؤكد هذا النهج الشامل التزام AMX بتطوير القدرات التكنولوجية بما يتوافق مع متطلبات الصناعة.

الشكل 7: X-Sinter P201X HS

يُظهر معجون Heraeus’s PE360 ومعدات AMX فوائد تلبيد مساحة كبيرة، بما في ذلك تحسين المقاومة الحرارية والموثوقية. تقدم كلتا الشركتين حلولاً رائدة لمتطلبات تطبيقات التلبيد المستقبلية.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

إلكترونيات الطاقة_يونيو_2024

ظهر المقال تلبيد منطقة كبيرة لتغليف وحدات الطاقة عالية الأداء للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *