电动汽车核心部件芯片的封装工艺研究

电动汽车核心部件芯片的封装工艺研究

韦相福

广西交通职业技术学院，广西壮族自治区 南宁 530013

注：本文系“2023年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目——电动汽车高功率逆变器芯片的封装技术研究（2023KY1154）”和“广西交通职业技术学院 2021 年度校级科学研究项目“基于智能汽车激光雷达的封装工艺研究”(JZY2022KAQ02)”的阶段性研究成果。

摘要：高功率逆变器是电动汽车电机驱动系统中的关键核心部件之一，传统的逆变器芯片与基板的连接工艺难以满足汽车对热冲击、热压力等可靠性的要求。为保证汽车电机驱动系统的正常稳定运行，铜柱封装技术被应用于高功率逆变器芯片与基本的连接。至今，工业上铜柱封装工艺存在铜柱共面性低的问题。本文针对行业这一瓶颈性问题展开研究，提出实现优质铜柱电镀的工艺方案。研究发现，辅助阴极是提高铜柱共面性的关键途径，此方法有助于提高逆变器性能和可靠性。

关键词：电动汽车、逆变器、有限元仿真、电镀铜

0引言

电动汽车作为清洁能源交通工具的代表，已经在全球范围内受到广泛关注和推广。与传统的内燃机汽车相比，电动汽车具有零排放、低噪音和高效能等显著优势，因此被认为是未来可持续交通的重要解决方案之一。然而，要实现电动汽车的广泛普及和进一步提升其性能，一个至关重要的技术组成部分是高功率逆变器芯片[1-3]。

逆变器是电动汽车动力系统中的核心组件之一，它负责将电池储存的直流电能转换为驱动电动机所需的交流电能。逆变器的性能直接影响到电动汽车的驱动效率、续航里程以及整体可靠性。为了满足不断增长的电动汽车市场需求，必须不断提高逆变器的功率密度、效率和可靠性，同时降低制造成本。

在逆变器的设计中，芯片封装工艺起着至关重要的作用。芯片封装工艺直接影响到逆变器的散热性能、电磁兼容性和机械稳定性。尤其是高功率逆变器，其散热要求更为严格，对封装工艺的要求也更高。因此，深入研究和优化电动汽车高功率逆变器芯片的关键封装工艺是当前电动汽车领域亟待解决的技术问题之一。

本论文旨在探讨电动汽车高功率逆变器芯片关键封装工艺——铜柱凸块封装技术，并提出提高该封装工艺制造水平的方法，以提高逆变器的性能和可靠性[4-7]。本文将通过有限元仿真的方法，深入分析辅助阴极对铜柱共面性的影响，提取出最佳的电镀参数，实现高品质的铜柱凸块制造，为电动汽车的可持续发展提供技术支持。我们的研究旨在为电动汽车行业的技术创新和产品改进提供有力的理论和实践依据，促进清洁能源交通的普及和发展。

1有限元模型及电镀原理

（1）有限元模型

采用电镀技术来构建铜柱阵列是一种常见的制造方法。图1展示了这一过程的电镀模型。在图（a）中，红色部分表示铜柱阵列的通孔结构，该结构在电镀过程中与负极（阴极）相连接。相对应地，它的对面则与正极（阳极）建立连接。一旦正负极接入电源，便可以开始对通孔阵列进行电镀操作。为了在计算效率与模拟精度之间达到平衡，我们对通孔阵列的结构区域进行了网格细化处理。同时，在电解液区域中，我们选择使用更粗糙的网格结构，以便简化计算，如图（b）所示。这样，既能确保电镀过程的模拟准确度，也能优化计算效率。

图1铜柱阵列电镀模型

（2）电镀原理

铜柱的电镀制造需要利用光刻技术在光刻胶上刻蚀出具有一定特征的通孔阵列，完成显影及粗化等处理后，将电镀试样放置到电镀装置中，利用电镀铜技术完成铜柱的制造。电镀铜过程中，主要涉及到电化学反应、离子输运以及对流扩散等复杂的物理化学过程。因此，在模拟仿真方面，可以采用Nernst-Planck方程、Navier-Stokes方程和连续性方程、Butler-Volmer方程和法拉第定律，分别描述电镀铜过程涉及到的电荷迁移、扩散传质、对流传质、电荷转移和镀层变化等复杂行为，然后，采用有限元软件对偏微分方程进行求解[58-59]。

为了厘清关键电镀参数对铜柱共面性的影响，本研究选择静止的电镀环境。因此，模拟过程主要涉及到 Bulter-Volmer 方程（1）和法拉第定律（2），其中Bulter-Volmer是用来描述阴极表面的铜沉积过程。

                                            （1）

其中，为阴极表面的电流密度；为交换电流密度；为阳极转化系数；为阴极传递系数；为法拉第常数；为摩尔气体常数；为电镀温度；为过电势。再此基础上，结合法拉第定律即可得到铜离子的沉积速率。

                                                         （2）

其中，为沉积速度；为铜的摩尔质量；为铜的密度；为计量系数；为参与反应时的电子数。

最后，本文设计了三个不同的辅助阴极结构，用以对比分析不同的阴极结构对铜柱共面性的影响程度。

2结果与分析

本文选取了电镀电流为-10 mA/cm

2、铜离子浓度为300 mol/m3、电解质导电率为6 S/m以及有无辅助阴极的施镀参数，进行时长为15 h的电镀模拟仿真。

当电镀结构中不加入辅助阴极时，所得到的铜柱的共面性非常低，尤其是分布于边缘区域的铜柱生长速度异常之快，而铜柱阵列中心区域则电镀速率较慢，这中差异导致了铜柱共面性非常低，不利于大批量铜柱的制造，具体如图2（a）所示。造成这种现象的原因是，在铜柱陈列边缘区域的电场突然没有阴极共享电场，使电场集中在最边缘区的铜柱，进而该处的电位更负，铜柱前沿有更大的过电位，促进铜离子快速沉积；然而，中心区域却与此相反，贫瘠的电场线使得该处电镀难以发生，电镀速率小。

当施加辅助阴极结构1时，一定程度上分担了边缘区域铜柱的电场线，使得边缘区域铜柱的生长速率得到一定的抑制，但是效果有限，铜柱阵列共面性没有得到良好的改善。然而，当施加辅助阴极结构2时，非常显著地提高了铜柱共面性。由于辅助阴极的存在，使边缘区域铜柱的电场线被分配掉一部分，降低了边缘区域铜柱电场线的集中。如此一来，中心区域铜柱电场线贫乏问题也得到一定程度的缓解，最重要的是这种贫乏现象在铜柱陈列中分布较为均匀，进而使得电镀铜柱生长速度趋于一致，提高了电镀的均匀性，如图2(c)所示。

根据简单对比有无辅助阴极的电镀效果，就能够了解到辅助阴极对提高电镀共面性有巨大贡献。未来可以根据电镀阵列结构特征，对辅助阴极进行合理的优化。甚至可以考虑，辅助阴极与电镀添加剂及电解质电导率间的耦合作用，进而可以深入揭示影响铜柱共面性的关键原因。

图2 不同结构辅助阴极作用下铜柱的共面性，(a)无辅助阴极，(b)辅助阴极结构1，(c)辅助阴极结构2

3结束语

通过本研究，我们深入探讨了电动汽车高功率逆变器芯片封装工艺的关键问题，特别关注了铜柱凸块封装技术。我们的研究为电动汽车行业的技术创新和产品改进提供了有力的理论和实践依据。总结本论文的主要发现如下：

（1）辅助阴极结构对铜柱共面性具有显著影响。合理设计的辅助阴极可以改善电镀过程的均匀性，提高铜柱封装的质量。

（2）电镀参数的优化是提高铜柱共面性的关键。本研究通过有限元仿真和电镀原理分析，提取出最佳的电镀参数，有望为高功率逆变器芯片的制造水平提供改进建议。

（3）电动汽车行业的可持续发展需要不断提高关键组件的性能和可靠性。高功率逆变器的优化将有助于提高电动汽车的驱动效率、续航里程和整体可靠性，从而推动清洁能源交通的进一步普及。

综上所述，本研究为电动汽车高功率逆变器芯片封装工艺的改进提供了新的思路和方法，有望为电动汽车行业的可持续发展和技术创新做出积极贡献。

参考文献：

[1]侯兵. 纯电动汽车发展规模的系统动力学分析与仿真[J]. 重庆理工大学学报：自然科学, 2014, 28(12):8.

[2]刘霏霏, 鲍荣清, 程贤福,等. 服役工况下车用锂离子动力电池散热方法综述[J]. 储能科学与技术, 2021.

[3]Wang Q, Jiang B, Li B, Yan Y. A critical review of thermal management models and solutions of lithium-ion batteries for the development of pure electric vehicles. Renew Sustain Energy Rev 2016;64:106-28.

[4] 龙欣江. 晶圆级铜柱凸块封装结构设计、工艺和性能研究[M].江苏：东南大学，2012

[5] Lau, J. H, Reliability of RoHS-Compliant 2D and 3D IC Interconnects, McGraw-Hill, New York.

[6] Lau, J. H., Lee, C., Premachandran, C., and Yu, Advanced MEMS Packaging, McGraw-Hill, New York.

[7] Lim, S., Rao, V., Hnin, W., Ching, W., Kripesh, V., Lee, C., Lau, J. H., Milla, J., and Fenner, A, Process Development and Reliability of Microbumps, IEEE Trans. CPMT, 33(4), pp. 747–753.