POWER DEVICES — PACKAGING

Power Modules Packaging & Reliability

ENGINEERING

01 บทนำ: Power Modules Packaging & Reliability คืออะไร

ในโลกของอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) Power Module ไม่ได้เป็นเพียงแพ็กเกจหรือตัวถังสำหรับบรรจุชิปสารกึ่งตัวนำเท่านั้น แต่เป็นระบบวิศวกรรมขั้นสูงที่รวมการนำกระแสไฟฟ้าสูง การจัดการความร้อน (Thermal Management) และการปกป้องโครงสร้างทางกายภาพเข้าไว้ด้วยกันอย่างเป็นหนึ่งเดียว ความสำคัญของ Power Module อยู่ที่ความสามารถในการทนทานต่อสภาวะโหลดหนักอย่างต่อเนื่อง เช่น ในระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ (BESS) และอินเวอร์เตอร์ในระบบพลังงานหมุนเวียน ซึ่งเป็นจุดที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการจ่ายกระแสสูงมาก หากโครงสร้างภายในโมดูลเกิดความบกพร่องแม้เพียงจุดเดียว จะส่งผลเสียหายรุนแรงต่อระบบทั้งหมด

ความท้าทายหลักของการออกแบบและผลิต Power Module คือการจัดการความเค้นเชิงความร้อน (Thermal Stress) ที่เกิดจากความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE Mismatch) ระหว่างแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนหรือสารกึ่งตัวนำชนิดอื่น ๆ กับโครงสร้างแผ่นรองรับ และการประสานรอยต่อต่าง ๆ วิศวกรในสายงาน Power Semiconductor จึงต้องมีความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐาน ตั้งแต่ระดับวัสดุศาสตร์อย่างแผ่นซับสเตรต DBC (Direct Bonded Copper) หรือ AMB (Active Metal Brazing) ตลอดจนเทคนิคการเชื่อมต่อด้วยลวดนำกระแส Wire Bonding และการเลือกใช้ TIM (Thermal Interface Material) เพื่อให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิรอยต่อ (Junction Temperature: $T_j$) ของชิปจะไม่เกินขีดจำกัดความปลอดภัยในขณะทำงาน

นอกจากนี้ เพื่อตรวจสอบความน่าเชื่อถือ (Reliability) ของอุปกรณ์ก่อนนำไปใช้งานจริงในอุตสาหกรรม การทดสอบ Power Cycling (PC) จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่สุด กระบวนการนี้จะสร้างความร้อนและความเย็นสลับกันซ้ำ ๆ เพื่อเร่งการเกิดความล้าเชิงกล-ความร้อน (Thermo-mechanical fatigue) เพื่อวิเคราะห์ความล้มเหลวที่เกิดขึ้นในชั้นวัสดุประสาน (Solder/Sintering joints) และรอยต่อลวด เพื่อให้ได้โมดูลกำลังที่สอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรมระดับสากล เช่น AEC-Q101 หรือ AQG324

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 04 — MODULE ASSEMBLY: Power Module & Thermal Management
DBC (Direct Bonded Copper) / AMB substrate, die attach (sintering / solder), Al wire bonding (wedge bond), TIM (Thermal Interface Material), module housing, silicone gel encapsulation; thermal network model (Cauer/Foster)
Equipment: Wire bonder (Kulicke & Soffa), reflow oven, TIM applicator
Related: Wire Bonding & Interconnects · Thermal Management & Rth Model · Test & Package Overview
Path: Power Semiconductor Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

โครงสร้างทางความร้อนและฟิสิกส์เชิงกลเป็นหัวใจสำคัญในการวิเคราะห์ความน่าเชื่อถือของ Power Module เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านช่องนำกระแสของอุปกรณ์ (เช่น $R_{ds(on)}$ ของ MOSFET) จะเกิดการสูญเสียพลังงานในรูปความร้อน ($P = I^2 \times R_{ds(on)}$) ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิรอยต่อรอยต่อ ($T_j$) โดยเราสามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงนี้ผ่านแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และความร้อนดังนี้:

\n$ \Delta T_j = P \times Z_{th(j-c)} $\n

โดยที่ $Z_{th(j-c)}$ คือค่าความต้านทานความร้อนชั่วคราว (Transient Thermal Impedance) ระหว่างทางแยก (Junction) และเคสภายนอก (Case) ในสภาวะสเตดี้สเตต (Steady State) ค่านี้จะลดรูปเป็นความต้านทานความร้อนรวม $R_{th(total)}$ ซึ่งคำนวณจากคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุแต่ละชั้นในแพ็กเกจ:

\n$ R_{th(total)} = \sum_{i=1}^{n} \frac{L_i}{k_i \cdot A_i} $\n

โดยที่ $L_i$ คือความหนาของวัสดุชั้นที่ $i$, $k_i$ คือค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity) ของวัสดุนั้น และ $A_i$ คือพื้นที่หน้าตัดในการไหลของความร้อน การจำลองพฤติกรรมความร้อนชั่วคราวนี้มักใช้แบบจำลองโครงข่ายความร้อน (Thermal Network Model) สองประเภทหลัก:

Cauer Model: เป็นโมเดลที่สะท้อนโครงสร้างทางกายภาพที่แท้จริงของวัสดุแต่ละชั้น โดยประกอบด้วยตัวต้านทานความร้อน ($R_{th}$) และตัวเก็บประจุความร้อน ($C_{th}$) เชื่อมต่อกันเป็นโครงข่ายแบบขั้นบันไดที่มีการต่อลงกราวด์ทางความร้อน เหมาะสำหรับวิเคราะห์อุณหภูมิภายในชั้นวัสดุชั้นในอย่างแท้จริง
Foster Model: เป็นแบบจำลองเชิงคณิตศาสตร์ที่ได้จากการแปลง Laplace ของผลการวัดเชิงประจักษ์ (Empirical Curve Fitting) แม้ว่าค่า $R$ และ $C$ ในแต่ละ Loop จะไม่ได้สอดคล้องกับชั้นกายภาพโดยตรง แต่มีข้อดีคือคำนวณได้รวดเร็วและใช้ในการทำแบบจำลองจำลองทางคอมพิวเตอร์เชิงระบบได้ง่าย

ในแง่ของระบบไฟฟ้า ความต้านทานและค่าเหนี่ยวนำปรสิตของลวดเชื่อมต่อไฟฟ้า (Wire Bond) ก็เป็นตัวแปรสำคัญ ค่าความต้านทานของเส้นลวดคำนวณได้จากสูตร:

\n$ R_{wire} = \rho \cdot \frac{L}{A} $\n

โดยที่ $\rho$ คือความต้านทานจำเพาะของวัสดุ (เช่น อลูมิเนียม หรือ ทองแดง), $L$ คือความยาวของเส้นลวด และ $A$ คือพื้นที่หน้าตัด หากเกิดความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงเกินไป จะกระตุ้นให้เกิดปรากฏการณ์ Electromigration รวมถึงแรงเค้นเชิงความร้อนจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่เข้ากัน (CTE Mismatch) ระหว่าง Silicon die ($Si \approx 3 \text{ ppm/K}$) และ Copper layer ($Cu \approx 17 \text{ ppm/K}$) ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวและการล้าตัวของชั้นบัดกรีและข้อต่อลวดในที่สุด

03 วิธีการและเทคนิค

กระบวนการประกอบและผลิต Power Module มีขั้นตอนที่เข้มงวดและต้องมีการควบคุมตัวแปรอย่างเป็นระบบ เพื่อลดโอกาสการเกิดข้อบกพร่องภายในโครงสร้างให้ได้มากที่สุด โดยมีแผนผังและขั้นตอนการผลิตหลักดังนี้:

ขั้นตอนการประกอบ Power Module (Process Flow):
\n1. Substrate Selection & Preparation → 2. Die Attach (Solder/Sintering) → 3. Wire Bonding → 4. Housing & TIM Dispensing → 5. Gel Encapsulation & Curing → 6. Final Test & Inspection

1. การเลือกและเตรียม Substrate: เริ่มต้นด้วยการจัดเตรียมแผ่นวงจรความร้อนสูง ซึ่งนิยมใช้ DBC (Direct Bonded Copper) หรือ AMB (Active Metal Brazing) บนแผ่นเซรามิกแกนหลัก เช่น อลูมิเนียมออกไซด์ ($Al_2O_3$) หรือ ซิลิคอนไนไตรด์ ($Si_3N_4$) เพื่อทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าแต่มีประสิทธิภาพการนำความร้อนสูง

2. กระบวนการ Die Attach: เป็นการยึดชิปซิลิคอนหรือ SiC ลงบน Substrate ซึ่งในอดีตใช้โลหะบัดกรีผ่านเตา Vacuum Reflow Oven เพื่อควบคุมไม่ให้เกิดฟองอากาศ (Voids) แต่ปัจจุบันเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในอุณหภูมิสูง อุตสาหกรรมได้เปลี่ยนไปใช้เทคนิค Silver (Ag) Sintering ซึ่งจะใช้ผงเงินขนาดไมโครหรือนาโนเมตรภายใต้แรงกดและอุณหภูมิสูง (หรือแบบไม่ใช้แรงกด) เพื่อเชื่อมต่อชิปเข้ากับทองแดง ซึ่งให้ค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า Solder ดั้งเดิมถึง 3-5 เท่า และมีจุดหลอมเหลวที่สูงมากถึง $961^\circ\text{C}$ ทำให้อุปกรณ์ทนความร้อนได้ดีเยี่ยม

3. การทำ Interconnect ด้วย Wire Bonding: จากนั้นจะนำแผ่นงานเข้าเครื่อง Wedge Bonder อัตโนมัติ (เช่น ของ Kulicke & Soffa) เพื่อทำ Al Wire Bonding โดยใช้ลวดอลูมิเนียมขนาดใหญ่ (Large-diameter, 100-500 µm) การเชื่อมต่อแบบลิ่ม (Wedge Bond) นี้ใช้แรงกดร่วมกับพลังงานคลื่นอัลตราโซนิก (Ultrasonic Energy) เพื่อบีบอัดและทำลายฟิล์มออกไซด์ที่ผิวหน้าสัมผัสของโลหะ เกิดเป็นพันธะเคมีระดับอะตอมโดยไม่ต้องใช้ความร้อนสูง

4. การบรรจุและเคลือบเพื่อปกป้อง (Encapsulation): โมดูลจะถูกติดตั้งเข้าไปในกรอบ Housing และทำการจ่ายสารเติมเต็มประเภท Silicone Gel ซึ่งมีค่าความทนทานต่อไฟฟ้าแรงสูง (Dielectric Strength) สูงมาก ช่วยป้องกันการวาบไฟตามผิว (Arcing/Flashover) และการซึมผ่านของความชื้น ในขณะที่เนื้อเจลยังคงความยืดหยุ่นสูงเพื่อรองรับการขยายตัวทางความร้อนของส่วนประกอบภายในโดยไม่สร้างความเสียหายต่อลวดเชื่อม จากนั้นนำไปผ่านการอบร้อน (Curing) และทำการทา TIM (Thermal Interface Material) ที่ใต้แผ่น Heatsink เพื่อช่วยลดความต้านทานความร้อนในชั้นเชื่อมต่อ

04 เทคนิคขั้นสูง

ในยุคที่ต้องการประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงมาก มีการนำสารกึ่งตัวนำประเภทช่องว่างพลังงานกว้าง (Wide Bandgap - WBG) เช่น SiC (Silicon Carbide) และ GaN (Gallium Nitride) มาใช้งาน ชิปเหล่านี้สามารถทำงานที่ความถี่การสวิตช์สูงขึ้น (High Switching Frequency) และอุณหภูมิที่สูงเกินกว่า $175^\circ\text{C}$ ได้ ส่งผลให้เทคโนโลยีแพ็กเกจจิ้งแบบเดิมเริ่มพบขีดจำกัด จึงเกิดนวัตกรรมขั้นสูงเพื่อตอบสนองการเปลี่ยนแปลงนี้

ประการแรกคือการเปลี่ยนจากแผ่นซับสเตรต DBC มาเป็น AMB (Active Metal Brazing) บนฐานวัสดุ ซิลิคอนไนไตรด์ ($Si_3N_4$) ซึ่งมีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่า อัตราการทนทานต่อการขยายตัวทางความร้อนสูง และมีค่าการนำความร้อนที่ดีกว่าแร่ดินเผา Alumina ทั่วไป ทำให้สามารถรองรับรอบการทดสอบความร้อนแบบรุนแรง (Thermal Shock) ได้ดีกว่าเดิมหลายเท่าตัว

ประการที่สองคือการเผชิญหน้ากับความเหนี่ยวนำปรสิต Parasitic Inductance ($L_p$) ที่ส่งผลเสียรุนแรงขึ้นตามความเร็วในการสวิตช์กระแสที่เร็วขึ้น ($di/dt$) ดังสมการแรงดันเกินชั่วขณะ (Voltage Overshoot):

\n$ V_{overshoot} = L_p \cdot \frac{di}{dt} $\n

แรงดันเกินนี้สามารถทำลาย Gate Oxide ของอุปกรณ์ และสร้างสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) มหาศาล วิศวกรจึงต้องปรับปรุง Layout ภายในโมดูลให้เป็นโครงสร้างแบบ Laminated Busbar โดยการซ้อนแผ่นนำไฟฟ้าที่เป็นขั้วบวกและขั้วลบเข้าใกล้กันเพื่อสลายสนามแม่เหล็กซึ่งกันและกัน ซึ่งช่วยลดค่า $L_p$ จากเดิมที่สูงกว่า 20 nH ให้เหลือต่ำกว่า 5 nH

ประการสุดท้ายคือการยกเลิกลวดเชื่อมต่อ (Wire-free Packaging) โดยเปลี่ยนมาใช้โครงสร้าง Copper Ribbon หรือ Copper Clip Bonding ร่วมกับการระบายความร้อนสองด้าน (Double-Sided Cooling: DSC) เพื่อลดค่าความต้านทานไฟฟ้าภายในและเพิ่มพื้นที่สัมผัสสำหรับการถ่ายเทความร้อน ซึ่งเทคโนโลยีนี้จำเป็นต้องพึ่งพาแบบจำลอง Finite Element Analysis (FEA) ร่วมกับการตรวจจับอุณหภูมิรอยต่อแบบเรียลไทม์ผ่านพารามิเตอร์ไฟฟ้าที่ไวต่ออุณหภูมิ (TSEP) เพื่อทำนายการสะสมความเค้นและการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวขนาดเล็ก (Micro-crack propagation) ในชั้นวัสดุประสานได้อย่างแม่นยำ

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

การพัฒนา ผลิต และทดสอบประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือของ Power Module ต้องใช้เครื่องมือที่ผสานทั้งการจำลองทางซอฟต์แวร์ อุปกรณ์การประกอบที่มีความแม่นยำสูง และเครื่องมือวัดวิเคราะห์ขั้นสูง ดังรายละเอียดต่อไปนี้:

ซอฟต์แวร์จำลองและการออกแบบ (EDA & Simulation):\n
- ANSYS Icepak & Fluent: ใช้จำลองและวิเคราะห์การระบายความร้อนและการกระจายอุณหภูมิภายในโมดูล (Thermal Simulation) ภายใต้สภาวะโหลดและอัตราการไหลของสารหล่อเย็นที่แตกต่างกัน
- Ansys Q3D Extractor: ใช้ในการวิเคราะห์และดึงค่าพารามิเตอร์ปรสิต (Parasitic Extraction) เช่น $R$, $L$, $C$ จากโครงสร้างทางกายภาพแบบ 3 มิติ เพื่อวิเคราะห์สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า
- COMSOL Multiphysics: สำหรับวิเคราะห์พฤติกรรมความเค้นเชิงความร้อน (Thermo-mechanical stress) และการโก่งตัวของซับสเตรต
\n
เครื่องจักรในกระบวนการผลิต (Manufacturing Equipment):\n
- Kulicke & Soffa (K&S) Power Wedge Bonder: เครื่องเชื่อมลวดอัตโนมัติความเร็วสูง รองรับการต่อลวดขนาดใหญ่และริบบอนทองแดงด้วยความแม่นยำระดับไมครอน
- Boschman / Heraeus Sintering Systems: เครื่องอัดขึ้นรูปและประสานวัสดุด้วยความร้อนและแรงดันสูง (Sintering Press) สำหรับการเชื่อมต่อระดับไมโครโครงสร้างด้วยอนุภาคเงิน
- Vacuum Reflow Ovens: เช่น แบรนด์ Heller หรือ Rehm ที่มีความสามารถในการปรับปรุงค่าแรงดันก๊าซเพื่อป้องกันการเกิด Void ในชั้นโลหะประสาน
\n
ระบบทดสอบและเครื่องมือวัดวิเคราะห์ (Testing & Metrology):\n
- Siemens MicReD Power Tester: เครื่องมือทดสอบความน่าเชื่อถือและการตอบสนองต่ออุณหภูมิแบบเปลี่ยนผ่านชั่วครู่ (Transient Thermal Testing) ที่รองรับการทำ Automated Power Cycling และวาดพล็อตกราฟ Structure Function เพื่อชี้เฉพาะพิกัดความเสื่อมสภาพในแต่ละชั้นของวัสดุ
- Keysight B1505A / Tektronix Curve Tracer: สำหรับการทดสอบหาคุณลักษณะทางไฟฟ้าแบบ Static เช่น แรงดันพังทลาย ($BV_{ds}$) ความต้านทานขณะทำงาน ($R_{ds(on)}$) และการทดสอบไดนามิกสวิตชิ่งอย่าง Double Pulse Test (DPT)
- Sonoscan / Nordson C-SAM (Scanning Acoustic Microscopy): อุปกรณ์วิเคราะห์และตรวจสอบโดยไม่ทำลายโครงสร้างทางกายภาพ ใช้คลื่นเสียงความถี่สูงตรวจหาการแยกตัวของชั้นวัสดุ (Delamination) และช่องว่างอากาศภายในชั้นประสาน
\n

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ในอุตสาหกรรมปัจจุบัน ความน่าเชื่อถือของ Power Module เป็นปัจจัยตัดสินชี้ชะตาของผู้ผลิตชั้นนำในตลาดเซมิคอนดักเตอร์กำลัง บริษัทผู้ผลิตระดับโลกอย่าง Infineon Technologies (เจ้าของเทคโนโลยีแพ็กเกจจิ้งตระกูล HybridPACK สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า), STMicroelectronics, ON Semiconductor (onsemi) และ Wolfspeed ต่างแข่งขันกันพัฒนาและจดสิทธิบัตรเทคโนโลยีการประกอบชิป SiC บนแผ่นซับสเตรต AMB เพื่อเพิ่มสัดส่วนความหนาแน่นพลังงาน (Power Density) และรองรับความต้องการในอุตสาหกรรมยานยนต์ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็ว

เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์จะมีความปลอดภัยตลอดอายุการใช้งานยาวนานกว่า 15-20 ปี โมดูลเหล่านี้จะต้องผ่านการทดสอบมาตรฐานระดับสูง เช่น AQG324 ซึ่งเป็นมาตรฐานการทดสอบเฉพาะสำหรับโมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลังที่ใช้ในระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้า รวมถึงมาตรฐาน AEC-Q101 สำหรับอุปกรณ์แบบแยกชิ้น (Discrete) และข้อกำหนดระบบความปลอดภัยเชิงหน้าที่ ISO 26262 เพื่อลดความเสี่ยงที่ระบบส่งกำลังจะล้มเหลวกระทันหันขณะรถวิ่งอยู่บนถนน

ในแง่ของห่วงโซ่อุปทานระดับโลก (Global Supply Chain) ผู้เล่นรายใหญ่ในอุตสาหกรรมการผลิตชิปแบบรับจ้างผลิต (Foundry) เช่น TSMC และ Intel กำลังยกระดับเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์แบบก้าวหน้า (Advanced Packaging เช่น CoWoS และ Foveros) มาประยุกต์ใช้กับการบูรณาการชิปกำลังแบบรวมหน่วยผลิตหลายประเภทเข้าด้วยกัน (Heterogeneous Integration) เพื่อสนับสนุนการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) ในรถยนต์ไร้คนขับ ความท้าทายที่แท้จริงในฝั่งวิศวกรรมการผลิตคือการแก้ปัญหาคอขวดของการจัดหาวัตถุดิบต้นน้ำ เช่น ผงซิลเวอร์สำหรับซินเตอริ่ง แผ่นซิลิคอนไนไตรด์คุณภาพสูง และการปรับปรุงอัตราผลตอบแทนจากการผลิต (Yield Rate) จากระดับต้นแบบห้องทดลองให้พร้อมสำหรับการผลิตจำนวนมาก (Mass Production) ด้วยต้นทุนที่สามารถแข่งขันในตลาดได้