在電動(dòng)汽車和可再生能源的采用的推動(dòng)下，功率半導(dǎo)體市場有望在未來幾年實(shí)現(xiàn)顯著增長，同時(shí)也推動(dòng)保護(hù)和連接這些設(shè)備所需的封裝發(fā)生巨大變化。

封裝在向更高功率密度的過渡中發(fā)揮著越來越重要的作用，從而實(shí)現(xiàn)更高效的電源、電力傳輸、更快的轉(zhuǎn)換以及更高的可靠性。隨著全球轉(zhuǎn)向更快的開關(guān)頻率和更高的功率密度，用于基板、芯片貼裝、引線鍵合和系統(tǒng)冷卻的材料也發(fā)生了相關(guān)的變化。

英飛凌中功率電壓 MOSFET 總監(jiān) Brian LaValle 在最近的一次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上表示：“隨著我們在硅本身方面取得進(jìn)步，封裝開始變得越來越重要。”

驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用

功率器件是在電子系統(tǒng)中啟動(dòng)、停止或調(diào)節(jié)功率的晶體管和二極管。電力電子產(chǎn)品在我們的生活中無處不在，而凈零排放的推動(dòng)預(yù)計(jì)將在短短幾年內(nèi)（2025/2026 年）將市場規(guī)模從 2022 年的 220 億美元增加一倍至 440 億美元。事實(shí)上，麥肯錫估計(jì) 2022 年至 2030 年間，僅碳化硅功率器件的復(fù)合年增長率就達(dá)到 26%。

分立功率器件和功率模塊用于交通、電網(wǎng)、能源存儲、計(jì)算、5G 基礎(chǔ)設(shè)施、充電器和工業(yè)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。新功率封裝（包括測試）市場占整個(gè)半導(dǎo)體功率市場的20%至25%。

設(shè)備分為低電壓、中電壓和高電壓類別，與低電流、中電流和高電流密切相關(guān)。就在十年前，計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為 30V 和 40V 仍是常態(tài)。如今的電壓等級范圍為 40V 至 150V。這一變化正在推動(dòng)從硅 MOSFET 和 IGBT 向基于碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN) 的轉(zhuǎn)變，后者的寬帶隙能夠以更小的尺寸實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)功率特性、更高的工作頻率和更低的 RDS(on)。腳印。[注：絕緣柵雙極晶體管將輸入 MOSFET 與輸出雙極結(jié)型晶體管結(jié)合在一起。]

在智能電源應(yīng)用中，效率是最重要的選擇因素。相比之下，汽車應(yīng)用要求功率損耗保持在絕對最低水平。SiC 器件的工作溫度較高，且與硅系統(tǒng)價(jià)格相當(dāng)，這使得 SiC 成為電池電動(dòng)汽車車載充電、牽引逆變和 DC-DC 轉(zhuǎn)換的首選材料。

電源開關(guān)非常高效，但即使是最高效的開關(guān)也需要權(quán)衡操作。封裝電感和電阻直接影響傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。

功率器件的結(jié)構(gòu)與 CMOS FET 不同。它們是垂直器件而不是平面器件，并且它們不像 CMOS 器件那樣縮放。盡管如此，還是有一些方法可以實(shí)現(xiàn)有效的擴(kuò)展。QP 高級工藝工程師 Sam Sadri 表示：“盡管在微流體冷卻方面有很多研發(fā)活動(dòng)，但您可以通過使用直接鍵合銅 (DBC) 連接兩個(gè)相同的芯片并從兩側(cè)對其進(jìn)行冷卻（目前通常使用氣流）來減小尺寸。”技術(shù)。

直接鍵合銅通常是一個(gè)兩層工藝，其中基板的背面是堅(jiān)固且無特征的銅片，并且頂部銅層使用濕化學(xué)蝕刻來結(jié)構(gòu)化以形成電路跡線。底部銅層通常焊接到散熱器或散熱器上。

對于電源模塊等復(fù)雜器件，設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化變得越來越普遍。Synopsys、Cadence 和其他 EDA 公司在系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃之初就推薦對設(shè)備使用 DTCO。例如，Synopsys PrimePower 產(chǎn)品能夠?qū)K級和全芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確的功耗分析，從 RTL 開始，經(jīng)過不同的實(shí)施階段，直至功耗簽核。該實(shí)現(xiàn)包括由 RTL 和門級活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的門級功耗分析以及詳細(xì)的功率級可靠性簽核。

芯片尺寸越大，與不同材料特性相關(guān)的機(jī)械挑戰(zhàn)就越大，特別是熱膨脹系數(shù) (CTE)。功率模塊在較高的結(jié)溫下運(yùn)行，反復(fù)達(dá)到 150°C 至 200°C，這對材料造成了壓力。“還有電氣要求，例如環(huán)路電感。例如，當(dāng)您設(shè)計(jì)電源時(shí)，您必須了解電氣特性，因?yàn)樵谡Ｇ闆r下可能不會(huì)出現(xiàn)問題。但當(dāng)出現(xiàn)電涌時(shí)，可能會(huì)發(fā)生損壞，”QP Technologies 的 Sadri 說道。“另一個(gè)顯然是機(jī)械特性。當(dāng) CTE 不匹配時(shí)，當(dāng)兩種材料加熱和冷卻時(shí)，它們會(huì)以不同的速率膨脹和收縮，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力 - 例如，硅的 CTE 約為 4，而銅的 CTE 約為 17 (ppm/°C)。”

汽車逆變器和其他應(yīng)用中用 SiC MOSFET 取代硅 IGBT 也正在推動(dòng)裝配和封裝的變化。由于其工作溫度較高，因此需要大規(guī)格引線鍵合、銅夾、銀燒結(jié)和導(dǎo)電性更強(qiáng)的模塑料。SiC 的硬度幾乎與金剛石一樣，因此分割會(huì)使用這種材料（金剛石涂層刀片）來機(jī)械分離芯片。3D-Micromac 開發(fā)了一種速度更快且潛在破壞性更小的工藝，該工藝在兩步劃線和切割工藝中使用熱激光鋸切 (TLS-Dicing) 工藝。

未來發(fā)展趨勢

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對電子封裝可靠性技術(shù)提出了更高的要求。未來電子封裝可靠性技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

更高集成度和小型化：隨著電子產(chǎn)品向更小型、更輕薄的方向發(fā)展，電子封裝技術(shù)也需要實(shí)現(xiàn)更高的集成度和小型化。

新材料與新工藝的研究：新型的封裝材料和工藝可以提高電子產(chǎn)品的性能和可靠性，降低成本。

智能化與自動(dòng)化生產(chǎn)：通過引入智能化與自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，提高電子封裝生產(chǎn)過程中的精確性和可靠性。

綠色環(huán)保：在材料選擇、生產(chǎn)過程及廢棄物處理等方面，充分考慮環(huán)保因素，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)的電子封裝技術(shù)發(fā)展。

總之，電子封裝的可靠性技術(shù)在保障電子產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性和可靠性方面具有舉足輕重的作用。在未來，隨著電子產(chǎn)品對可靠性要求的不斷提高，電子封裝可靠性技術(shù)將繼續(xù)在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料研究、工藝創(chuàng)新、熱管理技術(shù)以及測試與評估等方面進(jìn)行深入研究和發(fā)展。


電子封裝可靠性技術(shù)的研究方向

封裝結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

電子封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)乎產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。為了提高產(chǎn)品的可靠性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮封裝結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品性能的影響，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境和工作條件來選擇合適的封裝結(jié)構(gòu)。例如，在高溫、高濕或者有震動(dòng)的環(huán)境中，應(yīng)采用更加穩(wěn)定和可靠的封裝結(jié)構(gòu)，如球柵陣列封裝（BGA）或芯片級封裝（CSP）等。


封裝材料的可靠性研究

電子封裝材料在保障產(chǎn)品可靠性方面有著至關(guān)重要的作用。高性能的封裝材料可以提高產(chǎn)品的耐受性、抗老化能力和抗環(huán)境應(yīng)力的能力。因此，在選擇封裝材料時(shí)，應(yīng)充分考慮材料的熱性能、力學(xué)性能、電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等因素，以保證產(chǎn)品在不同工作環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。


封裝工藝的可靠性研究

封裝工藝對電子產(chǎn)品的性能和可靠性有著直接影響。優(yōu)良的封裝工藝可以有效減小產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷，從而提高產(chǎn)品的可靠性。在封裝工藝的研究中，應(yīng)關(guān)注焊接技術(shù)、鍵合技術(shù)、導(dǎo)線鍵合、封裝漿料等方面的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，以確保封裝過程的精確性和可靠性。此外，還應(yīng)重視自動(dòng)化生產(chǎn)線在封裝過程中的應(yīng)用，以減少人為因素對產(chǎn)品可靠性的影響。


微電子封裝技術(shù)未來發(fā)展面臨的問題與挑戰(zhàn)

毫無疑問，3D 封裝和SIP 系統(tǒng)封裝是當(dāng)前以至于以后很長一段時(shí)間內(nèi)微電子封裝技術(shù)的發(fā)展方向。

目前3D 封裝技術(shù)的發(fā)展面臨的難題：一是制造過程中實(shí)時(shí)工藝過程的實(shí)時(shí)檢測問題。因?yàn)檫@一問題如果解決不了，那么就會(huì)出現(xiàn)高損耗，只有控制了每一道生產(chǎn)工藝，才能有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量,從而達(dá)到有效地降低廢品率。二是超薄硅圓片技術(shù)。面對更薄的硅圓片, 在夾持和處理過程中如何避免它的變形及脆裂,以及后續(xù)評價(jià)檢測內(nèi)的各種處理技術(shù),都有待進(jìn)一步研究。三是高密度互連的散熱問題。目前,基于微流體通道的液體冷卻被證明是顯著降低3DICs 溫度的有效方法。但在封裝密度不斷增加的前提下,微流體通道的分布需要與電氣通路和信號傳輸通路統(tǒng)籌分布, 如何在成功制作出更小微流體通道的同時(shí)保證系統(tǒng)整體性能的要求,是研究者們需要考慮的問題。但是, 我們?nèi)孕杩吹?D 封裝在高密度互連趨勢下的巨大潛力。3D 封裝在未來的消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域（特別是手機(jī)、掌上電腦）、機(jī)器人領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等將扮演重要的角色。

微晶片的減薄化是SIP 增長面對的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。現(xiàn)在用于生產(chǎn)200mm 和300mm 微晶片的焊接設(shè)備可處理厚度為50μm 的晶片，因此允許更密集地堆疊芯片。如果更薄，對于自動(dòng)設(shè)備來說將產(chǎn)生問題：晶片變得過于脆弱，因此更加易碎。此外，從微晶片到微晶片的電子“穿孔”效應(yīng)將損毀芯片的性能。

但是我們應(yīng)該看到SIP 巨大的市場前景，Allied Business Intelligence統(tǒng)計(jì)，僅RF 蜂窩市場的銷售額就從2003 年的18 億美元飆升至2007 年的27.5 億美元。由堆疊BGA 封裝以及有源和無源組件構(gòu)成的近十億SIP 于2003 年上市，包括功率放大器、天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、發(fā)送器和前端模塊。而近幾年來SIP 大發(fā)展更是迅速，德國銀行、瑞士信貸第一波士頓和美國著名的研究組織 “商業(yè)情報(bào)聯(lián)盟”的聯(lián)合調(diào)研表明,RF、數(shù)字、藍(lán)牙、電源和汽車應(yīng)用等市場已經(jīng)被SIP 技術(shù)占領(lǐng)。在我國SIP 技術(shù)也有很好的發(fā)展，如江蘇長電科技股份有限公司開發(fā)的整體U 盤的SIP 封裝技術(shù)，SIP 系統(tǒng)級封裝的U 盤是一個(gè)USB 接口的無需物理驅(qū)動(dòng)器的微型高容量移動(dòng)存儲產(chǎn)品，與傳統(tǒng)U 盤相比，有著輕薄短小、容量大且可靠性高的特點(diǎn)。未來，我們也將看到更多SIP 技術(shù)的產(chǎn)品出現(xiàn)在我們周圍。


結(jié)語

無論是3D 封裝技術(shù)，還是系統(tǒng)級的封裝技術(shù)SIP，都是基于更小體積、更多功能、更好穩(wěn)定性的前提下發(fā)展而來的。特別是SIP 不僅提出了系統(tǒng)級封裝的概念，更是一種創(chuàng)意的封裝思想，開拓了一種低成本系統(tǒng)集成的可行思路與方法，引出了許多的創(chuàng)意火花，豐富著微電子封裝技術(shù)，也較好地解決了SOC 中諸如工藝兼容、信號混合、電磁干擾EMI、芯片體積、開發(fā)成本等問題，SIP 封裝集成能最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能，避免重復(fù)封裝，縮短開發(fā)周期，降低成本并提高集成度，掌握這項(xiàng)新技術(shù)是進(jìn)入主流封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵。毋庸置疑，未來的微電子封裝產(chǎn)業(yè)將會(huì)迎來一個(gè)異彩紛呈的、多種技術(shù)并行的新時(shí)代。