功率半導體市場顯著增長，封裝技術和材料正在發生顯著變化

在電動汽車和可再生能源的采用的推動下，功率半導體市場有望在未來幾年實現顯著增長，同時也推動保護和連接這些設備所需的封裝發生巨大變化。

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

英飛凌中功率電壓 MOSFET 總監 Brian LaValle 在最近的一次網絡研討會上表示：“隨著我們在硅本身方面取得進步，封裝開始變得越來越重要。”

驅動器和應用

功率器件是在電子系統中啟動、停止或調節功率的晶體管和二極管。電力電子產品在我們的生活中無處不在，而凈零排放的推動預計將在短短幾年內（2025/2026 年）將市場規模從 2022 年的 220 億美元增加一倍至 440 億美元。事實上，麥肯錫估計 2022 年至 2030 年間，僅碳化硅功率器件的復合年增長率就達到 26%。

分立功率器件和功率模塊用于交通、電網、能源存儲、計算、5G 基礎設施、充電器和工業驅動等領域。新功率封裝（包括測試）市場占整個半導體功率市場的20%至25%。

設備分為低電壓、中電壓和高電壓類別，與低電流、中電流和高電流密切相關。就在十年前，計算驅動器的額定電壓為 30V 和 40V 仍是常態。如今的電壓等級范圍為 40V 至 150V。這一變化正在推動從硅 MOSFET 和 IGBT 向基于碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN) 的轉變，后者的寬帶隙能夠以更小的尺寸實現更高的開關功率特性、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 與輸出雙極結型晶體管結合在一起。]

在智能電源應用中，效率是最重要的選擇因素。相比之下，汽車應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，且與硅系統價格相當，這使得 SiC 成為電池電動汽車車載充電、牽引逆變和 DC-DC 轉換的首選材料。

電源開關非常高效，但即使是最高效的開關也需要權衡操作。封裝電感和電阻直接影響傳導和開關損耗。

功率器件的結構與 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現有效的擴展。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活動，但您可以通過使用直接鍵合銅 (DBC) 連接兩個相同的芯片并從兩側對其進行冷卻（目前通常使用氣流）來減小尺寸。”技術。

直接鍵合銅通常是一個兩層工藝，其中基板的背面是堅固且無特征的銅片，并且頂部銅層使用濕化學蝕刻來結構化以形成電路跡線。底部銅層通常焊接到散熱器或散熱器上。

對于電源模塊等復雜器件，設計技術與工藝技術的協同優化變得越來越普遍。Synopsys、Cadence 和其他 EDA 公司在系統設計規劃之初就推薦對設備使用 DTCO。例如，Synopsys PrimePower 產品能夠對塊級和全芯片設計進行準確的功耗分析，從 RTL 開始，經過不同的實施階段，直至功耗簽核。該實現包括由 RTL 和門級活動驅動的門級功耗分析以及詳細的功率級可靠性簽核。

芯片尺寸越大，與不同材料特性相關的機械挑戰就越大，特別是熱膨脹系數 (CTE)。功率模塊在較高的結溫下運行，反復達到 150°C 至 200°C，這對材料造成了壓力。“還有電氣要求，例如環路電感。例如，當您設計電源時，您必須了解電氣特性，因為在正常情況下可能不會出現問題。但當出現電涌時，可能會發生損壞，”QP Technologies 的 Sadri 說道。“另一個顯然是機械特性。當 CTE 不匹配時，當兩種材料加熱和冷卻時，它們會以不同的速率膨脹和收縮，從而產生機械應力 - 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用中用 SiC MOSFET 取代硅 IGBT 也正在推動裝配和封裝的變化。由于其工作溫度較高，因此需要大規格引線鍵合、銅夾、銀燒結和導電性更強的模塑料。SiC 的硬度幾乎與金剛石一樣，因此分割會使用這種材料（金剛石涂層刀片）來機械分離芯片。3D-Micromac 開發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。

未來發展趨勢

隨著5G、物聯網、人工智能等領域的快速發展，對電子封裝可靠性技術提出了更高的要求。未來電子封裝可靠性技術的發展趨勢將體現在以下幾個方面：

更高集成度和小型化：隨著電子產品向更小型、更輕薄的方向發展，電子封裝技術也需要實現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品的性能和可靠性，降低成本。

智能化與自動化生產：通過引入智能化與自動化生產技術，提高電子封裝生產過程中的精確性和可靠性。

綠色環保：在材料選擇、生產過程及廢棄物處理等方面，充分考慮環保因素，實現綠色、可持續的電子封裝技術發展。

總之，電子封裝的可靠性技術在保障電子產品性能、穩定性和可靠性方面具有舉足輕重的作用。在未來，隨著電子產品對可靠性要求的不斷提高，電子封裝可靠性技術將繼續在封裝結構設計、材料研究、工藝創新、熱管理技術以及測試與評估等方面進行深入研究和發展。


電子封裝可靠性技術的研究方向

封裝結構的可靠性設計

電子封裝結構的設計關乎產品的穩定性和可靠性。為了提高產品的可靠性，應在設計階段充分考慮封裝結構對產品性能的影響，同時根據產品的使用環境和工作條件來選擇合適的封裝結構。例如，在高溫、高濕或者有震動的環境中，應采用更加穩定和可靠的封裝結構，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品可靠性方面有著至關重要的作用。高性能的封裝材料可以提高產品的耐受性、抗老化能力和抗環境應力的能力。因此，在選擇封裝材料時，應充分考慮材料的熱性能、力學性能、電學性能和化學穩定性等因素，以保證產品在不同工作環境下的穩定性和可靠性。


封裝工藝的可靠性研究

封裝工藝對電子產品的性能和可靠性有著直接影響。優良的封裝工藝可以有效減小產品在生產過程中產生的缺陷，從而提高產品的可靠性。在封裝工藝的研究中，應關注焊接技術、鍵合技術、導線鍵合、封裝漿料等方面的技術創新和優化，以確保封裝過程的精確性和可靠性。此外，還應重視自動化生產線在封裝過程中的應用，以減少人為因素對產品可靠性的影響。


微電子封裝技術未來發展面臨的問題與挑戰

毫無疑問，3D 封裝和SIP 系統封裝是當前以至于以后很長一段時間內微電子封裝技術的發展方向。

目前3D 封裝技術的發展面臨的難題：一是制造過程中實時工藝過程的實時檢測問題。因為這一問題如果解決不了，那么就會出現高損耗，只有控制了每一道生產工藝，才能有效地保證產品的質量,從而達到有效地降低廢品率。二是超薄硅圓片技術。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,以及后續評價檢測內的各種處理技術,都有待進一步研究。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籌分布, 如何在成功制作出更小微流體通道的同時保證系統整體性能的要求,是研究者們需要考慮的問題。但是, 我們仍需看到3D 封裝在高密度互連趨勢下的巨大潛力。3D 封裝在未來的消費電子產品領域（特別是手機、掌上電腦）、機器人領域、生物醫學領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挑戰。現在用于生產200mm 和300mm 微晶片的焊接設備可處理厚度為50μm 的晶片，因此允許更密集地堆疊芯片。如果更薄，對于自動設備來說將產生問題：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”效應將損毀芯片的性能。

但是我們應該看到SIP 巨大的市場前景，Allied Business Intelligence統計，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成的近十億SIP 于2003 年上市，包括功率放大器、天線轉換開關、發送器和前端模塊。而近幾年來SIP 大發展更是迅速，德國銀行、瑞士信貸第一波士頓和美國著名的研究組織 “商業情報聯盟”的聯合調研表明,RF、數字、藍牙、電源和汽車應用等市場已經被SIP 技術占領。在我國SIP 技術也有很好的發展，如江蘇長電科技股份有限公司開發的整體U 盤的SIP 封裝技術，SIP 系統級封裝的U 盤是一個USB 接口的無需物理驅動器的微型高容量移動存儲產品，與傳統U 盤相比，有著輕薄短小、容量大且可靠性高的特點。未來，我們也將看到更多SIP 技術的產品出現在我們周圍。


結語

無論是3D 封裝技術，還是系統級的封裝技術SIP，都是基于更小體積、更多功能、更好穩定性的前提下發展而來的。特別是SIP 不僅提出了系統級封裝的概念，更是一種創意的封裝思想，開拓了一種低成本系統集成的可行思路與方法，引出了許多的創意火花，豐富著微電子封裝技術，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、開發成本等問題，SIP 封裝集成能最大程度上優化系統性能，避免重復封裝，縮短開發周期，降低成本并提高集成度，掌握這項新技術是進入主流封裝領域的關鍵。毋庸置疑，未來的微電子封裝產業將會迎來一個異彩紛呈的、多種技術并行的新時代。