本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”。
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。”
在高功率和高電流方面，電源模塊提供分立封裝和集成模塊，根據(jù)設(shè)備規(guī)格和使用條件為制造商提供競爭優(yōu)勢。領(lǐng)先的公司供應(yīng)數(shù)百種分立功率器件，但其中一些最常見的包括通孔封裝，例如帶長銀引線的TO-247和TO-220，以及帶引線的表面貼裝(SMT)元件，例如D2PAK、DPAK、SO-8和無引線(TOLL)、PQFN和CSP。
頂部冷卻SMT可以提供較低的熱阻，因?yàn)榕潘苯舆B接到散熱器。由于SMT中的柵極環(huán)路更小，該方法還可以提高開關(guān)性能。暴露的源極片可以與散熱器齊平，以提高器件的電流能力。整體解決方案包括通過單面或雙面冷卻進(jìn)行有效的熱管理，以及框架或模制模塊中的多芯片集成。
據(jù)Amkor稱，功率四方扁平無引線(PQFN)封裝是當(dāng)今最受歡迎的選擇之一。這是由于其緊湊的尺寸（3 x 3mm至8 x 8mm）、低寄生效應(yīng)（可實(shí)現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻[RDS(on)]）、出色的熱性能以及眾多的多芯片、多夾子和電線變化。PQFN還與GaN兼容，并且具有無鉛電鍍和無鹵素模塑料、汽車用可潤濕側(cè)翼以及雙散熱器選項(xiàng)。
Amkor還使用多種SiC兼容工藝，其中包括體積SiC切割、大規(guī)格引線鍵合以及符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的測試和老化服務(wù)。“Amkor是首批為電動(dòng)汽車制造商提供碳化硅封裝的OSAT之一，”Amkor焊線和電源業(yè)務(wù)部公司副總裁Sivakumar Mohandass說道。“我們?yōu)樗须娫唇鉀Q方案提供測試和老化服務(wù)，為客戶提供交鑰匙解決方案。”
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(chǔ)、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。
快如閃電的開關(guān)
電力電子設(shè)備由電源轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，這些開關(guān)將電池電量轉(zhuǎn)換為電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及用于管理和減少非電動(dòng)汽車燃油消耗和排放的動(dòng)力系統(tǒng)解決方案。功率器件（MOSFET或IGBT）可以是分立（單操作）器件或集成模塊，屬于系統(tǒng)級封裝(SiP)的一種。
功率器件的運(yùn)行總是會(huì)產(chǎn)生損耗，包括傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。隨著功率半導(dǎo)體制造商向更高功率密度發(fā)展，在高結(jié)溫下?lián)p耗可能高達(dá)100V/cm2。所有絕緣材料和互連方法的設(shè)計(jì)必須保證系統(tǒng)在規(guī)范范圍內(nèi)運(yùn)行。
功率器件運(yùn)行的敵人是寄生電阻、電容和電感，通常統(tǒng)稱為“寄生效應(yīng)”。除了普遍轉(zhuǎn)向SiC和GaN技術(shù)之外，功率封裝可以是分立的，也可以是集成的，如模塊中的電源管理IC或PMIC。這些模塊可以是基于框架的或模制的。
功率器件封裝為器件提供電壓隔離、電氣連接、機(jī)械穩(wěn)定性、防潮和散熱。當(dāng)需要多個(gè)芯片時(shí)，將它們并聯(lián)連接在一個(gè)模塊中。例如，用于牽引逆變器的功率模塊具有高電壓和高電流能力（高達(dá)10kV），采用了覆銅陶瓷基板。該布局使用楔形鋁鍵合將電位和正面接觸分開（見圖1）。
氮化鋁的導(dǎo)熱性最好，但機(jī)械強(qiáng)度較差。氧化鋁(Al 2 O 3)最便宜，但導(dǎo)熱率低。高達(dá)3電平拓?fù)涞某箅娏餍枰鄠€(gè)基板，例如，在尺寸為50mm x 60mm的汽車牽引模塊中（3.3kV，I nom為1.5kA）?；蹇梢允倾~或鋁銀銅合金。Infineon的Olaf Holfeld指出，100W/cm 2的損耗密度和150至200°C的運(yùn)行溫度很常見。
圖1：框架式功率模塊采用金屬基板、陶瓷基板、引線鍵合和銅端子?？涨粌?nèi)填充有硅膠，起到絕緣作用
多年來，芯片連接材料已從含鉛焊料變?yōu)闊Y(jié)銀。燒結(jié)是一種利用溫度（在許多情況下還利用壓力）將納米級顆粒粘合在一起，同時(shí)連接相鄰表面的過程。也可以使用銅進(jìn)行燒結(jié)。英飛凌估計(jì)，燒結(jié)銀芯片連接的粘合可靠性比傳統(tǒng)焊料高20倍。對于引線鍵合，將根據(jù)長度選擇鋁或銅，但銅可以處理的電流是銀的兩倍。
芯片與基板連接的可靠性取決于堆棧承受功率循環(huán)和溫度波動(dòng)的能力。東洋油墨最近推出了一種納米銀芯片粘接材料，該材料在汽車應(yīng)用中表現(xiàn)出300W/mK的導(dǎo)熱率和40 MPa的粘合強(qiáng)度。它在230°至300°C的溫度下使用無壓或壓力輔助條件進(jìn)行點(diǎn)膠。同時(shí)，燒結(jié)銀漿可以承受更高的工作溫度，并且比傳統(tǒng)焊料具有更薄的粘合層厚度。
“燒結(jié)銀含有如此多的銀，其性能比金錫或焊料好得多，而金錫或焊料是連接功率芯片的典型方法，”QP Technologies的Sadri說。
盡管用于功率器件的封裝技術(shù)有多種，但工程師會(huì)選擇與芯片性能規(guī)格（比電阻、Rds(on)和柵極電流）最匹配的架構(gòu)、互連和組裝方法，而成本幾乎始終是一個(gè)重要因素因素。
對于復(fù)雜的器件類型，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。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。
與DTCO一樣，可制造性設(shè)計(jì)(DFM)對于功率器件至關(guān)重要。“工程師可以制造任何東西。但我們需要構(gòu)建數(shù)千甚至數(shù)百萬臺(tái)具有相同性能和可靠性的設(shè)備。因此，這就是DFM真正重要的地方，這是關(guān)鍵，”Sadri補(bǔ)充道。
嵌入式基板方法
工程師可以最大限度地減少寄生效應(yīng)的方法之一是使用嵌入式芯片基板。在此，功率器件（MOSFET、IGBT）和無源器件集成在基板（有機(jī)層壓層的堆疊）中，并使用基板中的鍍銅通孔和導(dǎo)電跡線進(jìn)行連接。較短的互連可以最大限度地減少失真和功率損耗，同時(shí)降低電阻和熱阻。
圖2：嵌入式基板方法通過將器件、引線框架和基板集成在一起來降低功耗，從而減少寄生效應(yīng)，提供高散熱和EMI優(yōu)勢
嵌入式技術(shù)提供SMT集成和靈活的布線解決方案。銅通孔結(jié)構(gòu)提供短連接路徑，所應(yīng)用的金屬引線框架和芯片布局可以實(shí)現(xiàn)高散熱和EMI優(yōu)勢。
例如，ASE的a-EASI（高級嵌入式主動(dòng)系統(tǒng)集成）方法旨在以較小的占地面積實(shí)現(xiàn)更高水平的功能集成。該方法可以表面貼裝(SMT)到PCB上，并提供布線靈活性以減小總體PCB尺寸。
結(jié)論
隨著歷史悠久的硅器件被具有更快開關(guān)行為和更高溫度能力的SiC器件所取代，功率半導(dǎo)體組裝中使用的材料正在發(fā)生變化。封裝公司開始采用無引線封裝，例如TOLL或功率CSP，以及空間關(guān)鍵型應(yīng)用中的表面貼裝器件。
隨著當(dāng)前對純電動(dòng)汽車以及太陽能和風(fēng)能等清潔能源的關(guān)注，對可靠電源和轉(zhuǎn)換的需求預(yù)計(jì)將快速增長。隨著碳化硅功率器件性能和可靠性的提高，燒結(jié)銀和直接鍵合銅等材料將越來越多地被采用，以在更小的整體占地面積中提供更高可靠性的電力系統(tǒng)。
