在电动汽车和可再生能源的采用的推动下，功率半导体市场有望在未来几年实现显著增长，同时也推动保护和连接这些设备所需的封装发生巨大变化。

封装在向更高功率密度的过渡中发挥着越来越重要的作用，从而实现更高效的电源、电力传输、更快的转换以及更高的可靠性。随着全球转向更快的开关频率和更高的功率密度，用于基板、芯片贴装、引线键合和系统冷却的材料也发生了相关的变化。

英飞凌中功率电压 MOSFET 总监 Brian LaValle 在最近的一次网络研讨会上表示：“随着我们在硅本身方面取得进步，封装开始变得越来越重要。”

驱动器和应用

功率器件是在电子系统中启动、停止或调节功率的晶体管和二极管。电力电子产品在我们的生活中无处不在，而净零排放的推动预计将在短短几年内（2025/2026 年）将市场规模从 2022 年的 220 亿美元增加一倍至 440 亿美元。事实上，麦肯锡估计 2022 年至 2030 年间，仅碳化硅功率器件的复合年增长率就达到 26%。

分立功率器件和功率模块用于交通、电网、能源存储、计算、5G 基础设施、充电器和工业驱动等领域。新功率封装（包括测试）市场占整个半导体功率市场的20%至25%。

设备分为低电压、中电压和高电压类别，与低电流、中电流和高电流密切相关。就在十年前，计算驱动器的额定电压为 30V 和 40V 仍是常态。如今的电压等级范围为 40V 至 150V。这一变化正在推动从硅 MOSFET 和 IGBT 向基于碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN) 的转变，后者的宽带隙能够以更小的尺寸实现更高的开关功率特性、更高的工作频率和更低的 RDS(on)。脚印。[注：绝缘栅双极晶体管将输入 MOSFET 与输出双极结型晶体管结合在一起。]

在智能电源应用中，效率是最重要的选择因素。相比之下，汽车应用要求功率损耗保持在绝对最低水平。SiC 器件的工作温度较高，且与硅系统价格相当，这使得 SiC 成为电池电动汽车车载充电、牵引逆变和 DC-DC 转换的首选材料。

电源开关非常高效，但即使是最高效的开关也需要权衡操作。封装电感和电阻直接影响传导和开关损耗。

功率器件的结构与 CMOS FET 不同。它们是垂直器件而不是平面器件，并且它们不像 CMOS 器件那样缩放。尽管如此，还是有一些方法可以实现有效的扩展。QP 高级工艺工程师 Sam Sadri 表示：“尽管在微流体冷却方面有很多研发活动，但您可以通过使用直接键合铜 (DBC) 连接两个相同的芯片并从两侧对其进行冷却（目前通常使用气流）来减小尺寸。”技术。

直接键合铜通常是一个两层工艺，其中基板的背面是坚固且无特征的铜片，并且顶部铜层使用湿化学蚀刻来结构化以形成电路迹线。底部铜层通常焊接到散热器或散热器上。

对于电源模块等复杂器件，设计技术与工艺技术的协同优化变得越来越普遍。Synopsys、Cadence 和其他 EDA 公司在系统设计规划之初就推荐对设备使用 DTCO。例如，Synopsys PrimePower 产品能够对块级和全芯片设计进行准确的功耗分析，从 RTL 开始，经过不同的实施阶段，直至功耗签核。该实现包括由 RTL 和门级活动驱动的门级功耗分析以及详细的功率级可靠性签核。

芯片尺寸越大，与不同材料特性相关的机械挑战就越大，特别是热膨胀系数 (CTE)。功率模块在较高的结温下运行，反复达到 150°C 至 200°C，这对材料造成了压力。“还有电气要求，例如环路电感。例如，当您设计电源时，您必须了解电气特性，因为在正常情况下可能不会出现问题。但当出现电涌时，可能会发生损坏，”QP Technologies 的 Sadri 说道。“另一个显然是机械特性。当 CTE 不匹配时，当两种材料加热和冷却时，它们会以不同的速率膨胀和收缩，从而产生机械应力 - 例如，硅的 CTE 约为 4，而铜的 CTE 约为 17 (ppm/°C)。”

汽车逆变器和其他应用中用 SiC MOSFET 取代硅 IGBT 也正在推动装配和封装的变化。由于其工作温度较高，因此需要大规格引线键合、铜夹、银烧结和导电性更强的模塑料。SiC 的硬度几乎与金刚石一样，因此分割会使用这种材料（金刚石涂层刀片）来机械分离芯片。3D-Micromac 开发了一种速度更快且潜在破坏性更小的工艺，该工艺在两步划线和切割工艺中使用热激光锯切 (TLS-Dicing) 工艺。

未来发展趋势

随着5G、物联网、人工智能等领域的快速发展，对电子封装可靠性技术提出了更高的要求。未来电子封装可靠性技术的发展趋势将体现在以下几个方面：

更高集成度和小型化：随着电子产品向更小型、更轻薄的方向发展，电子封装技术也需要实现更高的集成度和小型化。

新材料与新工艺的研究：新型的封装材料和工艺可以提高电子产品的性能和可靠性，降低成本。

智能化与自动化生产：通过引入智能化与自动化生产技术，提高电子封装生产过程中的精确性和可靠性。

绿色环保：在材料选择、生产过程及废弃物处理等方面，充分考虑环保因素，实现绿色、可持续的电子封装技术发展。

总之，电子封装的可靠性技术在保障电子产品性能、稳定性和可靠性方面具有举足轻重的作用。在未来，随着电子产品对可靠性要求的不断提高，电子封装可靠性技术将继续在封装结构设计、材料研究、工艺创新、热管理技术以及测试与评估等方面进行深入研究和发展。

电子封装可靠性技术的研究方向

封装结构的可靠性设计

电子封装结构的设计关乎产品的稳定性和可靠性。为了提高产品的可靠性，应在设计阶段充分考虑封装结构对产品性能的影响，同时根据产品的使用环境和工作条件来选择合适的封装结构。例如，在高温、高湿或者有震动的环境中，应采用更加稳定和可靠的封装结构，如球栅阵列封装（BGA）或芯片级封装（CSP）等。

封装材料的可靠性研究

电子封装材料在保障产品可靠性方面有着至关重要的作用。高性能的封装材料可以提高产品的耐受性、抗老化能力和抗环境应力的能力。因此，在选择封装材料时，应充分考虑材料的热性能、力学性能、电学性能和化学稳定性等因素，以保证产品在不同工作环境下的稳定性和可靠性。

封装工艺的可靠性研究

封装工艺对电子产品的性能和可靠性有着直接影响。优良的封装工艺可以有效减小产品在生产过程中产生的缺陷，从而提高产品的可靠性。在封装工艺的研究中，应关注焊接技术、键合技术、导线键合、封装浆料等方面的技术创新和优化，以确保封装过程的精确性和可靠性。此外，还应重视自动化生产线在封装过程中的应用，以减少人为因素对产品可靠性的影响。

微电子封装技术未来发展面临的问题与挑战

毫无疑问，3D 封装和SIP 系统封装是当前以至于以后很长一段时间内微电子封装技术的发展方向。

目前3D 封装技术的发展面临的难题：一是制造过程中实时工艺过程的实时检测问题。因为这一问题如果解决不了，那么就会出现高损耗，只有控制了每一道生产工艺，才能有效地保证产品的质量,从而达到有效地降低废品率。二是超薄硅圆片技术。面对更薄的硅圆片, 在夹持和处理过程中如何避免它的变形及脆裂,以及后续评价检测内的各种处理技术,都有待进一步研究。三是高密度互连的散热问题。目前,基于微流体通道的液体冷却被证明是显著降低3DICs 温度的有效方法。但在封装密度不断增加的前提下,微流体通道的分布需要与电气通路和信号传输通路统筹分布, 如何在成功制作出更小微流体通道的同时保证系统整体性能的要求,是研究者们需要考虑的问题。但是, 我们仍需看到3D 封装在高密度互连趋势下的巨大潜力。3D 封装在未来的消费电子产品领域（特别是手机、掌上电脑）、机器人领域、生物医学领域等将扮演重要的角色。

微晶片的减薄化是SIP 增长面对的重要技术挑战。现在用于生产200mm 和300mm 微晶片的焊接设备可处理厚度为50μm 的晶片，因此允许更密集地堆叠芯片。如果更薄，对于自动设备来说将产生问题：晶片变得过于脆弱，因此更加易碎。此外，从微晶片到微晶片的电子“穿孔”效应将损毁芯片的性能。

但是我们应该看到SIP 巨大的市场前景，Allied Business Intelligence统计，仅RF 蜂窝市场的销售额就从2003 年的18 亿美元飙升至2007 年的27.5 亿美元。由堆叠BGA 封装以及有源和无源组件构成的近十亿SIP 于2003 年上市，包括功率放大器、天线转换开关、发送器和前端模块。而近几年来SIP 大发展更是迅速，德国银行、瑞士信贷第一波士顿和美国著名的研究组织 “商业情报联盟”的联合调研表明,RF、数字、蓝牙、电源和汽车应用等市场已经被SIP 技术占领。在我国SIP 技术也有很好的发展，如江苏长电科技股份有限公司开发的整体U 盘的SIP 封装技术，SIP 系统级封装的U 盘是一个USB 接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，与传统U 盘相比，有着轻薄短小、容量大且可靠性高的特点。未来，我们也将看到更多SIP 技术的产品出现在我们周围。

结语

无论是3D 封装技术，还是系统级的封装技术SIP，都是基于更小体积、更多功能、更好稳定性的前提下发展而来的。特别是SIP 不仅提出了系统级封装的概念，更是一种创意的封装思想，开拓了一种低成本系统集成的可行思路与方法，引出了许多的创意火花，丰富着微电子封装技术，也较好地解决了SOC 中诸如工艺兼容、信号混合、电磁干扰EMI、芯片体积、开发成本等问题，SIP 封装集成能最大程度上优化系统性能，避免重复封装，缩短开发周期，降低成本并提高集成度，掌握这项新技术是进入主流封装领域的关键。毋庸置疑，未来的微电子封装产业将会迎来一个异彩纷呈的、多种技术并行的新时代。

文章来源： 半导体芯闻，中科同志科技，半导体封装工程师之家