電動(dòng)車風(fēng)潮驅(qū)動(dòng) 功率模組封裝加速變革
[導(dǎo)讀]電動(dòng)車與油電混合車愈來愈受到市場(chǎng)青睞，不僅帶動(dòng)車用功率模組需求攀升，亦激勵(lì)相關(guān)模組開發(fā)商不斷研發(fā)新一代封裝技術(shù)，以打造更節(jié)能、可靠且整合度更高的解決方案；同時(shí)業(yè)者間也彼此合作，開發(fā)接腳可相容的產(chǎn)品，進(jìn)
電動(dòng)車與油電混合車愈來愈受到市場(chǎng)青睞，不僅帶動(dòng)車用功率模組需求攀升，亦激勵(lì)相關(guān)模組開發(fā)商不斷研發(fā)新一代封裝技術(shù)，以打造更節(jié)能、可靠且整合度更高的解決方案；同時(shí)業(yè)者間也彼此合作，開發(fā)接腳可相容的產(chǎn)品，進(jìn)一步擴(kuò)大整體市場(chǎng)規(guī)模。
Yole Developpement功率電子分析師Alexandre Avron
市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Developpement預(yù)期，未來15～20年車廠將賣出幾千萬電動(dòng)車與油電混合車。此需求使得功率電子封裝發(fā)展出現(xiàn)前所未有的急迫性，并為功率模組帶來可觀的商機(jī)。目前主要模組制造商，如英飛凌(Infineon)、丹佛斯(Danfoss)和西門康(Semikron)、日本的富士電子(Fuji Electronics)都在因應(yīng)此一趨勢(shì)，開發(fā)新的制程技術(shù)。
滿足電動(dòng)車可靠度要求DBC打線制程勢(shì)力抬頭
目前汽車的變頻器仍由馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，就如工業(yè)應(yīng)用中的裝置，但它具備更高階的規(guī)格，例如能在各個(gè)不同的溫度及駕駛狀況下保持可靠度。因此，現(xiàn)今市場(chǎng)亟需一個(gè)耐用的功率模組，這對(duì)于電動(dòng)車或油電混合車(EV/HEV)產(chǎn)品的研發(fā)有很大的幫助。
未來市場(chǎng)將會(huì)開始看到像丹佛斯、西門康及英飛凌等業(yè)者展現(xiàn)直接覆銅基板(DBC Substrates)、黏晶、互連及冷卻的較新解決方案，預(yù)期有許多創(chuàng)新的功率模組封裝，將轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)業(yè)。
在晶片互連方面，功率電子業(yè)目前廣泛運(yùn)用的技術(shù)是鋁打線，但其他解決方案可能更具低阻抗值、較高導(dǎo)熱性和壽命更長的效能。由于鋁打線很脆弱，且它必須傳送電流，可能會(huì)因熱循環(huán)而使電流分離，在機(jī)械上經(jīng)由振動(dòng)或沖擊也可能發(fā)生上述狀況。目前可能替代它的一個(gè)選項(xiàng)是帶式焊接(Ribbon Bonding)，這就像是以一個(gè)非常大的打線取代許多打線，豐田已經(jīng)將其用于油電混合車的某些模組中。
在其他解決方案能取代鋁打線之前，鋁打線在功率電子互連上的運(yùn)用將相當(dāng)有限。目前各家半導(dǎo)體業(yè)者都在研發(fā)取代的解決方案。其中，第一個(gè)方式是以銅替換鋁線，此舉能用封裝廠現(xiàn)有設(shè)備焊接，且銅能讓阻抗值大幅下降，增加導(dǎo)熱性，有利提高打線壽命。
第二個(gè)解決方案是在晶片之上使用軟層或DBC。此技術(shù)不用線材或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連結(jié)，而是用整片金屬箔片蓋在晶片上。西門康利用軟箔片，而其他模組廠商用硬箔片或某種DBC基板。模組廠商也須將電晶體和二極體黏著在模組封裝中，可處理較高的功率密度和更大的熱負(fù)荷。此外，對(duì)黏晶來說，概念是觀察能禁得起高溫的材料，DBC的熱膨脹系數(shù)也較低，而熱循環(huán)造成的分離亦能改善。
確保零組件可靠度模組封裝技術(shù)再進(jìn)化
另一方面，微量銀粉材料則用于由西門康首創(chuàng)的燒結(jié)方式中，現(xiàn)在材料制造商也計(jì)劃以微量銀粉進(jìn)行燒結(jié)，此方式的缺點(diǎn)在于制程，微量銀粉需要時(shí)間、30MPa壓力和250°C溫度將晶片燒結(jié)在DBC，這是個(gè)很大的技術(shù)問題，因?yàn)楹芾щy、需時(shí)甚久，而晶片所有點(diǎn)的壓力都要一樣。德國料商賀利氏(Heraeus)也在研究利用白銀奈米顆粒，就可不受壓力及溫度限制進(jìn)行燒結(jié)。有些公司也提供放在金屬箔片上的微量粉糊劑，相較于凝膠或糊劑，它更容易傳送及應(yīng)用。
替代黏晶的方式為共熔接合，利用熔合銅及錫而產(chǎn)生的抗熱性。英飛凌生產(chǎn)它的.XT功率模組，使用銅及錫進(jìn)行共熔焊接，該公司已能夠在DBC上混合非常薄層的銅和錫，并將晶片置于此夾層上。在高溫下，兩者混在一起，以更高的熔解溫度做熔合。
采用新一代封裝技術(shù)的功率模組不只是意味著能確保零組件，還有它們之間的連結(jié)和黏合可因應(yīng)較高溫度與冷卻狀況。實(shí)現(xiàn)此一方式最主要概念是使冷卻液體更靠近變熱的晶片。目前已經(jīng)有許多公司移除了晶片和冷卻系統(tǒng)間的夾層。例如，有的公司已去掉常會(huì)出現(xiàn)在DBC基板及冷卻系統(tǒng)間的基礎(chǔ)薄板，使液體直接碰觸到DBC。
新的封裝技術(shù)正推動(dòng)油電混合車也帶動(dòng)創(chuàng)新，日本企業(yè)如豐田、富士(Fuji)及三菱(Mitsubishi)為其中最明顯的例子。舉例來說，在豐田Prius由2004年到2010年的演進(jìn)中，功率模組已擺脫了基礎(chǔ)薄板，使液體直接碰觸DBC；富士與三菱亦跟隨其腳步。這樣的努力可使由矽晶及寬能隙(Wide-bandgap)半導(dǎo)體做成的元件受惠，以絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)制造的功率模組，其冷卻效果較好，壽命也較長。另外，矽化碳(SiC)也具相同特性，且利益甚至更大，因?yàn)槟苁乖诟叩?strong>溫度下運(yùn)作。
攜手車廠開發(fā)模組晶片商擴(kuò)大市場(chǎng)影響力
功率模組封裝近年來正逐步調(diào)整為新的方向，主要是由于功率組件及更高度整合的零組件已成為市場(chǎng)趨勢(shì)。由電動(dòng)車帶起的創(chuàng)新情況正改變汽車電子產(chǎn)業(yè)。例如被動(dòng)元件制造商沒有專業(yè)技術(shù)進(jìn)入功率模組市場(chǎng)，甚至封裝制造或設(shè)計(jì)領(lǐng)域；然而，功率模組制造商則積極展開合作，如英飛凌與西門康已合力開發(fā)功率組件。
事實(shí)上，功率電子產(chǎn)業(yè)先前的出貨量低迷狀態(tài)也意味著，除了一些通用的模組尺寸外，僅少數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)可適用整個(gè)產(chǎn)業(yè)。不過，此一狀況未來將獲得改善，因富士、英飛凌及西門康正一起研發(fā)接腳布置，因此他們不同的模組間可彼此相容。模組生產(chǎn)商直接和車廠合作，代表由第一層與第二層的成層作用(Stratification)的演進(jìn)，此一狀況未來在汽車電子將可經(jīng)?？吹?。
另一個(gè)進(jìn)展可能是專業(yè)封裝廠的運(yùn)用。目前大部分功率模組制造商都還沒將制程的任一階段轉(zhuǎn)包出去，但未來將會(huì)逐漸改變。主要的原因是由于不同國家的勞工成本都不一樣，丹佛斯位于德國，英飛凌則在德國或奧地利，但幾乎所有訊號(hào)和類比晶片及元件的封裝卻是在亞洲進(jìn)行，因?yàn)閯诠こ杀镜秃芏唷?br>
Yole Developpement最近已看到許多中國大陸和臺(tái)灣企業(yè)想進(jìn)入此市場(chǎng)，成為功率模組承包商，這和汽車制造的高產(chǎn)量相稱，也和再生能源、太陽光電及風(fēng)力變頻器利益相符。雖然還很難說會(huì)如何演進(jìn)，但相信未來有越來越多這類的公司出現(xiàn)，為汽車電子產(chǎn)業(yè)注入新的活水。
Yole Developpement功率電子分析師Alexandre Avron
市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Developpement預(yù)期，未來15～20年車廠將賣出幾千萬電動(dòng)車與油電混合車。此需求使得功率電子封裝發(fā)展出現(xiàn)前所未有的急迫性，并為功率模組帶來可觀的商機(jī)。目前主要模組制造商，如英飛凌(Infineon)、丹佛斯(Danfoss)和西門康(Semikron)、日本的富士電子(Fuji Electronics)都在因應(yīng)此一趨勢(shì)，開發(fā)新的制程技術(shù)。
滿足電動(dòng)車可靠度要求DBC打線制程勢(shì)力抬頭
目前汽車的變頻器仍由馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，就如工業(yè)應(yīng)用中的裝置，但它具備更高階的規(guī)格，例如能在各個(gè)不同的溫度及駕駛狀況下保持可靠度。因此，現(xiàn)今市場(chǎng)亟需一個(gè)耐用的功率模組，這對(duì)于電動(dòng)車或油電混合車(EV/HEV)產(chǎn)品的研發(fā)有很大的幫助。
未來市場(chǎng)將會(huì)開始看到像丹佛斯、西門康及英飛凌等業(yè)者展現(xiàn)直接覆銅基板(DBC Substrates)、黏晶、互連及冷卻的較新解決方案，預(yù)期有許多創(chuàng)新的功率模組封裝，將轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)業(yè)。
在晶片互連方面，功率電子業(yè)目前廣泛運(yùn)用的技術(shù)是鋁打線，但其他解決方案可能更具低阻抗值、較高導(dǎo)熱性和壽命更長的效能。由于鋁打線很脆弱，且它必須傳送電流，可能會(huì)因熱循環(huán)而使電流分離，在機(jī)械上經(jīng)由振動(dòng)或沖擊也可能發(fā)生上述狀況。目前可能替代它的一個(gè)選項(xiàng)是帶式焊接(Ribbon Bonding)，這就像是以一個(gè)非常大的打線取代許多打線，豐田已經(jīng)將其用于油電混合車的某些模組中。
在其他解決方案能取代鋁打線之前，鋁打線在功率電子互連上的運(yùn)用將相當(dāng)有限。目前各家半導(dǎo)體業(yè)者都在研發(fā)取代的解決方案。其中，第一個(gè)方式是以銅替換鋁線，此舉能用封裝廠現(xiàn)有設(shè)備焊接，且銅能讓阻抗值大幅下降，增加導(dǎo)熱性，有利提高打線壽命。
第二個(gè)解決方案是在晶片之上使用軟層或DBC。此技術(shù)不用線材或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連結(jié)，而是用整片金屬箔片蓋在晶片上。西門康利用軟箔片，而其他模組廠商用硬箔片或某種DBC基板。模組廠商也須將電晶體和二極體黏著在模組封裝中，可處理較高的功率密度和更大的熱負(fù)荷。此外，對(duì)黏晶來說，概念是觀察能禁得起高溫的材料，DBC的熱膨脹系數(shù)也較低，而熱循環(huán)造成的分離亦能改善。
確保零組件可靠度模組封裝技術(shù)再進(jìn)化
另一方面，微量銀粉材料則用于由西門康首創(chuàng)的燒結(jié)方式中，現(xiàn)在材料制造商也計(jì)劃以微量銀粉進(jìn)行燒結(jié)，此方式的缺點(diǎn)在于制程，微量銀粉需要時(shí)間、30MPa壓力和250°C溫度將晶片燒結(jié)在DBC，這是個(gè)很大的技術(shù)問題，因?yàn)楹芾щy、需時(shí)甚久，而晶片所有點(diǎn)的壓力都要一樣。德國料商賀利氏(Heraeus)也在研究利用白銀奈米顆粒，就可不受壓力及溫度限制進(jìn)行燒結(jié)。有些公司也提供放在金屬箔片上的微量粉糊劑，相較于凝膠或糊劑，它更容易傳送及應(yīng)用。
替代黏晶的方式為共熔接合，利用熔合銅及錫而產(chǎn)生的抗熱性。英飛凌生產(chǎn)它的.XT功率模組，使用銅及錫進(jìn)行共熔焊接，該公司已能夠在DBC上混合非常薄層的銅和錫，并將晶片置于此夾層上。在高溫下，兩者混在一起，以更高的熔解溫度做熔合。
采用新一代封裝技術(shù)的功率模組不只是意味著能確保零組件，還有它們之間的連結(jié)和黏合可因應(yīng)較高溫度與冷卻狀況。實(shí)現(xiàn)此一方式最主要概念是使冷卻液體更靠近變熱的晶片。目前已經(jīng)有許多公司移除了晶片和冷卻系統(tǒng)間的夾層。例如，有的公司已去掉常會(huì)出現(xiàn)在DBC基板及冷卻系統(tǒng)間的基礎(chǔ)薄板，使液體直接碰觸到DBC。
新的封裝技術(shù)正推動(dòng)油電混合車也帶動(dòng)創(chuàng)新，日本企業(yè)如豐田、富士(Fuji)及三菱(Mitsubishi)為其中最明顯的例子。舉例來說，在豐田Prius由2004年到2010年的演進(jìn)中，功率模組已擺脫了基礎(chǔ)薄板，使液體直接碰觸DBC；富士與三菱亦跟隨其腳步。這樣的努力可使由矽晶及寬能隙(Wide-bandgap)半導(dǎo)體做成的元件受惠，以絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)制造的功率模組，其冷卻效果較好，壽命也較長。另外，矽化碳(SiC)也具相同特性，且利益甚至更大，因?yàn)槟苁乖诟叩?strong>溫度下運(yùn)作。
攜手車廠開發(fā)模組晶片商擴(kuò)大市場(chǎng)影響力
功率模組封裝近年來正逐步調(diào)整為新的方向，主要是由于功率組件及更高度整合的零組件已成為市場(chǎng)趨勢(shì)。由電動(dòng)車帶起的創(chuàng)新情況正改變汽車電子產(chǎn)業(yè)。例如被動(dòng)元件制造商沒有專業(yè)技術(shù)進(jìn)入功率模組市場(chǎng)，甚至封裝制造或設(shè)計(jì)領(lǐng)域；然而，功率模組制造商則積極展開合作，如英飛凌與西門康已合力開發(fā)功率組件。
事實(shí)上，功率電子產(chǎn)業(yè)先前的出貨量低迷狀態(tài)也意味著，除了一些通用的模組尺寸外，僅少數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)可適用整個(gè)產(chǎn)業(yè)。不過，此一狀況未來將獲得改善，因富士、英飛凌及西門康正一起研發(fā)接腳布置，因此他們不同的模組間可彼此相容。模組生產(chǎn)商直接和車廠合作，代表由第一層與第二層的成層作用(Stratification)的演進(jìn)，此一狀況未來在汽車電子將可經(jīng)?？吹?。
另一個(gè)進(jìn)展可能是專業(yè)封裝廠的運(yùn)用。目前大部分功率模組制造商都還沒將制程的任一階段轉(zhuǎn)包出去，但未來將會(huì)逐漸改變。主要的原因是由于不同國家的勞工成本都不一樣，丹佛斯位于德國，英飛凌則在德國或奧地利，但幾乎所有訊號(hào)和類比晶片及元件的封裝卻是在亞洲進(jìn)行，因?yàn)閯诠こ杀镜秃芏唷?br>
Yole Developpement最近已看到許多中國大陸和臺(tái)灣企業(yè)想進(jìn)入此市場(chǎng)，成為功率模組承包商，這和汽車制造的高產(chǎn)量相稱，也和再生能源、太陽光電及風(fēng)力變頻器利益相符。雖然還很難說會(huì)如何演進(jìn)，但相信未來有越來越多這類的公司出現(xiàn)，為汽車電子產(chǎn)業(yè)注入新的活水。
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