電動(dòng)車(chē)風(fēng)潮迭起，功率模組封裝改革勢在必行

市場(chǎng)研究機構Yole Developpement預期，未來(lái)15～20年車(chē)廠(chǎng)將賣(mài)出幾千萬(wàn)電動(dòng)車(chē)與油電混合車(chē)。此需求使得功率電子封裝發(fā)展出現前所未有的急迫性，并為功率模組帶來(lái)可觀(guān)的商機。目前主要模組制造商，如英飛凌（Infineon）、丹佛斯（Danfoss）和西門(mén)康（Semikron）、日本的富士電子（Fuji Electronics）都在因應此一趨勢，開(kāi)發(fā)新的制程技術(shù)。

　　Yole Developpement功率電子分析師Alexandre Avron

　　滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)可靠度要求　DBC打線(xiàn)制程勢力抬頭

　　目前汽車(chē)的變頻器仍由馬達運轉，就如工業(yè)應用中的裝置，但它具備更高階的規格，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，現今市場(chǎng)亟需一個(gè)耐用的功率模組，這對于電動(dòng)車(chē)或油電混合車(chē)（EV/HEV）產(chǎn)品的研發(fā)有很大的幫助。

　　未來(lái)市場(chǎng)將會(huì )開(kāi)始看到像丹佛斯、西門(mén)康及英飛凌等業(yè)者展現直接覆銅基板（DBC Substrates）、黏晶、互連及冷卻的較新解決方案，預期有許多創(chuàng )新的功率模組封裝，將轉移到其他產(chǎn)業(yè)。

　　在芯片互連方面，功率電子業(yè)目前廣泛運用的技術(shù)是鋁打線(xiàn)，但其他解決方案可能更具低阻抗值、較高導熱性和壽命更長(cháng)的效能。由于鋁打線(xiàn)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)選項是帶式焊接（Ribbon Bonding），這就像是以一個(gè)非常大的打線(xiàn)取代許多打線(xiàn)，豐田已經(jīng)將其用于油電混合車(chē)的某些模組中。

　　在其他解決方案能取代鋁打線(xiàn)之前，鋁打線(xiàn)在功率電子互連上的運用將相當有限。目前各家半導體業(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(xiàn)，此舉能用封裝廠(chǎng)現有設備焊接，且銅能讓阻抗值大幅下降，增加導熱性，有利提高打線(xiàn)壽命。

　　第二個(gè)解決方案是在芯片之上使用軟層或DBC。此技術(shù)不用線(xiàn)材或點(diǎn)對點(diǎn)連結，而是用整片金屬箔片蓋在芯片上。西門(mén)康利用軟箔片，而其他模組廠(chǎng)商用硬箔片或某種DBC基板。模組廠(chǎng)商也須將電晶體和二極體黏著(zhù)在模組封裝中，可處理較高的功率密度和更大的熱負荷。此外，對黏晶來(lái)說(shuō)，概念是觀(guān)察能禁得起高溫的材料，DBC的熱膨脹係數也較低，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(mén)康首創(chuàng )的燒結方式中，現在材料制造商也計畫(huà)以微量銀粉進(jìn)行燒結，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溫度將芯片燒結在DBC，這是個(gè)很大的技術(shù)問(wèn)題，因為很困難、需時(shí)甚久，而芯片所有點(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。有些公司也提供放在金屬箔片上的微量粉煳劑，相較于凝膠或煳劑，它更容易傳送及應用。

　　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，并將芯片置于此夾層上。在高溫下，兩者混在一起，以更高的熔解溫度做熔合。

　　採用新一代封裝技術(shù)的功率模組不只是意味著(zhù)能確保零組件，還有它們之間的連結和黏合可因應較高溫度與冷卻狀況。實(shí)現此一方式最主要概念是使冷卻液體更靠近變熱的芯片。目前已經(jīng)有許多公司移除了芯片和冷卻系統間的夾層。例如，有的公司已去掉常會(huì )出現在DBC基板及冷卻系統間的基礎薄板，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(chē)也帶動(dòng)創(chuàng )新，日本企業(yè)如豐田、富士（Fuji）及叁菱（Mitsubishi）為其中最明顯的例子。舉例來(lái)說(shuō)，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薄板，使液體直接碰觸DBC；富士與叁菱亦跟隨其腳步。這樣的努力可使由硅晶及寬能隙（Wide-bandgap）半導體做成的元件受惠，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(cháng)。另外，硅化碳（SiC）也具相同特性，且利益