'汽車功率半導體封裝的今天和未來（前篇）'

摘要

毫無疑問，汽車工業正在經歷一場電子革命。隨著這種增長，投資方會有機會在增加其收益同時，為最終用戶增加功能和經濟價值。無論是自動駕駛、信息娛樂系統還是汽車電氣化應用，性能、可靠性和成本都決定了每個玩家的差異化戰略。因此，集成設備製造商(IDM)和外包組裝和測試(OSAT)供應商都有巨大的創新。本文將提供一個簡短概述，在電氣化部分的價值創造，特別是電力半導體封裝領域。

市場趨勢

環境、經濟和社會因素正在影響未來車輛設計和動力總成的選擇。考慮到二氧化碳(CO2)排放政策、稅收優惠和充電基礎設施的發展，動力系統戰略佈局將在短期和長期內出現重大演變。功率半導體是電動汽車(EVs)、混合動力汽車(HEVs)和插電式混合動力汽車(PHEVs)動力總成系統的關鍵部件。據瞭解，與燃油車中330美元的平均半導體含量相比，每輛電動汽車的半導體含量可能超過750美元，其中大部分價值份額由主逆變器、車載充電器和DC-DC轉換器的電力設備佔據。隨著電動汽車和電動汽車(HEV和PHEV)數量的增加，對複雜電力電子解決方案的需求將會增加，這些解決方案將減少電力損失、系統重量和總成本。

目前以硅(Si)技術為基礎的功率器件如MOSFET和IGBT，由於技術成熟、可製造性和供應鏈的建立而發揮著重要作用。一般情況下，MOSFET覆蓋低壓(<200V)領域，而IGBT貢獻於高壓(>600V)相關的應用。在封裝方面，功率離散封裝如：晶體管外形封裝(TO)、小外形晶體管封裝(SOT)、方形扁平無引腳塑料封裝(PQFN)和大電流應用(TOLL)封裝，他們在低功耗(< 5kW)應用領域中得到了很好的應用。然而，對於高功率(> 50kW)子系統，需要基於成型的或框架功率模塊。多個電力設備供應商的產品組合包括分立、模製和框架模塊，配置如單開關、半橋、全橋和三相設計。

隨著電動汽車(xEV)解決方案的增加，電力電子產品的成本($/kW)和功率密度(kW/Kg或kW/l)的要求也隨之提高。目前，成本控制約為5美元/千瓦，而功率密度約為12千瓦/升。到2035年，這些成本有望達到3美元/千瓦和60千瓦/升。而現有的半導體器件技術、封裝技術和系統級架構無法實現這些未來的路線圖目標。這一趨勢可能會分化成兩條路:電動馬達和電力電子協同設計的完全集成的解決方案或者單一電力管理轉換器來管理整個車輛電力。

技術的迭代：SI-SiC & GaN

為了滿足汽車和系統製造商的要求，半導體供應商需要在多個領域提供卓越的解決方案。從半導體技術角度來看，隨著性能的提高，硅功率器件將繼續發揮關鍵作用。因此，新型寬禁帶材料如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)有望在未來幾十年發揮更大的作用，特別是在大功率牽引逆變器和中等功率變換器的應用中。如表1所示，與傳統硅器件相比，這些新材料提供了更好的熱量和電氣性能，但在可製造性、集成性和成本方面存在挑戰。為了最大限度地發揮寬禁帶半導體材料的潛在效益，則需要共同開發先進的元件、轉換器拓撲結構和集成電路。

在封裝層面上，高溫性能、集成度和可靠性是推動創新的三大趨勢。對於功率離散體和模塊的高溫性能，設計時要有更好的熱界面材料(TIM)、新穎的襯底概念和改進的封裝技術。此外，新材料需要不斷地創新以提供更好的機械穩定性和魯棒性，以及改進的粘合機制，從而更好地承受擴展的功率和溫度循環。隨著碳化硅和氮化鎵器件被越來越多的普及，但由於它們不能完全替代硅器件，因此目前的封裝解決方案需要進行優化。例如，隨著寬禁帶材料的引入和被動元件數量的減少，將顯著節省空間，從而實現帶有柵極驅動器和過濾器的包級集成解決方案。

與此同時，目前的逆變器和變換器體系結構將由於現有硅器件的增量改進而提高效率。為了提供進一步的功能，如集成SiC整流器或GaN晶體管的混合策略，以及如分佈式架構的高效設計將有望滿足市場需求。未來，為了充分挖掘寬禁帶器件的潛力，將在電路設計上進一步創新，結合高頻開關、軟開關和諧振開關，將提供更高效、功率密度更高的解決方案。此外，將電機和電力轉換器集成在一起的市場趨勢將帶來具有挑戰性的封裝要求，主要表現在機械、熱能和電氣性能方面的要求。對於SiC和GaN器件，電流封裝技術可能會通過造成開關損耗的雜散電感和導致共模電流的寄生電容來限制性能。

總結

從趨勢發展來看，SiC和GaN將是功率半導體的主力軍，隨著高溫性能、集成度和可靠性的不斷增強，汽車內部的主動、被動元件也將逐步遞增。對於封裝技術而言，想要跟進這些步伐，無疑要實現技術上的創新。

下一篇會著重介紹封裝產業鏈的發展過程以及OSAT廠家Amkor的主要技術和產品，更進一步瞭解功率半導體封裝技術的演進過程。