汽车功率半导体封装的今天和未来(后篇)

2019-07-22来源: EEWORLD关键字:功率半导体封装  逆变器  转换器

技术名词:逆变器、转换器、IDM、引线框架技术(XDLF)、TOLL、LFPAK、宽频带隙特性

 

上一篇介绍了电动汽车的发展趋势以及SiC、GaN的技术特性,以及封装层面上所面临的技术难点(参考:上一篇文章)。本篇将继续讲解功率半导体封装产业链的有关内容。

 

价值链分析

 

从封装技术的角度看,半导体行业已经经历了若干个周期。例如,随着移动通信领域的产品生命周期缩短,一旦包装平台合格,技术整合和数量将急剧增加。随着新颖的颠覆性技术的出现,这种形式可能会出现一个巨大的替代。相比之下,汽车产品的生命周期通常更长。一般来说,汽车产品都建立在稳健的Si节点和封装上。

 

在未来,随着更短的开发周期驱动着汽车供应商走向市场战略,汽车功率封装技术可能也会遵循半导体成熟度模式。整合元件制造商通常为内部生产保持低产量和高利润率的产品。多年来,随着技术的成熟和产量的增加,企业已经战略性地转向了封测代工厂。这种方法与封测代工厂的业务模型很好地结合在一起——在满足客户需求的同时提供有吸引力的经济效益。然而,由于汽车等行业的快速发展,预计封测代工厂将跟上创新的步伐,提供更复杂和技术差异化的解决方案。

 

封测代工厂能否成功创造价值主要依赖于资本投资、生产力、吸引成本结构和定价模型。

 

逆变器和转换器的功率模块在汽车领域的应用表明技术的差异化是解决某些特定的应用空间的关键。考虑到目前提供的电源模块解决方案的非标准化,在未来,汽车厂家和系统制造商将要求一定程度的标准化,从而为供应商带来大量的采购和价格压力。整合元件制造商IDM通常在前端而不是后端投入大量资金,它们可能会指望封测代工厂来完成部分电源模块的制造。整合元件制造商、封测代工厂和系统制造商之间的协作将对电力封装生态系统至关重要。

 

考虑到各种各样的要求——高温材料、高开关频率、高可靠性和更强的功率密度解决方案——包装技术则需要扩大规模,以满足汽车行业的这些严格要求。虽然先进的功率封装技术需要开发材料集、结构优化和工艺创新,但同样需要CAD工具和建模方法来达到预期的结果。功率封装的发展可大致分三个阶段。

 

标准化阶段—短期(0-2年)

 

包括IDMs和OSATs在内的半导体封装行业非常分散,导致界面材料、模具化合物和键合机制之间存在严重的不标准化。在短期内,可进行一些开发来对最新的封装技术标准化,允许制造商进行多源采购。此外,将有源元件与被动元件集成,提供低成本的双面冷却解决方案,将推动功率离散体和模块在牵引逆变器应用中的效率提高。嵌入式芯片和平面互连技术的发展将降低寄生电感,从而实现高频开关,从而满足更高的效率指标。最后,材料和装配技术预计会不断提高,满足应用程序所要求的宽温工作和功率循环。

 

一体化阶段—中期(3-5年)

 

这是一种自然的发展过程,下一代的改进将在集成门驱动程序、过滤器、控制器和传感器到单个封装中。集成电源和控制元件将为供应链中的供应商提供差异化战略。显然,要实现更高级别的集成以实现转换器封装(CIP),需要对能够处理温度超过250℃的材料进行多方面研究。特别是在采用高密度转换器后,CIP集成将能够很好地实现60kw/l的长期目标。然而,能够高温运行和抑制高频开关引起的电磁干扰(EMI)的底层材料集将是至关重要的。

 

降低成本设计—长期(6-10年)

 

随着电力封装变得更加标准化,越来越倾向于易于制造具有模块化和预封装芯片的电力模块的趋势。因此,生产规模也将转移到高产量和低成本的生产线,提供最佳的性价比指标。低热膨胀系数(CTE)和高热传导系数(>20W/mK)的低成本基材和层压材料将成为标准产品,同时保持了宽工作温度范围和功率循环要求。功能集成方案,如三维(3D)集成异质组件,将进一步优化车辆热管理水平,并降低专用电力电子冷却的要求。

 

AMKOR的电力封装程序

 

作为一家汽车OSAT供应商,Amkor在价值链中拥有强大的地位。在Amkor提供的40个不同的软件包中,至少26个是符合机动车标准的。Amkor的强大地位源于其全球业务、与顶级汽车供应商的合作关系以及40多年来在该领域的参与。Amkor的动力封装由两个不同的工厂提供支持——Amkor Malaysia(ATM)和Amkor Japan Fukui (JFI)。大体上,Amkor提供了一些富有创造力的功能和技术差异,如先进的引线框架技术(XDLF),铜(Cu)互连技术,楔形压焊和节省空间的表面安装,平面引线设计。从封装角度来看,Amkor的动力封装方案已经从传统的通孔和鸥翼型封装演变为扁铅,裸露焊盘封装,双侧冷却和低轮廓的交替。因此,其产品组合包括提供非常大(大约100A)驱动电流和大于300 mm2车身尺寸的封装,如图2所示。

 

 

例如,TOLL是一种高效节省空间的封装,具有极低的寄生电阻和强大的热性能,非常适合于高电流和高压应用。它符合现有的JEDEC封装外形,比Amkor目前提供的D2PAK (TO263)封装小30%,薄50%。TOLL封装引线设计有润湿性侧翼,使其非常适合汽车市场。TOLL一直是整合元件制造商在汽车应用中的首选技术。

 

随着对多源化和标准化的需求增加,Amkor成功地将这个封装推向市场。此外,LFPAK56 (5x6毫米)是Amkor公司提供的另一种新产品,适用于DC-DC转换、车身电子和汽车安全应用。从设计角度来看,LFPAK采用了梁式引线结构,消除了铜夹和外部引线之间的连接,从而降低了电阻,提高了可靠性。

 

LFPAK是一种智能封装和引线框设计,它不仅提供了最佳的可靠性性能,而且在切换应用中提高了效率。Amkor最新power封装组合涵盖了短期标准化趋势。

 

 

Amkor电力封装平台的最新发展趋势是用于大功率牵引逆变器的双侧冷却(DSC)模制电源模块(图5)。在目前市场上流行的两种大功率模块中,基于框架或模制模块,这些提供了优越的热电性能。由于双侧冷却封装结构可以有效地释放开关电源过程中产生的热量。此外,采用这种模制电源模块设计,IGBT (MOSFET)中集电极(漏极)和发射极(源极)连接的寄生电感将显著降低。尽管如此,在现有的解决方案中,仍然可以使用芯片的结构建模来实现栅极连接,也可以使用夹式连接。

 

 

宽频带隙特性的器件可以帮助缓解目前在框架模块中使用的大型和重型散热器的需求。无论是成熟的半导体技术还是先进半导体技术,模制模块都非常适合于帮助管理电机的热负荷。模制模块的价值超越了热电性能,这些模块可以与xEV应用中使用的先进电机架构集成。考虑到更高功率要求,可以在现有插槽中插入更多的封装,以提高大功率性能。该方案已经通过了Amkor内部开发阶段和汽车电子委员会AEC Q101资格要求。

 

 

从功率封装趋势来看,该计划有利于短期和中期需求。在未来,这个封装可能会发展到可以集成像控制器、传感器和过滤器等其他移动装置。

 

总结

 

在电气化这一趋势的推动下,功率半导体是高速增长的汽车电子领域的一个重要因素。虽然功率离散型封装是一个成熟的市场,但仍有进一步的创新空间,以适应新兴的宽带隙器件发展。定制电源模块设计为诸如Amkor这样的OSAT提供了诸多的商业机会,这些OSAT可以依靠其强大的技术、供应商管理和驱动效率。除了广泛的产品组合,OSAT供应商还必须关注质量、汽车过程控制和汽车认证人员。Amkor不仅能够满足这些要求,而且还具有在设备和设施方面进行重大投资并为其汽车客户提供长期支持的财政和技术实力。


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