汽车功率半导体封装的今天和未来

摘要：毫无疑问，汽车工业正在经历一场电子革命。随着这种增长，投资方会有机会在增加其收益同时，为最终用户增加功能和经济价值。无论是自动驾驶、信息娱乐系统还是汽车电气化应用，性能、可靠性和成本都决定了每个玩家的差异化战略。因此，集成设备制造商(IDM)和外包组装和测试(OSAT)供应商都有巨大的创新。本文将提供一个简短概述，在电气化部分的价值创造，特别是电力半导体封装领域。

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。

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。

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。

来源:中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟