車規級芯片封裝技術的現狀

車規級芯片是一種適合汽車電子元器件規格規范的半導體芯片，在現代汽車中扮演著至關重要的角色。

一、市場規模與需求增長 隨著汽車的智能化、網聯化、電動化發展，車規級芯片的需求不斷增長。從汽車不同控制層級來看，智能化和網聯化主要影響感知層和決策層，拉動各類傳感器芯片和計算芯片的增長，例如攝像頭、雷達、IMU/GPS、V2X、ECU等設備所需的芯片。汽車電動化對執行層中的動力、制動、轉向、變速等系統影響更直接，使得功率半導體、執行器相關的芯片需求相比傳統燃油車增長明顯。據統計，到2022年，新能源汽車車均芯片搭載量約1459個，而傳統燃油車搭載芯片數量為934個。StrategyAnalytics預計每輛車的平均硅含量將從2021年的530美元/車翻一番，到2028年超過1000美元，高端制造汽車的硅含量可能超過3000美元。從市場規模來看，2019年全球車規級半導體市場規模約412億美元，預計2025年將達到804億美元；2019年中國車規級半導體市場規模約112億美元，占全球市場比重約27.2%，預計2025年將達到216億美元。

二、按功能種類劃分的芯片類型及封裝需求 車規級半導體大致可分為主控/計算類芯片（MCU、CPU、FPGA、ASIC和AI芯片等）、功率半導體（IGBT和MOSFET）、傳感器（CIS、加速傳感器等）、無線通信及車載接口類芯片、車用存儲器等。不同類型的芯片對封裝技術有著不同的要求。例如主控/計算類芯片需要高性能的封裝以滿足高速運算和數據處理的需求，封裝要能提供良好的電學性能和散熱性能；功率半導體芯片在工作時會產生大量熱量，因此其封裝需要具備優秀的散熱能力，以保證芯片在高溫環境下的可靠性和穩定性；傳感器芯片則可能需要特殊的封裝來保護其對環境敏感的元件，同時滿足其特定的功能要求，如光學傳感器可能需要透明或特殊光學性能的封裝材料。

三、現有封裝技術的應用情況 目前常見的芯片封裝技術在車規級芯片封裝中都有應用。例如倒裝芯片技術，它通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上，這種技術具有較高的單位面積內I/O數量、短的信號路徑、高的散熱性、良好的電學和熱力學性能，在車規級芯片封裝中被廣泛關注。多芯片封裝技術也有所應用，它是一種將多個芯片封裝在同一個封裝體內的集成封裝，可以滿足汽車電子系統對于集成度的要求，減少系統的體積和重量。另外，底部填充膠被填充在芯片與基板之間的間隙，來降低芯片與基板熱膨脹系數不匹配產生的應力，提高封裝的穩定性，這一技術在車規級芯片封裝中也很重要，尤其是對于那些對溫度變化較為敏感的芯片封裝來說。

車規級芯片封裝技術的最新研究成果

一、國內的突破與創新 在國內，車規級芯片封裝技術取得了不少成果。例如湖北省車規級芯片產業技術創新聯合體取得了重要突破，展示了國內產自主可控高性能車規級MCU芯片 - DF30。該芯片采用自主開源RISC - V多核架構，國內40nm車規工藝開發，功能安全等級達到ASIL - D，具有高性能、強可控、超安全、極可靠4大特性。并且這款芯片經過295項嚴格測試，適配國產自主AutoSAR汽車軟件操作系統，廣泛應用于動力控制、車身底盤、電子信息、駕駛輔助等領域。此外，該創新聯合體的高邊驅動芯片也獲得了車規認證證書，全流程國產化，應用于汽車12V接地負載應用中，具備多種智能保護和診斷功能，并在東風汽車新能源車型上正式量產搭載。創新聯合體成立于2022年，目前已發展至44家成員單位，覆蓋車規芯片標準、設計、制造、封裝、應用等全產業鏈領域，在過去的兩年里，共產出發明專利50多項，牽頭起草車規級芯片國家、行業標準6項，榮獲湖北省高價值專利大賽金獎。

二、企業的成果 一些企業在車規級芯片封裝技術方面也有新成果。長電科技在上海臨港加速建設公司首座大規模生產車規級芯片成品的先進封裝基地，以服務國內外汽車電子領域客戶和行業合作伙伴。晶方科技作為全球車規CIS芯片晶圓級TSV封裝技術引領者，在汽車電子領域，隨著汽車智能化趨勢的持續滲透，其封裝業務規模與技術領先優勢持續提升。飛凱材料從2007年開始布局半導體行業，一直以來專注在本土化率較低的、核心關鍵材料的研發、制造及銷售，目前在晶圓制造、晶圓級封裝和芯片級封裝已形成全產業鏈的材料布局，為高端芯片技術的優化升級提供了有力支持。

三、技術創新點

1. 提高性能方面

• 在提高芯片性能方面，新的封裝技術致力于縮短信號路徑，減少信號傳輸延遲。例如采用更先進的互連技術，能夠使芯片內部和芯片與外部之間的信號傳輸更加快速和穩定，從而提高整個汽車電子系統的響應速度。

• 優化芯片的電學性能也是一個研究方向。通過改進封裝材料和結構，降低電阻、電容等電學參數的影響，提高芯片的工作頻率和能效比，這對于計算類和通信類車規級芯片尤為重要。

2. 增強可靠性方面

• 提升封裝在惡劣環境下的可靠性。汽車工作環境復雜，溫度、濕度、振動等因素對芯片封裝有很大影響。新的封裝技術通過改進材料的耐溫性、耐濕性和抗振性，以及優化封裝結構的機械強度，確保芯片在各種工況下都能正常工作。

• 提高芯片的安全性。例如采用特殊的封裝設計防止芯片受到電磁干擾，或者在封裝中加入安全監測和保護機制，如過溫保護、過壓保護等，以滿足車規級芯片對安全性的嚴格要求。

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影響車規級芯片封裝技術發展的因素

一、技術層面的因素

1. 芯片自身性能要求

• 不同功能的車規級芯片有著不同的性能要求，這直接影響封裝技術的發展。如主控/計算類芯片，隨著汽車智能化程度的提高，對計算能力和數據處理速度的要求不斷提升。這就要求封裝技術能夠提供更高的信號傳輸速度、更低的信號干擾以及更好的散熱性能，以保證芯片在高負載運算下的穩定性。例如，自動駕駛技術的發展，使得AI芯片在汽車中的應用越來越廣泛，這類芯片運算量大，產生的熱量多，封裝技術需要解決其散熱問題，否則芯片容易因過熱而性能下降甚至損壞。

• 傳感器芯片的精度和靈敏度也是影響封裝的重要因素。以汽車攝像頭中的圖像傳感器芯片為例，為了保證圖像的清晰度和準確性，封裝需要提供良好的光學性能，防止光線散射和反射對圖像質量的影響，同時還要保護芯片免受外界環境因素如灰塵、水汽等的干擾。

2. 制程工藝的限制與推動

• 芯片的制程工藝不斷發展，從傳統的制程向更先進的制程邁進。例如從較大的制程尺寸向更小的納米級制程發展。這一變化對封裝技術提出了新的挑戰和機遇。一方面，更小的芯片尺寸需要更精密的封裝技術來實現芯片與外部電路的連接，對封裝的精度和一致性要求更高。另一方面，先進的制程工藝也使得芯片的性能得到提升，如更高的集成度和更低的功耗，這也促使封裝技術向小型化、高性能化方向發展，以充分發揮芯片的性能優勢。

• 然而，制程工藝的發展也面臨一些限制因素。例如，隨著制程尺寸的不斷縮小，芯片制造過程中的工藝難度和成本大幅增加，這也會影響到封裝技術的發展。因為封裝技術需要與芯片制程工藝相匹配，如果芯片制程成本過高，可能會限制封裝技術在大規模生產中的應用。

二、市場需求因素

1. 汽車行業的發展趨勢

• 汽車的智能化、網聯化和電動化趨勢是影響車規級芯片封裝技術發展的重要市場因素。隨著自動駕駛技術從L3級別向L5級別發展，所需的傳感器芯片數量從平均8個提升到20個，同時對芯片的性能和可靠性要求也更高。這就促使封裝技術不斷創新，以滿足更多傳感器芯片的封裝需求，并且保證在復雜的汽車電子系統中穩定運行。

• 智能座艙的發展也對車規級芯片封裝技術提出了新要求。智能座艙需要集成大量的電子設備，如多媒體系統、人機交互系統等，這就需要芯片封裝具有更高的集成度，能夠在有限的空間內實現多個芯片的封裝和連接，同時還要滿足散熱、電磁兼容性等要求。

2. 成本與競爭壓力

• 在市場競爭激烈的汽車行業，成本控制是非常重要的。車規級芯片封裝技術需要在保證性能和可靠性的前提下，盡可能降低成本。這就要求封裝企業不斷優化封裝工藝，提高生產效率，降低原材料成本。例如，通過采用大規模生產技術，降低單位封裝產品的成本。同時，還需要在封裝設計階段就考慮成本因素，選擇合適的封裝材料和結構，避免過度設計導致成本增加。

• 全球范圍內的競爭也促使封裝技術不斷發展。不同國家和地區的企業在車規級芯片封裝技術方面展開競爭，為了在市場中占據優勢，企業需要不斷投入研發，推出更先進、更具競爭力的封裝技術。例如，國內企業為了減少對進口車規級芯片封裝技術的依賴，加大研發力度，努力提升自身的技術水平，這也推動了車規級芯片封裝技術在國內的發展。

三、行業標準與認證因素

1. 嚴格的車規標準

• 車規級芯片有嚴格的行業標準，如質量管理體系IATF16949和可靠性標準AEC - Q系列等。這些標準對芯片的封裝也有詳細的要求。例如，在可靠性方面，封裝后的芯片需要通過一系列的環境測試，如高溫、低溫、濕度、振動等測試，以確保在汽車復雜的工作環境下能夠正常工作。這就要求封裝技術必須滿足這些嚴格的標準，在封裝材料的選擇、封裝工藝的設計和封裝結構的優化等方面都要符合相關規定。

• 功能安全標準也是重要的一部分。對于一些關鍵的汽車控制系統，如制動系統、轉向系統等所使用的芯片，其封裝技術需要滿足相應的功能安全等級要求。例如，達到ASIL - D級別的功能安全要求，這意味著封裝技術要能夠提供足夠的安全性和可靠性，防止芯片出現故障導致汽車系統的失控。

2. 漫長的認證過程

• 車規級芯片企業在進入整車廠或Tier1的供應鏈體系前，不僅要符合相關標準，還需要較長時間完成相關測試并向整車廠提交測試文件。在完成這些車規級標準規范的認證和審核后，還需經歷嚴苛的應用測試驗證和1 - 2年的上車驗證，才能進入汽車前裝供應鏈。這一漫長的認證過程對封裝技術的發展有一定的限制作用。因為企業需要投入大量的時間和資源來進行認證，這可能會減緩新封裝技術的推廣速度。但從另一方面看，這也促使封裝企業在研發和生產過程中更加注重技術的成熟性和可靠性，以確保能夠順利通過認證。

車規級芯片封裝技術未來的應用方向

一、汽車智能化相關應用

1. 自動駕駛系統中的應用

• 在自動駕駛系統中，車規級芯片封裝技術將發揮關鍵作用。隨著自動駕駛級別從L3向L5不斷提升，車輛需要處理大量的傳感器數據，如攝像頭的圖像數據、雷達的距離數據等。封裝技術要能夠滿足高性能計算芯片的需求，確保芯片在高速運算下的穩定性。例如，采用先進的3D封裝技術，可以提高芯片的集成度，縮短信號傳輸路徑，從而加快數據處理速度，這對于自動駕駛系統的實時決策至關重要。

• 同時，自動駕駛系統對芯片的可靠性要求極高。封裝技術需要保證芯片在各種惡劣的環境條件下都能正常工作，如在高溫、低溫、潮濕以及強烈振動的情況下。通過改進封裝材料和結構，提高芯片的抗干擾能力和環境適應性，防止因封裝問題導致芯片故障，進而影響自動駕駛的安全性。

2. 智能座艙系統中的應用

• 智能座艙是汽車智能化的重要組成部分，包含多媒體娛樂、人機交互、車輛信息顯示等功能。車規級芯片封裝技術在這里的應用主要體現在提高集成度和優化用戶體驗方面。為了在有限的空間內集成更多的功能，需要將多個芯片進行封裝集成，如將處理音頻、視頻、觸控等功能的芯片封裝在一起。采用多芯片封裝技術（MCP）可以實現這一目標，減少電路板的面積，降低系統成本。

• 此外，智能座艙中的芯片封裝還需要考慮電磁兼容性（EMC）。由于座艙內有多種電子設備，如收音機、藍牙設備等，容易產生電磁干擾。封裝技術可以通過采用屏蔽材料、優化電路布局等方式，降低芯片之間的電磁干擾，提高系統的穩定性，確保用戶在使用多媒體娛樂和人機交互功能時的流暢性。

二、汽車電動化相關應用

1. 動力系統中的應用

• 在汽車電動化的動力系統中，功率半導體芯片如IGBT和MOSFET起著關鍵作用。這些芯片在工作時會產生大量的熱量，因此其封裝技術需要具備優秀的散熱性能。例如，采用散熱性能良好的封裝材料，如陶瓷封裝材料，能夠有效地將芯片產生的熱量傳導出去，防止芯片因過熱而損壞。同時，封裝技術還需要保證芯片與外部電路的可靠連接，以確保動力系統的穩定運行。

• 對于電池管理系統（BMS）中的芯片，封裝技術要滿足其對精度和可靠性的要求。BMS芯片需要精確地監測電池的電壓、電流、溫度等參數，以保證電池的安全和高效使用。封裝技術可以通過提供穩定的電氣環境和良好的物理保護，防止外界因素對芯片的干擾，確保BMS芯片的測量精度。

2. 充電系統中的應用

• 在汽車充電系統中，車規級芯片封裝技術也非常重要。隨著快充技術的發展，充電芯片需要處理更高的功率和電流。封裝技術要能夠適應這種高功率的工作環境，保證芯片在充電過程中的安全性和穩定性。例如，采用特殊的封裝結構，能夠承受高電流產生的熱量和電磁力，防止芯片發生短路或損壞。

• 此外，充電系統中的芯片封裝還需要考慮兼容性和通用性。由于不同的電動汽車可能采用不同的充電標準，封裝技術要能夠使芯片適用于多種充電協議，提高充電芯片的通用性，方便用戶在不同的充電設施上進行充電。

車規級芯片封裝技術的發展趨勢預測

一、技術性能方面的趨勢

1. 更高的集成度

• 隨著汽車電子系統的不斷發展，對芯片封裝的集成度要求將越來越高。未來，車規級芯片封裝將朝著系統級封裝（SiP）和3D封裝等方向發展。SiP可以將多個不同功能的芯片，如處理器、傳感器、存儲器等集成在一個封裝體內，實現更高的功能集成，減少系統的體積和重量，同時提高系統的可靠性和性能。3D封裝技術則通過垂直堆疊芯片的方式，進一步提高集成度，縮短芯片之間的信號傳輸路徑，提高數據傳輸速度，這對于滿足汽車智能化和電動化對高性能芯片的需求非常關鍵。

2. 更好的散熱性能

• 由于車規級芯片在工作時產生的熱量越來越多，尤其是功率半導體芯片和高性能計算芯片，因此散熱性能將成為未來封裝技術發展的重點之一。新的散熱技術和材料將不斷涌現，如采用高導熱率的陶瓷材料、石墨烯等作為封裝材料，或者開發新的散熱結構，如微通道冷卻結構等。此外，封裝設計也將更加注重散熱優化，如合理布局芯片和散熱通道，提高散熱效率，確保芯片在高溫環境下的正常工作。

3. 更強的可靠性和安全性

• 汽車的安全性至關重要，因此車規級芯片封裝技術將不斷提高可靠性和安全性。在可靠性方面，封裝將能夠承受更惡劣的環境條件，如更高的溫度范圍、更強的振動和濕度變化等。通過改進封裝材料的耐候性、優化封裝結構的機械強度，可以提高封裝的可靠性。在安全性方面，封裝技術將融入更多的安全功能，如防止芯片受到電磁干擾、靜電放電（ESD）保護、過溫過壓保護等，以滿足汽車對芯片功能安全的嚴格要求。

二、與其他技術融合的趨勢

1. 與新材料技術的融合

• 新材料技術的發展將為車規級芯片封裝技術帶來新的機遇。例如，納米材料的應用可能會改變封裝材料的性能，提高其電學、熱學和力學性能。石墨烯作為一種具有優異電學和熱學性能的材料，有望被應用于芯片封裝中，提高芯片的散熱性能和信號傳輸速度。此外，生物可降解材料的研究也可能為車規級芯片封裝帶來新的思路，例如在一些對環境要求較高的汽車應用場景中，采用生物可降解的封裝材料，減少電子廢棄物對環境的影響。

2. 與先進制造技術的融合

• 先進制造技術如增材制造（3D打印）技術可能會應用于車規級芯片封裝。3D打印技術可以實現復雜的封裝結構制造，提高封裝的定制化程度。例如，根據不同的芯片功能和汽車應用需求，通過

車規級IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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