一、車規級模塊封裝的基本原理

車規級模塊封裝是將汽車電子模塊中的芯片及其他元件進行保護、連接并實現特定功能的技術過程。

（一）功能需求導向的封裝原理 在汽車環境中，電子模塊面臨諸多特殊要求。例如，汽車的動力系統、安全系統、信息娛樂系統等不同功能模塊，其電子元件的工作環境差異很大。以發動機艙內的電子模塊為例，由于靠近熱源，需要承受高溫，并且在汽車行駛過程中還會遭受持續的震動。因此，車規級模塊封裝要能確保內部芯片和元件在這樣惡劣的環境下正常工作。這就要求封裝不僅起到物理保護作用，防止芯片受到灰塵、濕氣等外界因素的損害，還要能在電學性能上滿足要求，如保持信號的穩定傳輸，避免電磁干擾等問題。

（二）可靠性為核心的封裝考量 車規級模塊封裝的可靠性至關重要。汽車的設計壽命通常較長，一般為15 - 20年或更長時間，行駛里程也很高。這就意味著封裝后的模塊需要在整個汽車使用壽命周期內保持穩定。例如，汽車中的功率半導體模塊，如IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊，在車輛的動力控制方面起著關鍵作用。如果封裝出現問題，可能導致模塊失效，進而影響汽車的動力性能甚至安全性。所以，封裝必須要能應對長期的溫度循環、震動、濕度變化等情況，確保內部芯片的電氣連接始終可靠，并且封裝材料自身不會因為這些因素而出現老化、變形或損壞等情況。

（三）與汽車電子系統的協同原理 車規級模塊封裝還要與汽車的整個電子系統相協同。現代汽車的電子系統越來越復雜，不同模塊之間需要進行高速、準確的數據傳輸和交互。封裝后的模塊需要符合汽車電子系統的通信協議和電氣標準。例如，在汽車的自動駕駛系統中，傳感器模塊、計算模塊和執行模塊之間需要實時傳遞大量的數據，封裝技術要保證這些模塊之間的連接接口能夠滿足高速數據傳輸的要求，并且在電磁兼容性方面符合汽車電子系統的規范，防止模塊之間的電磁干擾影響整個系統的正常運行。

二、車規級模塊封裝的常見材料

車規級模塊封裝使用多種材料，每種材料都有其獨特的性能，以適應汽車復雜的工作環境。

（一）環氧樹脂（Epoxy Resins）

1. 優異的機械性能

• 環氧樹脂具有良好的硬度和韌性，能夠為芯片和其他元件提供足夠的機械保護。在汽車行駛過程中，不可避免地會遇到震動、沖擊等情況，例如在顛簸的路面行駛或者發生輕微碰撞時，環氧樹脂能夠防止芯片受到外力的破壞。

• 它可以填充芯片與基板之間的空隙，增強整個封裝結構的穩定性。例如在功率模塊封裝中，能夠固定芯片的位置，確保在長期使用過程中芯片不會發生位移，從而保證電氣連接的穩定性。

2. 熱穩定性高

• 汽車發動機艙等部位溫度較高，環氧樹脂能夠在高溫環境下保持性能穩定。例如，在發動機附近的電子控制模塊封裝中，它可以承受高達一定溫度范圍（如 - 40℃至150℃）的溫度變化，不會因為高溫而軟化、變形或者失去對芯片的保護作用。這使得芯片在高溫環境下也能正常工作，不會因為過熱而出現性能下降或者失效的情況。

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（二）硅橡膠（Silicone Rubbers）

1. 卓越的耐熱性

• 硅橡膠可以在高溫環境下長時間工作，其耐熱性能優于許多其他橡膠材料。在汽車發動機、排氣管等高溫部件附近的電子模塊封裝中，硅橡膠能夠承受極端的高溫。例如，在渦輪增壓發動機附近的傳感器封裝中，即使周圍溫度超過150℃，硅橡膠仍然能夠保持其密封和保護性能，防止傳感器受到高溫的影響。

2. 良好的柔韌性

• 汽車在行駛過程中會產生震動和變形，硅橡膠的柔韌性使其能夠適應這種情況。它可以作為緩沖材料，減少外部震動對芯片的影響。例如，在汽車懸掛系統中的電子控制模塊封裝中，硅橡膠能夠吸收來自路面震動的能量，保護內部芯片免受震動的損害，同時其柔韌性也有助于在模塊安裝過程中更好地貼合不同形狀的部件。

（三）聚酰亞胺（Polyimides）

1. 出色的熱穩定性

• 聚酰亞胺在高溫下具有優異的穩定性，能夠承受汽車中高溫環境的考驗。例如，在汽車的制動系統中的電子控制模塊封裝中，制動時會產生大量的熱量，聚酰亞胺可以確保在這種高溫環境下封裝結構的完整性，保障芯片正常工作。

2. 優秀的電性能

• 它具有低損耗、低介電常數和高電導率的特點。在汽車的高速數據傳輸電路模塊封裝中，如車載以太網模塊，聚酰亞胺能夠減少信號傳輸過程中的損耗，提高信號傳輸的速度和質量，保證汽車電子系統之間的高速通信正常進行。

（四）陶瓷材料（Ceramic Materials）

1. 高導熱性

• 陶瓷材料如氧化鋁（Alumina）和氮化鋁（Aluminum Nitride）等具有較高的熱導率。在汽車功率模塊封裝中，例如IGBT模塊，芯片在工作時會產生大量的熱量，陶瓷材料能夠快速將熱量傳導出去，降低芯片的工作溫度，提高模塊的可靠性和性能。例如，氮化鋁陶瓷的熱導率比一些傳統的封裝材料高很多，能夠有效解決功率模塊的散熱問題。

2. 良好的機械強度

• 陶瓷材料可以為芯片提供堅固的支撐。在汽車受到震動、沖擊或者在惡劣路況行駛時，陶瓷封裝能夠保護芯片免受機械應力的破壞。例如，在汽車的高級輔助駕駛系統中的雷達模塊封裝中，陶瓷材料能夠保證雷達芯片在復雜的汽車行駛環境下穩定工作，不會因為外部的機械作用而損壞。

三、車規級模塊封裝的工藝流程

車規級模塊封裝工藝流程包含多個步驟，每個步驟都對最終封裝產品的質量和性能有著重要影響。

（一）芯片切割

1. 前期準備

• 首先要在芯片背面貼上藍膜，然后將其置于鐵環之上。這個藍膜起到保護芯片的作用，防止在后續的切割過程中芯片表面被劃傷或者受到污染。鐵環則是作為芯片切割時的支撐結構，確保芯片在切割過程中位置穩定。例如，在晶圓級的芯片切割中，這一準備工作是確保切割精度的基礎。

2. 切割操作

• 使用芯片切割機將晶圓上的芯片切割分離成單個晶粒。這一過程需要使用超薄的鉆石鋸片，以確保切割的精度和質量。切割的精度對于后續的封裝過程非常重要，因為如果芯片切割尺寸不準確或者芯片邊緣有破損，可能會導致在晶粒粘貼、焊線等后續步驟中出現問題，如芯片無法準確粘貼到指定位置或者焊線連接不良等情況。而且，切割過程中的切割速度、切割力度等參數都需要精確控制，不同類型的芯片可能需要不同的切割參數設置。

（二）晶粒粘貼

1. 選擇晶粒座

• 將晶粒粘貼在預先設有延伸IC晶粒電路延伸腳的導線架（也叫晶粒座）上。導線架的選擇要根據芯片的類型、功能和封裝要求來確定。例如，對于功率較大的芯片，需要選擇能夠承受較大電流、具有較好散熱性能的導線架；對于信號傳輸要求高的芯片，則需要選擇信號傳輸損耗小的導線架。

2. 粘貼固定

• 使用銀膠對晶粒進行黏著固定。銀膠具有良好的導電性和粘結性，能夠確保晶粒與導線架之間的電氣連接和機械固定。在粘貼過程中，銀膠的涂抹量、涂抹均勻性以及粘貼時的壓力等因素都會影響晶粒粘貼的質量。如果銀膠涂抹不均勻，可能會導致部分區域粘結不牢固，在后續的封裝或者使用過程中晶粒可能會脫落；如果粘貼壓力過大，可能會損壞芯片或者導致銀膠溢出，影響封裝的整體質量。

（三）焊線

1. 焊點準備

• 確定晶粒上的接點為第一個焊點，內部引腳上的接點為第二焊點。先把金線（也可能是鋁線或銅線）的端點燒成小球，這個小球形狀的端點有助于更好地與焊點接觸并形成可靠的連接。例如，在金線鍵合過程中，金球的大小和形狀需要精確控制，以確保與焊點的良好接觸。

2. 連接操作

• 將燒成小球的金線壓焊在第一焊點上，然后將其連接到導線架上的引腳（第二焊點），從而將IC晶粒的電路訊號傳輸到外界。在焊線過程中，焊線的長度、弧度以及焊接的力度等參數都非常關鍵。例如，焊線過長可能會導致信號傳輸延遲增加，焊線弧度不合理可能會在后續的封裝過程中受到擠壓而導致斷裂，焊接力度過大可能會損壞焊點或者芯片，力度過小則可能導致焊接不牢固。

（四）封膠

1. 框架預熱

• 在封膠之前，需要先將導線架預熱。預熱的目的是為了使導線架與封膠材料更好地結合，提高封膠的效果。例如，預熱可以去除導線架表面的濕氣和雜質，并且使導線架的溫度與封膠材料的溫度相近，防止在封膠過程中因為溫度差異而產生應力，導致封裝結構出現裂縫或者變形。

2. 封膠成型

• 將預熱后的框架置于壓鑄機上的封裝模具上，再以半溶化后的樹脂擠入模中。樹脂硬化后便可開模取出成品。封膠材料的選擇要根據封裝的要求，如耐溫性、密封性等。在封膠過程中，要確保樹脂能夠均勻地填充模具，避免出現氣泡或者空隙。如果存在氣泡或者空隙，可能會影響封裝的密封性和機械強度，在汽車復雜的工作環境下，可能會導致水分、灰塵等進入封裝內部，損壞芯片或者影響電氣性能。

（五）切腳成型

1. 殘膠去除與電鍍

• 封膠之后，首先要將導線架上多余的殘膠去除。殘膠如果不去除，可能會影響后續的加工和電氣性能。然后對引腳進行電鍍，電鍍的目的是增加外引腳的導電性及抗氧化性。例如，通過電鍍一層金屬（如金、銀等），可以提高引腳的導電性，減少信號傳輸損耗，并且防止引腳在空氣中氧化，提高引腳的使用壽命。

2. 切腳操作

• 進行切腳成型，將引腳切割成符合要求的形狀和長度。切腳的精度對于模塊的安裝和使用非常重要，例如，如果引腳長度不一致，可能會導致在將模塊安裝到電路板上時出現焊接困難或者接觸不良的情況。切腳成型之后，一個芯片的封裝過程基本就完成了，但后續還需要進行一些處理，如去膠、去緯、去框等操作，最后再進行測試檢驗，確保芯片沒有問題后才能正常工作。

四、車規級模塊封裝的技術難點及解決方案

車規級模塊封裝面臨著諸多技術難點，不過也有相應的解決方案來確保封裝的質量和可靠性。

（一）技術難點

1. 環境適應性要求高

• 汽車工作環境復雜多變，溫度范圍寬（從 - 40℃到150℃甚至更寬），濕度變化大，還會遭受震動、沖擊以及各種化學物質（如燃油、冷卻液、鹽霧等）的侵蝕。例如，在汽車的底盤部分的電子模塊，可能會接觸到道路上的積水、鹽分等，而發動機艙內的模塊則要承受高溫和燃油蒸汽等的影響。這就要求封裝材料和結構能夠在這樣的環境下長期保持穩定，避免因為環境因素導致封裝失效，進而影響芯片和整個模塊的性能。

2. 可靠性要求嚴格

• 汽車的設計壽命較長，一般為15 - 20年或更長，并且要保證在整個使用壽命期間模塊的可靠性。對于一些關鍵的汽車電子模塊，如安全氣囊控制模塊、發動機控制模塊等，任何封裝的可靠性問題都可能導致嚴重的安全事故。例如，在長期的溫度循環和震動下，封裝的電氣連接可能會出現松動、斷裂等情況，或者封裝材料可能會出現老化、開裂等問題。

3. 小型化與高集成度挑戰

• 隨著汽車電子技術的發展，越來越多的功能被集成到更小的空間內。這就要求封裝在實現小型化的同時，還要保證高集成度下的散熱、電氣性能等。例如，在自動駕駛汽車的傳感器融合模塊中，需要將多個傳感器芯片以及相關的處理芯片集成在一個很小的封裝空間內，如何在有限的空間內實現良好的散熱和信號傳輸是一個很大的挑戰。

（二）解決方案

1. 材料創新與優化

• 研發新型的封裝材料，如具有更高耐溫性、更好化學穩定性和更強機械性能的材料。例如，開發新型的耐高溫環氧樹脂或者改進硅橡膠的性能，使其能夠更好地適應汽車的惡劣環境。同時，優化材料的組合，通過不同材料的合理搭配來提高封裝的整體性能。比如在散熱要求高的功率模塊封裝中，采用陶瓷材料與金屬材料的組合，利用陶瓷的高導熱性和金屬的良好散熱性來解決散熱問題。

2. 先進的封裝技術應用

• 采用倒裝芯片（Flip - Chip）技術，這種技術將芯片的電氣面朝下放置，相比于傳統的金屬線鍵合技術，具有更小的外形尺寸和更高的密度。在汽車的一些高性能計算模塊封裝中，倒裝芯片技術可以提高芯片的集成度，并且通過焊球陣列與基板進行電氣連接，能夠提高信號傳輸速度和可靠性。另外，密封材料和填充工藝的改進也很重要，使用密封材料填充芯片與基板之間的空隙，既能提高封裝的機械強度，又能減少應力集中和提高散熱效率。例如，在一些對環境密封性要求高的傳感器模塊封裝中，采用特殊的密封材料填充可以防止水分和灰塵的侵入。

3. 嚴格的測試與質量控制

• 建立嚴格的測試流程，包括對封裝材料的性能測試、封裝過程中的中間產品測試以及封裝完成后的成品測試。例如，在封裝材料測試中，要對材料的耐溫性、耐濕性、化學穩定性等進行全面測試；在中間產品測試中，對芯片粘貼、焊線等工序后的產品進行電氣性能測試和外觀檢查；在成品測試中，對封裝后的模塊進行功能測試、可靠性測試（如溫度循環測試、震動測試等）。通過嚴格的質量控制，確保封裝產品符合車規級的要求，保證在汽車中的可靠使用。

五、最新的車規級模塊封裝技術發展趨勢

車規級模塊封裝技術在不斷發展，以適應汽車行業日益增長的需求。

（一）更高的集成度與小型化

1. 系統級封裝（System - in - Package，SiP）的發展

• 系統級封裝可以在單一封裝內集成多個功能模塊，這對于汽車電子系統來說具有很大的優勢。例如，在汽車的智能駕駛輔助系統中，可以將攝像頭模塊、雷達模塊、計算處理模塊等集成在一個SiP封裝內。這樣不僅可以減小整個系統的體積，還能夠提高信號傳輸速度和系統的可靠性。隨著汽車電子化和智能化程度的不斷提高，更多的功能需要集成到有限的空間內，SiP封裝技術將得到更廣泛的應用。通過將不同功能的芯片和元件集成在一起，減少了模塊之間的連接線路，降低了信號傳輸的延遲和電磁干擾的風險，提高了整個汽車電子系統的性能。

2. 3D封裝技術的興起

• 3D封裝通過垂直堆疊多個芯片，大大提高了集成度，進一步減小封裝體積。在汽車的高性能計算模塊中，如自動駕駛的決策處理單元，3D封裝可以將多個處理芯片垂直堆疊，實現更強大的計算能力。這種封裝方式能夠在不增加封裝平面面積的情況下增加芯片的集成數量，提高了單位體積內的功能密度。同時，3D封裝技術還可以優化散熱路徑，提高散熱效率，對于解決高集成度下的散熱問題有一定的幫助。

（二）散熱技術的改進

1. 新型散熱材料的應用

• 隨著汽車功率模塊的功率密度不斷提高，散熱問題變得更加關鍵。高導熱陶瓷材料（如氮化硅陶瓷）的應用逐漸增多。氮化硅陶瓷具有更高的熱導率和更好的機械性能，相比傳統的氧化鋁陶瓷，能夠更有效地將熱量從芯片傳導出去。例如，在汽車的電動驅動系統中的IGBT模塊封裝中，采用氮化硅陶瓷作為散熱基板，可以顯著提高模塊的散熱性能，降低芯片的工作溫度，從而提高模塊的可靠性和使用壽命。

2. 先進的散熱結構設計

• 雙面水冷封裝技術得到進一步發展。這種技術一方面提升了散熱效率，另一方面夾心式的散熱系統設計易于拓展。例如，在一些高性能電動汽車的主逆變器功率模塊封裝中，采用雙面水冷封裝可以有效地將模塊工作時產生的大量熱量散發出去，防止芯片因為過熱而出現性能下降或者失效的情況。同時，與單面水冷技術相比，雙面水冷技術能夠更均勻地散熱，減少了因為溫度不均勻而產生的熱應力對封裝結構和芯片的影響。

（三）滿足新能源汽車特殊需求

1. 高壓絕緣與安全性能提升

• 新能源汽車的高壓系統對封裝的高壓絕緣性能提出了更高的要求。在電池管理系統、電機驅動系統等涉及高壓的模塊封裝中，需要采用具有更高絕緣性能的

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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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