陳凱琪、林志浩、徐美玉 / 工研院材化所
汽車產業朝向智慧、節能及安全化的過程發展，車用電子模組構裝技術扮演關鍵角色，包含電子控制單元模組、功率模組及先進駕駛輔助系統等。因應未來高頻、高功率技術發展趨勢，應用於車用電子模組之封裝材料技術也成為相當重要的環節。因此，本文將針對功率模組構裝元件所需的封裝材料技術，包含高導熱材料、低介電損耗材料等趨勢進行探討，並綜整工研院材化所針對後端構裝應用需求所開發之封裝材料技術與關鍵原物料佈局，以期符合未來功率模組封裝材料技術發展需求。
【內文精選】
前 言
目前功率半導體的話語權主要把持在IDM(整合元件廠)手上。根據IHS統計，全球功率半導體前十大廠市占率約六成，其中英飛凌(Infineon)位居第一，第二、三名分別為安森美(onsemi)、意法半導體(STM)；整體IDM占有率約85%，而大中、富鼎、尼克森等全球其他廠商則占約15%。在應用上，以汽車、工業應用、新能源相關(如儲能、綠電發電等)成長備受市場期待。以電動車為例，傳統燃油車中，每台半導體成本約320美元，功率半導體成本占約20%，而純電動車半導體成本將拉高到約720元美金/台，功率半導體占55%；換算之下，純電動車對功率半導體的需求達6倍多，因此會帶動國內封裝材料的需求增加。面對全電動車或是風力發電等電力轉換所需高功率密度之功率模組需求，已由目前的Si-based轉換至具超高操作溫度及高壓大電流特性之寬能隙SiC功率模組。
功率模組封裝材料技術–高導熱封裝材料
電動車應用的功率模組基本構裝結構如圖四所示，其耐電壓規格由原先的600 V提升至1,200 V以上，甚至到達1,700 V，且接面溫度(Junction Temperature; Tj)也將從150˚C上升至200˚C。面對操作電壓及接面溫度大幅增加的趨勢，為了能夠維持功率模組的效能，所對應的封裝材料技術將朝向高耐熱性及高玻璃轉移溫度(GlassTransition Temperature; Tg)發展。具高Tg特性的材料對於高溫體積電阻、高溫低介電常數及低介電損失均有較好的表現。
圖四、功率模組構裝結構
為了提升封裝材料的導熱特性以符合功率模組高溫操作的需求，封裝材料開發時通常會在樹脂配方中添加具高導熱率之無機填充料(如氧化鋁、氮化鋁、石墨烯、碳管及氮化硼等)，以此簡單而有效的方式來提高材料熱導率。但是添加導熱粉體製備高導熱材料也存在比較明顯的缺點，比如填料含量太低將導致熱導率提升效果不佳，而填料含量偏高則會導致加工性或材料的機械性能大幅度降低等。因此，工研院材料與化工研究所開發高導熱封裝材，於高分子樹脂材料設計製備時建構導熱網絡，可以在較低導熱粉體添加量的條件下，兼顧流動性並且提高封裝材料導熱特性。
圖六、導熱樹脂TC Resin結構與交鏈固化示意圖
功率模組封裝材料技術–低損耗封裝材料
當無線通訊產品進入5G新世代毫米波(mmWave)頻段時，為了克服由於頻率高、波長短、傳輸損耗高、穿透性差、覆蓋率較低等問題，產業界開發出大規模陣列天線技術與小型基地台，以強化毫米波的能量。由於使用更多天線來提高訊號強度，並提高5G網路的覆蓋率，所以未來基地台或終端裝置無線通訊模組，都會搭載更多天線，連帶也提高RF元件的使用量，而使得高頻應用的RF前端模組(RFFEM)的構裝技術，包含天線封裝模組(Antenna in Package Module; AiP Module)成為市場趨勢。在AiP構裝結構中，天線負責訊號的接收與傳送，並將訊號送至下方的射頻晶片(RF Chip)、功率放大器(Power Amplifier; PA)等晶片組進行信號處理，由於模封材料(Mold Underfill; MUF)位於天線與晶片組訊號傳遞的路徑上，介質損失對訊號品質造成的影響將被考慮，因此介電損耗樹脂設計及封裝材料開發均是現階段的重要課題。
工研院材化所為滿足高頻應用所需的低損耗封裝材料，自行合成低介電損耗樹脂，再與無機粉體進行適當的混合分散，配製低損耗封裝材料。簡述如下。
① 低損耗樹脂單體合成：自行合成四官能基樹脂單體4-arm Resin，即Resin C(圖九)。
圖九、四官能基樹脂：樹脂C
② 低損耗樹脂配方與介電特性：將低介電損耗4-arms樹脂C，搭配TBPIN作為起始劑，交聯劑採用tBS，透過不同配方混合之比例，於室溫下呈現出液態狀組合物，將組合物倒入模具中，在真空烘箱中脫泡，再將組合物於適當反應溫度下固化，並以動態機械分析儀(DMA)進行材料特性分析，玻璃轉化溫度(Tg)可達到181.67˚C ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》435期，更多資料請見下方附檔。