高浩哲 / 工研院電光系統所
隨著電動車、高效率電源轉換器、AI伺服器與再生能源系統快速發展，功率半導體元件正朝向高功率密度、高開關頻率與高效率方向演進。傳統矽基(Silicon)功率元件已逐漸面臨材料極限，因此具備高崩潰電場、高熱導率與高速切換特性的寬能隙半導體已成為次世代功率電子技術的重要發展方向。然而，隨著元件性能提升，封裝技術亦面臨更嚴苛之挑戰，包括高溫操作下之可靠度、寄生電感與寄生電容抑制、高散熱需求，及高頻高速切換所造成之電磁干擾與機械應力問題。本篇將探討寬能隙功率半導體從元件特性、封裝結構設計、互連技術到系統應用之關聯性，分析不同材料於封裝整合上的技術挑戰與發展趨勢。內容涵蓋銀燒結、銅夾片、嵌入式封裝、雙面散熱與低寄生互連架構等先進封裝技術，並進一步連結至電動車驅動系統、On-Board Charger(OBC)、高頻電源模組與高功率轉換系統之應用需求，探討次世代功率模組封裝在高效率與高可靠度系統中的關鍵角色。
【內文精選】
封裝結構設計挑戰
1.熱管理
目前功率模組常見之散熱方式主要包括Baseplate Cooling、Direct Cooling以及Double-Sided Cooling等架構。傳統Baseplate Cooling主要透過金屬Baseplate將熱量由功率晶片傳導至散熱器，其結構成熟且具備良好機械強度，因此廣泛應用於傳統功率模組。然而，由於熱傳路徑較長，且介面材料較多，因此整體熱阻較高，逐漸難以滿足高功率密度系統需求。為進一步提升散熱效率，Direct Cooling架構開始逐漸受到重視。Direct Cooling可將冷卻系統直接與陶瓷基板或散熱層接觸，減少熱傳介面與熱阻，進而提升熱傳效率。此架構特別適合高功率電動車逆變器與高效率能源轉換系統。
另一方面，Double-Sided Cooling則被視為次世代高功率密度封裝的重要技術方向。雙面散熱架構可同時由晶片上下兩側進行熱傳導，有效降低晶片接面熱阻並提升散熱能力。此外，雙面散熱亦有助於提升功率模組之功率密度與輸出能力，特別適合高熱流密度之SiC與GaN功率元件應用。近年來，嵌入式封裝與雙面冷卻技術的結合，已成為高功率模組的重要研究方向之一。功率模組散熱架構圖三所示。
圖三、功率模組散熱架構圖(a) Baseplate Cooling；(b) Direct Cooling；(c) Double-side Cooling
2. 機械應力與可靠度
由於功率模組通常需長時間承受高溫、高電流與頻繁開關操作，因此封裝內部將持續經歷熱循環與功率循環所造成之熱機械應力。當封裝材料之熱膨脹係數差異過大時，容易於材料介面產生應力集中現象，進而造成封裝結構失效。在功率循環操作下，常見可靠度問題包括焊層裂縫(Solder Crack)、層間剝離(Delamination)以及過孔疲勞(Via Fatigue)等。其中，Solder Crack主要發生於Die Attach層或基板接合界面，由於材料反覆熱膨脹與收縮，容易造成焊料疲勞破壞。另一方面，Delamination則可能發生於封裝材料、陶瓷基板或樹脂介面之間，當界面附著力不足時，將導致熱阻增加與局部熱累積問題。此外，在嵌入式封裝與增層(Build-Up)結構中，由於銅通孔(Copper Via)，需承受熱應力與電流負載，因此Via Fatigue亦成為重要可靠度挑戰之一。
為提升功率模組之長期可靠度，目前封裝設計通常需透過材料最佳化、應力模擬與結構設計等方式進行改善。例如，透過選擇低CTE差異材料，可降低熱循環所造成之機械應力，透過封裝結構最佳化，例如降低材料厚度差異、改善互連結構與導入應力緩衝層，亦有助於提升模組可靠度與壽命 ---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》476期，更多資料請見下方附檔。