車電構裝模組用封裝材料技術

 

刊登日期:2019/5/5
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電子裝置對於下世代汽車產業朝向智慧化、安全及節能的發展,有充足的機會做出貢獻,這些電子模組包含電子控制單元模組、功率模組及先進駕駛輔助系統。汽車產業對於所使用的零組件部件之使用壽命設計為幾十年,而不是短短幾年,此外在極端環境中也期望能發揮正常的性能。構裝技術是確保這些電子模組能正常運作的關鍵,而應用於車用電子構裝模組封裝材料技術也扮演著相當重要的角色。
 
本文將從以下大綱,探討車用功率模組構裝元件及毫米波雷達感測器封裝材料特性需求,說明目前國際材料大廠在其之發展現況。
‧前言
‧車用電子元件信賴性測試標準
‧功率模組封裝材料技術
‧毫米波雷達用封裝材料技術
‧結語
 
【內文精選】
前言
汽車產業為了因應消費者的需求,已朝向更節能、更安全及智慧化的方向進展。這趨勢使得電動車、自動駕駛及汽車電子化的技術快速發展,所以專家認為車用電子將帶動半導體產業持續成長。根據IC Insights的研究報告顯示(圖一),在2016年至2021年間,車用電子系統的銷售額平均年複合成長率達到5.4%,在六大類的終端應用中占有最高的成長率;同時也預估到了2021年,車用電子系統的銷售將占全球電子系統銷售的9.8%。
 
圖一、2016~2021年全球電子系統銷售額之年複合成長率
圖一、2016~2021年全球電子系統銷售額之年複合成長率
 
功率模組為功率轉換系統的核心,用於電力設備的電路控制,也是進行電能系統處理的核心,其功能包含功率管理、變頻、功率放大、變流和變壓。在能源缺乏及環保議題的趨勢及氛圍下,功率模組的需求將日益擴大,成長最多的部分來自於汽車市場,尤其是電動和混合動力車輛(EV/HEV)動力傳送系統的電氣化。國際各大功率模組廠商都在發展智慧型功率模組架構,包含英飛凌(Infineon Technologies)、三菱電機(Mitsubishi Electric)、富士電機(Fuji Electric)、賽米控(SEMIKRON)等。
 
車用電子元件信賴性測試標準
車用電子與一般消費性電子產品或工業電子產品不同,它的操作環境條件更為嚴苛,需要更高的信賴性,因此對於車用電子構裝元件的測試標準規範也不同。目前車用電子構裝元件較常用的標準規範為AEC (Automotive Electronics Council)的國際標準。
 
功率模組封裝材料技術
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(Glass Transition Temperature; Tg)發展。從Panasonic在材料特性對體積電阻、介電特性的依存性評估研究中發現,具高Tg 特性的材料對於高溫體積電阻、高溫低介電常數(Dielectric Constant; Dk)及低介電損失(Dissipation Factor; Df)均有較好的表現,如圖五所示。
 
圖五、封裝材料特性與電性的依存關係
圖五、封裝材料特性與電性的依存關係
 
毫米波雷達用封裝材料技術
由於車用雷達感測器操作頻率為24 GHz及77 GHz,屬毫米波範圍,具有「大頻寬」、「低延遲」、「高傳輸速率」三大特性。但也因為毫米波波長較短,且在高頻傳輸過程易造成路徑損耗、導體損失及介質損失等,這些損耗的加總,嚴重影響訊號傳輸品質。其中介質損失與封裝材料有直接的關係,因此降低封裝材料介電損失的特性,是降低訊號傳遞過程產生介質損失的主要策略,特別是用在RF前端模組的封裝。RF前端模組(Radio Frequency Front End Module; RFFEM)在無線通訊扮演重要的角色,負責訊號的接收與傳送,其表現直接影響通訊的品質。在先進RF前端模組的構裝技術包含AiP (Antenna in Package) Module、FOWLP (Fan-out Wafer Level Package)、Flip Chip SiP (System in Package)等,如圖七所示。因應未來高頻應用,需要低介電損失封裝材料,以降低訊號在傳遞過程,因介質介電損失所造成的訊號衰減,以維持良好通訊品質。
 
對於高頻低介電損失材料結構設計開發,從學理上來看…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:林志浩、黃淑禎、陳凱琪/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」389期,更多資料請見下方附檔。

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