功率芯片PCB內埋式封裝工藝技術流程解析

技術概述與核心優勢

功率芯片PCB內埋式封裝技術通過將功率芯片直接嵌入PCB基板內部，實現了電氣連接、散熱路徑和機械結構的協同優化，特別適用于寬禁帶半導體（如碳化硅、氮化鎵）器件。其核心優勢包括：解決傳統封裝的散熱瓶頸、降低寄生參數、提升集成度，為電動汽車逆變器、新能源發電等大功率場景提供性能突破。采埃孚CIPB方案、博世Dauerpower逆變器等商業化案例已驗證其技術潛力。

工藝技術流程總覽

功率芯片PCB內埋式封裝流程需融合傳統芯片封裝工藝與PCB制造特性，主要分為芯片預處理、PCB基板制備、芯片嵌入與互連、封裝后處理四大階段，各環節需滿足電性能、熱管理和機械可靠性的多維度要求。

關鍵工藝步驟詳解

1. 芯片預處理階段

• 晶圓減薄與切割
  對晶圓進行背面研磨減薄（厚度通常降至50-100μm），通過激光切割或金剛石砂輪切割分離為獨立芯片（Die），同時采用UV膜保護芯片電路面。減薄工藝可改善散熱路徑并降低切割應力。

• 焊盤金屬化與表面處理
  對芯片焊盤進行電鍍（如Ni/Au鍍層）或燒結銀處理，提升互連界面的導電性與可靠性，為后續鍵合或倒裝焊做準備。

2. PCB基板制備階段

• 基材選型與改性
  需突破傳統FR-4基材性能缺陷，采用陶瓷填充樹脂、金屬基覆銅板等材料，目標提升導熱系數（＞3W/m·K）并降低熱膨脹系數（CTE），匹配芯片與基板的熱應力兼容性。

• PCB內埋 cavity 結構加工
  通過機械銑槽或激光開槽在PCB基板預設芯片嵌入腔（Cavity），精度需控制在±10μm以內，確保芯片與基板的貼合間隙＜20μm，為散熱路徑優化奠定基礎。

3. 芯片嵌入與互連階段

• 芯片貼裝（Die Attach）
  將預處理后的芯片倒裝或正裝于PCB cavity內，采用銀漿燒結、焊料焊接或環氧樹脂粘結工藝固定，鍵合層厚度需控制在10-30μm以降低熱阻。此環節需通過高精度貼片機實現±5μm的定位精度。

• 互連工藝實現

• 導線鍵合（Wire Bonding）：采用金線或銅線超聲鍵合，連接芯片焊盤與PCB內層電路，鍵合強度需達到≥5g的拉拔力標準。

• 倒裝焊（Flip Chip）：通過焊球陣列（BGA）直接實現芯片與PCB的電學連接，寄生電感可降低至傳統引線鍵合的1/5。

• PCB層間互連：利用激光鉆孔與電鍍銅工藝形成垂直導通孔（VIAs），實現芯片與PCB外層電路的電氣導通。

4. 封裝后處理階段

• 絕緣封裝與密封
  采用環氧樹脂模塑料（EMC）或聚酰亞胺涂層覆蓋芯片及互連區域，需確保絕緣層厚度均勻（≥50μm），并通過高壓測試（≥1kV DC）驗證絕緣可靠性，防止電樹枝與銅須生長導致的失效1。

• 熱界面材料（TIM）集成
  在PCB背面或芯片裸露區域涂覆導熱硅脂或燒結銀，降低與散熱片的接觸熱阻，總熱阻需控制在＜0.5℃/W。

• 測試與失效分析
  通過X-ray檢測互連質量，進行功率循環測試（＞10?次）與溫度循環測試（-40℃~125℃），驗證長期可靠性。

技術挑戰與創新方向

1. 多維度協同優化策略

2. 量產化關鍵瓶頸

• 工藝精度控制：芯片嵌入公差需＜±5μm，PCB層壓過程中腔體變形需＜3μm。

• 成本優化：激光切割與高精度貼裝設備投資較高，需通過工藝集成（如晶圓級封裝與PCB制造融合）降低單件成本。

應用前景與發展趨勢

隨著寬禁帶器件的普及，PCB內埋式封裝技術將向高密度集成（多芯片模塊MCM）、三維堆疊（3D IC）方向發展。預計到2027年，電動汽車逆變器領域的滲透率將突破30%，推動整車電驅系統效率提升至97%以上。

功率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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