车规级芯片封装技术的现状

车规级芯片是一种适合汽车电子元器件规格规范的半导体芯片，在现代汽车中扮演着至关重要的角色。

一、市场规模与需求增长 随着汽车的智能化、网联化、电动化发展，车规级芯片的需求不断增长。从汽车不同控制层级来看，智能化和网联化主要影响感知层和决策层，拉动各类传感器芯片和计算芯片的增长，例如摄像头、雷达、IMU/GPS、V2X、ECU等设备所需的芯片。汽车电动化对执行层中的动力、制动、转向、变速等系统影响更直接，使得功率半导体、执行器相关的芯片需求相比传统燃油车增长明显。据统计，到2022年，新能源汽车车均芯片搭载量约1459个，而传统燃油车搭载芯片数量为934个。StrategyAnalytics预计每辆车的平均硅含量将从2021年的530美元/车翻一番，到2028年超过1000美元，高端制造汽车的硅含量可能超过3000美元。从市场规模来看，2019年全球车规级半导体市场规模约412亿美元，预计2025年将达到804亿美元；2019年中国车规级半导体市场规模约112亿美元，占全球市场比重约27.2%，预计2025年将达到216亿美元。

二、按功能种类划分的芯片类型及封装需求 车规级半导体大致可分为主控/计算类芯片（MCU、CPU、FPGA、ASIC和AI芯片等）、功率半导体（IGBT和MOSFET）、传感器（CIS、加速传感器等）、无线通信及车载接口类芯片、车用存储器等。不同类型的芯片对封装技术有着不同的要求。例如主控/计算类芯片需要高性能的封装以满足高速运算和数据处理的需求，封装要能提供良好的电学性能和散热性能；功率半导体芯片在工作时会产生大量热量，因此其封装需要具备优秀的散热能力，以保证芯片在高温环境下的可靠性和稳定性；传感器芯片则可能需要特殊的封装来保护其对环境敏感的元件，同时满足其特定的功能要求，如光学传感器可能需要透明或特殊光学性能的封装材料。

三、现有封装技术的应用情况 目前常见的芯片封装技术在车规级芯片封装中都有应用。例如倒装芯片技术，它通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上，这种技术具有较高的单位面积内I/O数量、短的信号路径、高的散热性、良好的电学和热力学性能，在车规级芯片封装中被广泛关注。多芯片封装技术也有所应用，它是一种将多个芯片封装在同一个封装体内的集成封装，可以满足汽车电子系统对于集成度的要求，减少系统的体积和重量。另外，底部填充胶被填充在芯片与基板之间的间隙，来降低芯片与基板热膨胀系数不匹配产生的应力，提高封装的稳定性，这一技术在车规级芯片封装中也很重要，尤其是对于那些对温度变化较为敏感的芯片封装来说。

车规级芯片封装技术的最新研究成果

一、国内的突破与创新 在国内，车规级芯片封装技术取得了不少成果。例如湖北省车规级芯片产业技术创新联合体取得了重要突破，展示了国内产自主可控高性能车规级MCU芯片 - DF30。该芯片采用自主开源RISC - V多核架构，国内40nm车规工艺开发，功能安全等级达到ASIL - D，具有高性能、强可控、超安全、极可靠4大特性。并且这款芯片经过295项严格测试，适配国产自主AutoSAR汽车软件操作系统，广泛应用于动力控制、车身底盘、电子信息、驾驶辅助等领域。此外，该创新联合体的高边驱动芯片也获得了车规认证证书，全流程国产化，应用于汽车12V接地负载应用中，具备多种智能保护和诊断功能，并在东风汽车新能源车型上正式量产搭载。创新联合体成立于2022年，目前已发展至44家成员单位，覆盖车规芯片标准、设计、制造、封装、应用等全产业链领域，在过去的两年里，共产出发明专利50多项，牵头起草车规级芯片国家、行业标准6项，荣获湖北省高价值专利大赛金奖。

二、企业的成果 一些企业在车规级芯片封装技术方面也有新成果。长电科技在上海临港加速建设公司首座大规模生产车规级芯片成品的先进封装基地，以服务国内外汽车电子领域客户和行业合作伙伴。晶方科技作为全球车规CIS芯片晶圆级TSV封装技术引领者，在汽车电子领域，随着汽车智能化趋势的持续渗透，其封装业务规模与技术领先优势持续提升。飞凯材料从2007年开始布局半导体行业，一直以来专注在本土化率较低的、核心关键材料的研发、制造及销售，目前在晶圆制造、晶圆级封装和芯片级封装已形成全产业链的材料布局，为高端芯片技术的优化升级提供了有力支持。

三、技术创新点

1. 提高性能方面

• 在提高芯片性能方面，新的封装技术致力于缩短信号路径，减少信号传输延迟。例如采用更先进的互连技术，能够使芯片内部和芯片与外部之间的信号传输更加快速和稳定，从而提高整个汽车电子系统的响应速度。

• 优化芯片的电学性能也是一个研究方向。通过改进封装材料和结构，降低电阻、电容等电学参数的影响，提高芯片的工作频率和能效比，这对于计算类和通信类车规级芯片尤为重要。

2. 增强可靠性方面

• 提升封装在恶劣环境下的可靠性。汽车工作环境复杂，温度、湿度、振动等因素对芯片封装有很大影响。新的封装技术通过改进材料的耐温性、耐湿性和抗振性，以及优化封装结构的机械强度，确保芯片在各种工况下都能正常工作。

• 提高芯片的安全性。例如采用特殊的封装设计防止芯片受到电磁干扰，或者在封装中加入安全监测和保护机制，如过温保护、过压保护等，以满足车规级芯片对安全性的严格要求。

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影响车规级芯片封装技术发展的因素

一、技术层面的因素

1. 芯片自身性能要求

• 不同功能的车规级芯片有着不同的性能要求，这直接影响封装技术的发展。如主控/计算类芯片，随着汽车智能化程度的提高，对计算能力和数据处理速度的要求不断提升。这就要求封装技术能够提供更高的信号传输速度、更低的信号干扰以及更好的散热性能，以保证芯片在高负载运算下的稳定性。例如，自动驾驶技术的发展，使得AI芯片在汽车中的应用越来越广泛，这类芯片运算量大，产生的热量多，封装技术需要解决其散热问题，否则芯片容易因过热而性能下降甚至损坏。

• 传感器芯片的精度和灵敏度也是影响封装的重要因素。以汽车摄像头中的图像传感器芯片为例，为了保证图像的清晰度和准确性，封装需要提供良好的光学性能，防止光线散射和反射对图像质量的影响，同时还要保护芯片免受外界环境因素如灰尘、水汽等的干扰。

2. 制程工艺的限制与推动

• 芯片的制程工艺不断发展，从传统的制程向更先进的制程迈进。例如从较大的制程尺寸向更小的纳米级制程发展。这一变化对封装技术提出了新的挑战和机遇。一方面，更小的芯片尺寸需要更精密的封装技术来实现芯片与外部电路的连接，对封装的精度和一致性要求更高。另一方面，先进的制程工艺也使得芯片的性能得到提升，如更高的集成度和更低的功耗，这也促使封装技术向小型化、高性能化方向发展，以充分发挥芯片的性能优势。

• 然而，制程工艺的发展也面临一些限制因素。例如，随着制程尺寸的不断缩小，芯片制造过程中的工艺难度和成本大幅增加，这也会影响到封装技术的发展。因为封装技术需要与芯片制程工艺相匹配，如果芯片制程成本过高，可能会限制封装技术在大规模生产中的应用。

二、市场需求因素

1. 汽车行业的发展趋势

• 汽车的智能化、网联化和电动化趋势是影响车规级芯片封装技术发展的重要市场因素。随着自动驾驶技术从L3级别向L5级别发展，所需的传感器芯片数量从平均8个提升到20个，同时对芯片的性能和可靠性要求也更高。这就促使封装技术不断创新，以满足更多传感器芯片的封装需求，并且保证在复杂的汽车电子系统中稳定运行。

• 智能座舱的发展也对车规级芯片封装技术提出了新要求。智能座舱需要集成大量的电子设备，如多媒体系统、人机交互系统等，这就需要芯片封装具有更高的集成度，能够在有限的空间内实现多个芯片的封装和连接，同时还要满足散热、电磁兼容性等要求。

2. 成本与竞争压力

• 在市场竞争激烈的汽车行业，成本控制是非常重要的。车规级芯片封装技术需要在保证性能和可靠性的前提下，尽可能降低成本。这就要求封装企业不断优化封装工艺，提高生产效率，降低原材料成本。例如，通过采用大规模生产技术，降低单位封装产品的成本。同时，还需要在封装设计阶段就考虑成本因素，选择合适的封装材料和结构，避免过度设计导致成本增加。

• 全球范围内的竞争也促使封装技术不断发展。不同国家和地区的企业在车规级芯片封装技术方面展开竞争，为了在市场中占据优势，企业需要不断投入研发，推出更先进、更具竞争力的封装技术。例如，国内企业为了减少对进口车规级芯片封装技术的依赖，加大研发力度，努力提升自身的技术水平，这也推动了车规级芯片封装技术在国内的发展。

三、行业标准与认证因素

1. 严格的车规标准

• 车规级芯片有严格的行业标准，如质量管理体系IATF16949和可靠性标准AEC - Q系列等。这些标准对芯片的封装也有详细的要求。例如，在可靠性方面，封装后的芯片需要通过一系列的环境测试，如高温、低温、湿度、振动等测试，以确保在汽车复杂的工作环境下能够正常工作。这就要求封装技术必须满足这些严格的标准，在封装材料的选择、封装工艺的设计和封装结构的优化等方面都要符合相关规定。

• 功能安全标准也是重要的一部分。对于一些关键的汽车控制系统，如制动系统、转向系统等所使用的芯片，其封装技术需要满足相应的功能安全等级要求。例如，达到ASIL - D级别的功能安全要求，这意味着封装技术要能够提供足够的安全性和可靠性，防止芯片出现故障导致汽车系统的失控。

2. 漫长的认证过程

• 车规级芯片企业在进入整车厂或Tier1的供应链体系前，不仅要符合相关标准，还需要较长时间完成相关测试并向整车厂提交测试文件。在完成这些车规级标准规范的认证和审核后，还需经历严苛的应用测试验证和1 - 2年的上车验证，才能进入汽车前装供应链。这一漫长的认证过程对封装技术的发展有一定的限制作用。因为企业需要投入大量的时间和资源来进行认证，这可能会减缓新封装技术的推广速度。但从另一方面看，这也促使封装企业在研发和生产过程中更加注重技术的成熟性和可靠性，以确保能够顺利通过认证。

车规级芯片封装技术未来的应用方向

一、汽车智能化相关应用

1. 自动驾驶系统中的应用

• 在自动驾驶系统中，车规级芯片封装技术将发挥关键作用。随着自动驾驶级别从L3向L5不断提升，车辆需要处理大量的传感器数据，如摄像头的图像数据、雷达的距离数据等。封装技术要能够满足高性能计算芯片的需求，确保芯片在高速运算下的稳定性。例如，采用先进的3D封装技术，可以提高芯片的集成度，缩短信号传输路径，从而加快数据处理速度，这对于自动驾驶系统的实时决策至关重要。

• 同时，自动驾驶系统对芯片的可靠性要求极高。封装技术需要保证芯片在各种恶劣的环境条件下都能正常工作，如在高温、低温、潮湿以及强烈振动的情况下。通过改进封装材料和结构，提高芯片的抗干扰能力和环境适应性，防止因封装问题导致芯片故障，进而影响自动驾驶的安全性。

2. 智能座舱系统中的应用

• 智能座舱是汽车智能化的重要组成部分，包含多媒体娱乐、人机交互、车辆信息显示等功能。车规级芯片封装技术在这里的应用主要体现在提高集成度和优化用户体验方面。为了在有限的空间内集成更多的功能，需要将多个芯片进行封装集成，如将处理音频、视频、触控等功能的芯片封装在一起。采用多芯片封装技术（MCP）可以实现这一目标，减少电路板的面积，降低系统成本。

• 此外，智能座舱中的芯片封装还需要考虑电磁兼容性（EMC）。由于座舱内有多种电子设备，如收音机、蓝牙设备等，容易产生电磁干扰。封装技术可以通过采用屏蔽材料、优化电路布局等方式，降低芯片之间的电磁干扰，提高系统的稳定性，确保用户在使用多媒体娱乐和人机交互功能时的流畅性。

二、汽车电动化相关应用

1. 动力系统中的应用

• 在汽车电动化的动力系统中，功率半导体芯片如IGBT和MOSFET起着关键作用。这些芯片在工作时会产生大量的热量，因此其封装技术需要具备优秀的散热性能。例如，采用散热性能良好的封装材料，如陶瓷封装材料，能够有效地将芯片产生的热量传导出去，防止芯片因过热而损坏。同时，封装技术还需要保证芯片与外部电路的可靠连接，以确保动力系统的稳定运行。

• 对于电池管理系统（BMS）中的芯片，封装技术要满足其对精度和可靠性的要求。BMS芯片需要精确地监测电池的电压、电流、温度等参数，以保证电池的安全和高效使用。封装技术可以通过提供稳定的电气环境和良好的物理保护，防止外界因素对芯片的干扰，确保BMS芯片的测量精度。

2. 充电系统中的应用

• 在汽车充电系统中，车规级芯片封装技术也非常重要。随着快充技术的发展，充电芯片需要处理更高的功率和电流。封装技术要能够适应这种高功率的工作环境，保证芯片在充电过程中的安全性和稳定性。例如，采用特殊的封装结构，能够承受高电流产生的热量和电磁力，防止芯片发生短路或损坏。

• 此外，充电系统中的芯片封装还需要考虑兼容性和通用性。由于不同的电动汽车可能采用不同的充电标准，封装技术要能够使芯片适用于多种充电协议，提高充电芯片的通用性，方便用户在不同的充电设施上进行充电。

车规级芯片封装技术的发展趋势预测

一、技术性能方面的趋势

1. 更高的集成度

• 随着汽车电子系统的不断发展，对芯片封装的集成度要求将越来越高。未来，车规级芯片封装将朝着系统级封装（SiP）和3D封装等方向发展。SiP可以将多个不同功能的芯片，如处理器、传感器、存储器等集成在一个封装体内，实现更高的功能集成，减少系统的体积和重量，同时提高系统的可靠性和性能。3D封装技术则通过垂直堆叠芯片的方式，进一步提高集成度，缩短芯片之间的信号传输路径，提高数据传输速度，这对于满足汽车智能化和电动化对高性能芯片的需求非常关键。

2. 更好的散热性能

• 由于车规级芯片在工作时产生的热量越来越多，尤其是功率半导体芯片和高性能计算芯片，因此散热性能将成为未来封装技术发展的重点之一。新的散热技术和材料将不断涌现，如采用高导热率的陶瓷材料、石墨烯等作为封装材料，或者开发新的散热结构，如微通道冷却结构等。此外，封装设计也将更加注重散热优化，如合理布局芯片和散热通道，提高散热效率，确保芯片在高温环境下的正常工作。

3. 更强的可靠性和安全性

• 汽车的安全性至关重要，因此车规级芯片封装技术将不断提高可靠性和安全性。在可靠性方面，封装将能够承受更恶劣的环境条件，如更高的温度范围、更强的振动和湿度变化等。通过改进封装材料的耐候性、优化封装结构的机械强度，可以提高封装的可靠性。在安全性方面，封装技术将融入更多的安全功能，如防止芯片受到电磁干扰、静电放电（ESD）保护、过温过压保护等，以满足汽车对芯片功能安全的严格要求。

二、与其他技术融合的趋势

1. 与新材料技术的融合

• 新材料技术的发展将为车规级芯片封装技术带来新的机遇。例如，纳米材料的应用可能会改变封装材料的性能，提高其电学、热学和力学性能。石墨烯作为一种具有优异电学和热学性能的材料，有望被应用于芯片封装中，提高芯片的散热性能和信号传输速度。此外，生物可降解材料的研究也可能为车规级芯片封装带来新的思路，例如在一些对环境要求较高的汽车应用场景中，采用生物可降解的封装材料，减少电子废弃物对环境的影响。

2. 与先进制造技术的融合

• 先进制造技术如增材制造（3D打印）技术可能会应用于车规级芯片封装。3D打印技术可以实现复杂的封装结构制造，提高封装的定制化程度。例如，根据不同的芯片功能和汽车应用需求，通过

车规级IGBT芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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