功率芯片PCB内埋式封装工艺技术流程解析

技术概述与核心优势

功率芯片PCB内埋式封装技术通过将功率芯片直接嵌入PCB基板内部，实现了电气连接、散热路径和机械结构的协同优化，特别适用于宽禁带半导体（如碳化硅、氮化镓）器件。其核心优势包括：解决传统封装的散热瓶颈、降低寄生参数、提升集成度，为电动汽车逆变器、新能源发电等大功率场景提供性能突破。采埃孚CIPB方案、博世Dauerpower逆变器等商业化案例已验证其技术潜力。

工艺技术流程总览

功率芯片PCB内埋式封装流程需融合传统芯片封装工艺与PCB制造特性，主要分为芯片预处理、PCB基板制备、芯片嵌入与互连、封装后处理四大阶段，各环节需满足电性能、热管理和机械可靠性的多维度要求。

关键工艺步骤详解

1. 芯片预处理阶段

• 晶圆减薄与切割
  对晶圆进行背面研磨减薄（厚度通常降至50-100μm），通过激光切割或金刚石砂轮切割分离为独立芯片（Die），同时采用UV膜保护芯片电路面。减薄工艺可改善散热路径并降低切割应力。

• 焊盘金属化与表面处理
  对芯片焊盘进行电镀（如Ni/Au镀层）或烧结银处理，提升互连界面的导电性与可靠性，为后续键合或倒装焊做准备。

2. PCB基板制备阶段

• 基材选型与改性
  需突破传统FR-4基材性能缺陷，采用陶瓷填充树脂、金属基覆铜板等材料，目标提升导热系数（＞3W/m·K）并降低热膨胀系数（CTE），匹配芯片与基板的热应力兼容性。

• PCB内埋 cavity 结构加工
  通过机械铣槽或激光开槽在PCB基板预设芯片嵌入腔（Cavity），精度需控制在±10μm以内，确保芯片与基板的贴合间隙＜20μm，为散热路径优化奠定基础。

3. 芯片嵌入与互连阶段

• 芯片贴装（Die Attach）
  将预处理后的芯片倒装或正装于PCB cavity内，采用银浆烧结、焊料焊接或环氧树脂粘结工艺固定，键合层厚度需控制在10-30μm以降低热阻。此环节需通过高精度贴片机实现±5μm的定位精度。

• 互连工艺实现

• 导线键合（Wire Bonding）：采用金线或铜线超声键合，连接芯片焊盘与PCB内层电路，键合强度需达到≥5g的拉拔力标准。

• 倒装焊（Flip Chip）：通过焊球阵列（BGA）直接实现芯片与PCB的电学连接，寄生电感可降低至传统引线键合的1/5。

• PCB层间互连：利用激光钻孔与电镀铜工艺形成垂直导通孔（VIAs），实现芯片与PCB外层电路的电气导通。

4. 封装后处理阶段

• 绝缘封装与密封
  采用环氧树脂模塑料（EMC）或聚酰亚胺涂层覆盖芯片及互连区域，需确保绝缘层厚度均匀（≥50μm），并通过高压测试（≥1kV DC）验证绝缘可靠性，防止电树枝与铜须生长导致的失效1。

• 热界面材料（TIM）集成
  在PCB背面或芯片裸露区域涂覆导热硅脂或烧结银，降低与散热片的接触热阻，总热阻需控制在＜0.5℃/W。

• 测试与失效分析
  通过X-ray检测互连质量，进行功率循环测试（＞10⁵次）与温度循环测试（-40℃~125℃），验证长期可靠性。

技术挑战与创新方向

1. 多维度协同优化策略

2. 量产化关键瓶颈

• 工艺精度控制：芯片嵌入公差需＜±5μm，PCB层压过程中腔体变形需＜3μm。

• 成本优化：激光切割与高精度贴装设备投资较高，需通过工艺集成（如晶圆级封装与PCB制造融合）降低单件成本。

应用前景与发展趋势

随着宽禁带器件的普及，PCB内埋式封装技术将向高密度集成（多芯片模块MCM）、三维堆叠（3D IC）方向发展。预计到2027年，电动汽车逆变器领域的渗透率将突破30%，推动整车电驱系统效率提升至97%以上。

功率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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