宽禁带半导体如硅碳化物的出现显著提高了电源器件的性能，使其能够在更高电压下运行，降低损耗，并提高功率和电流密度。然而，这些进展也要求更高效且具有成本效益的封装解决方案，以匹配下一代器件的增强热和电性能。

同时，新兴应用，特别是电动汽车和车载充电器，对长期可靠性、紧凑的形状和高热耐久性提出了严格的要求。为应对这些挑战，先进的封装和组装技术，如扇出面板级封装(FOPLP)，已经被积极探索。结合纳米烧结铜(Cu)芯片附加技术，这些技术为提高高电压硅碳化物模块的热管理、机械稳健性和电性能提供了有希望的路径。

什么是扇出?

“扇出”的核心是将输入/输出连接从裸半导体芯片的小占地面积重新分配到其边缘外部的更大区域。在传统的“扇入”封装中，输入/输出焊盘被限制在芯片内部。随着芯片集成更多功能并需要更多连接，这种方法变得有限(见图1)。

扇出封装通过向外重新分配输入/输出连接，允许更多的外部连接和更小的间距。典型的过程包括：

将单个或多个芯片重构到较大的载体基板上——无论是晶圆还是在FOPLP中使用的矩形面板。芯片被精确放置，并根据要构建的功能单元进行分组(例如，半桥模块)。

在芯片之间分配间距以启用互连路由。

用环氧模塑材料进行封装，形成平坦且均匀的表面。

在模塑表面上形成重分布层(RDL)。该层包含细金属电路，重新路由芯片的内部焊盘到更大的区域。RDL取代传统的焊线，降低寄生电感，并增强高频性能。该概念在图1中有示意。

将焊球或焊点添加到RDL以实现PCB级集成。

什么是面板级封装?

面板级封装是一种先进的组装方法，其中芯片被封装在大型矩形面板上，而不是用于晶圆级封装的圆形硅晶圆。常见的面板尺寸包括510 × 515 mm和600 × 600 mm，提供：

更高的通量，意味着每个面板可以处理更多芯片

更低的单位成本，改善材料利用率和面板效率

可扩展性，适合于汽车、消费和工业领域的大规模生产

FOPLP的一个关键优势是其与标准PCB行业工具的兼容性，这些工具经过优化以处理大型矩形基板。这减少了资本投资，避免了完全新的晶圆级工具的需求——特别是在晶圆尺寸的可扩展性达到实际限制时。

烧结铜芯片附加

在2025年IEEE第75届电子组件与技术会议上提出的一项研究介绍了纳米烧结铜芯片附加作为提高硅碳化物FOPLP模块性能的解决方案。在中国国家自然科学基金的支持下，该工作标志着纳米烧结铜在高电压应用的FOPLP中首次成功集成。

基于铜的FOPLP使用凹陷的部分空心引线框设计，硅碳化物芯片通过纳米烧结铜直接安装。这消除了额外铜连接器的需求，因为芯片表面与引线框平齐，简化了垂直集成和路由。

在基线银(Ag)基础设计中，明确使用了铜连接器以实现磁通抵消——一种相对电流回路最小化杂散电感和电磁干扰的排列。在优化的铜烧结版本中，芯片到引线框的布局自然而然地支持磁通抵消，以较低的复杂性、高度和材料使用实现类似的电气益处。

纳米烧结过程概述

纳米烧结使用铜纳米颗粒在芯片与基板之间形成密集的热导电连接。在FOPLP中，这种方法相较于基于焊料的附加具有显著优势：

将由铜纳米颗粒组成的浆料或油墨沉积在引线框腔或芯片背面。

将芯片放置并进行热烧结(约200°C至300°C)，在此过程中纳米颗粒在不熔化的情况下融合，形成密集的互连。

这种方法确保了高热导率、低连接空隙率，并与薄型高功率FOPLP模块兼容——这对硅碳化物mosfet在紧凑布局中的可靠运行至关重要。

使用的硅碳化物MOSFET

在研究中使用的硅碳化物MOSFET由SIChain Semiconductor提供，具有1200 V、80 A和40 mΩ的规格。芯片尺寸为4.134 × 3.74 mm²，厚度为0.2 mm。栅极和源极用Ni/Pd/Au镀层，漏极则使用Ti/Ni/Ag。所用面板基板为508 × 203 mm²。

热机械仿真

通过全面的有限元仿真评估了芯片附加材料和封装基板设计对FOPLP性能的影响。为了验证热性能，进行了稳态热阻测试。随后进行了热机械虚拟原型设计，以评估在操作和循环条件下的结构完整性。此外，使用Ansys Q3D 2021仿真工具提取寄生电感，并分析开关频率对电性能的影响。

两种仿真封装——银粘合剂(FOPLP-Ag)和纳米烧结铜(FOPLP-Cu)——共享相同的内部架构和总体尺寸。除了芯片附加材料外，其他所有组件，包括散热片垫、RDL、连接器和引线框，均由铜制成。

在25°C的环境温度下，以58.5 W的施加功率(对应于ID = 40 A，VDS = 1.46 V，VGS = 15 V)进行的稳态热仿真。散热片和焊接垫均固定在25°C，以实现双面冷却。

在两种封装变体中，硅碳化物芯片的温度分布用于使用以下公式计算热阻(R)：

R = (Tj − Tamb) ÷ P

其中Tj是结温，Tamb是环境温度，P是功耗。

不同冷却条件下的热阻仿真结果总结在表1中。

双面冷却的热阻为FOPLP-Ag的0.24°C/W和FOPLP-Cu的0.14°C/W。烧结铜版本显示出比银粘合剂更好的热导率。

热机械应力

芯片温度的上升由于热膨胀系数的不匹配而产生机械应力。这可能导致界面分层或开裂。

在双面冷却下：

FOPLP-Ag：最大应力 = 37.9 MPa，变形 = 1.4 × 10−6米FOPLP-Cu：最大应力 = 25.6 MPa，变形 = 8.3 × 10−7米

在两种情况下，最大应力和变形均发生在芯片表面和封装的角落。

在热循环(25°C → 320°C)下：

FOPLP-Ag：最大应力 = 189 MPa，变形 = 1.0 × 10−4米FOPLP-Cu：最大应力 = 190 MPa，变形 = 9.1 × 10−5米

铜版本的应力略高，归因于其更高的弹性模量，尽管变形保持较低。

仿真和实验证明FOPLP-Cu在热和电性能上优于基于银的版本。其好处包括：

较低的寄生电感

减少的机械变形

增强的热散逸

稳健的机械界面

验证测试确认了所提出的FOPLP-Cu设计的可行性和可靠性，未观察到分层现象。电气特性(静态、开关和热阻)验证了正常功能。

这项工作证明了基于硅碳化物的FOPLP通过纳米烧结铜增强的潜力，适用于小型化、高效率和热稳健的电源模块，为其在汽车和工业领域的商业规模部署铺平了道路。