超聲波清洗暗藏"芯片密碼":二氧化矽顆粒撞擊機理揭秘
發布時間:2025-05-22 責任編輯:lina
【導讀】在對某塑封半導體器件實施破壞性物理分析(DPA)時,檢測發現芯片表麵呈現玻璃鈍化層微裂紋與金屬化層機械劃傷的複合缺陷。通過掃描電子顯微鏡(SEM)對缺陷區域進行微觀形貌觀測,結合能譜儀(EDS)成分分析,揭示其形成機理:在(zai)開(kai)封(feng)後(hou)的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)清(qing)洗(xi)工(gong)序(xu)中(zhong),高(gao)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)能(neng)量(liang)導(dao)致(zhi)環(huan)氧(yang)模(mo)塑(su)料(liao)內(nei)部(bu)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)填(tian)充(chong)顆(ke)粒(li)產(chan)生(sheng)加(jia)速(su)運(yun)動(dong),這(zhe)些(xie)硬(ying)質(zhi)顆(ke)粒(li)以(yi)高(gao)動(dong)能(neng)反(fan)複(fu)碰(peng)撞(zhuang)擠(ji)壓(ya)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian),最(zui)終(zhong)在(zai)鈍(dun)化(hua)層(ceng)形(xing)成(cheng)微(wei)米(mi)級(ji)裂(lie)紋(wen)並(bing)延(yan)伸(shen)至(zhi)金(jin)屬(shu)化(hua)層(ceng)。該(gai)發(fa)現(xian)為(wei)優(you)化(hua)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)清(qing)洗(xi)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)提(ti)供(gong)了(le)關(guan)鍵(jian)理(li)論(lun)依(yi)據(ju)。
在對某塑封半導體器件實施破壞性物理分析(DPA)時,檢測發現芯片表麵呈現玻璃鈍化層微裂紋與金屬化層機械劃傷的複合缺陷。通過掃描電子顯微鏡(SEM)對缺陷區域進行微觀形貌觀測,結合能譜儀(EDS)成分分析,揭示其形成機理:在(zai)開(kai)封(feng)後(hou)的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)清(qing)洗(xi)工(gong)序(xu)中(zhong),高(gao)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)能(neng)量(liang)導(dao)致(zhi)環(huan)氧(yang)模(mo)塑(su)料(liao)內(nei)部(bu)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)填(tian)充(chong)顆(ke)粒(li)產(chan)生(sheng)加(jia)速(su)運(yun)動(dong),這(zhe)些(xie)硬(ying)質(zhi)顆(ke)粒(li)以(yi)高(gao)動(dong)能(neng)反(fan)複(fu)碰(peng)撞(zhuang)擠(ji)壓(ya)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian),最(zui)終(zhong)在(zai)鈍(dun)化(hua)層(ceng)形(xing)成(cheng)微(wei)米(mi)級(ji)裂(lie)紋(wen)並(bing)延(yan)伸(shen)至(zhi)金(jin)屬(shu)化(hua)層(ceng)。該(gai)發(fa)現(xian)為(wei)優(you)化(hua)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)清(qing)洗(xi)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)提(ti)供(gong)了(le)關(guan)鍵(jian)理(li)論(lun)依(yi)據(ju)。
塑封半導體器件因其尺寸小、重量輕、成cheng本ben低di,生sheng產chan和he封feng裝zhuang工gong藝yi簡jian單dan,已yi經jing廣guang泛fan應ying用yong於yu各ge個ge領ling域yu。為wei提ti高gao其qi可ke靠kao性xing,使shi其qi能neng代dai替ti密mi封feng半ban導dao體ti器qi件jian應ying用yong於yu一yi些xie高gao可ke靠kao性xing的de領ling域yu,常chang通tong過guoDPA和FA對其進行評估和研究。
DPA是軍用電子元器件批質量一致性檢驗和評價的一個環節。用於DPA的樣品是從生產批中抽取,且其檢測結果可作為批次接收或者拒收的依據。在軍用電子元器件的DPA檢jian測ce中zhong,封feng裝zhuang的de內nei部bu檢jian查zha是shi一yi個ge非fei常chang重zhong要yao的de檢jian測ce項xiang目mu。它ta通tong過guo顯xian微wei鏡jing對dui半ban導dao體ti器qi件jian封feng裝zhuang的de內nei部bu進jin行xing檢jian查zha,發fa現xian器qi件jian內nei部bu存cun在zai的de缺que陷xian。常chang見jian的de芯xin片pian缺que陷xian有you金jin屬shu化hua層ceng的de劃hua傷shang及ji裂lie紋wen、芯片表麵嵌入多餘物、芯片周邊崩損、金屬化層和鈍化層的缺損、金屬化腐蝕等。這些缺陷的危害很大,芯片表麵裂紋、劃傷會導致芯片表麵鈍化層破損,降低電極之間的絕緣作用,增加半導體材料的多種表麵效應,使芯片內部受到塵埃、酸氣、水shui汽qi或huo金jin屬shu顆ke粒li的de沾zhan汙wu。容rong易yi發fa生sheng電dian遷qian移yi導dao致zhi開kai路lu失shi效xiao或huo者zhe導dao致zhi電dian路lu內nei部bu工gong作zuo材cai料liao間jian的de漏lou電dian增zeng加jia或huo短duan路lu,嚴yan重zhong影ying響xiang器qi件jian在zai服fu役yi過guo程cheng中zhong的de使shi用yong壽shou命ming和he可ke靠kao性xing[1]。針(zhen)對(dui)內(nei)部(bu)目(mu)檢(jian)不(bu)合(he)格(ge)的(de)樣(yang)品(pin),一(yi)般(ban)實(shi)行(xing)批(pi)退(tui)處(chu)理(li),因(yin)此(ci),芯(xin)片(pian)缺(que)陷(xian)是(shi)生(sheng)產(chan)廠(chang)家(jia)和(he)檢(jian)測(ce)機(ji)構(gou)都(dou)十(shi)分(fen)重(zhong)視(shi)的(de)問(wen)題(ti)。先(xian)前(qian)已(yi)有(you)一(yi)些(xie)文(wen)章(zhang)對(dui)芯(xin)片(pian)目(mu)檢(jian)的(de)缺(que)陷(xian)和(he)原(yuan)因(yin)進(jin)行(xing)了(le)分(fen)析(xi)。梁(liang)棟(dong)程(cheng)等(deng)對(dui)外(wai)來(lai)物(wu)(鋼顆粒)導dao致zhi的de塑su封feng器qi件jian金jin屬shu化hua層ceng損sun傷shang進jin行xing了le機ji理li分fen析xi,結jie果guo表biao明ming鋼gang顆ke粒li來lai源yuan於yu塑su封feng模mo具ju破po損sun或huo老lao化hua,在zai環huan氧yang固gu化hua過guo程cheng中zhong產chan生sheng的de應ying力li導dao致zhi鋼gang顆ke粒li壓ya碎sui金jin屬shu化hua層ceng[2];zhouanqidengduijichengdianluzuzhuangguochengzhongluoxinpianmujianbuhegeleixingyuyuanyinjinxingletongjihefenxi。muqianbaodaodexinpianquexiandaduolaiyuanyushengchanchangjiadefengzhuangguocheng,rurenyuanguoshihuogongyikongzhibuliang。duiqitayuanyinyinrudexinpianquexianweijianbaodao[3]。
sufengqijiandexinpianbeisufengliaowanquanbaoguo,weilejinxingneibumujianshiyan,yaoqiubixubaxinpianwanzhengganjingdeluchulai,jiquchuxinpianbiaomiandesufengliao。changyongdesufengqijiankaifengfangfaweijiguangkeshifa、綜合化學腐蝕法。開封是內部目檢的前提,可以找出失效點。電子探針、電子背散射衍射(EBSD)技術、微光顯微鏡(EMMI)和EDS分析均可用於元器件和材料的失效分析中[4-6]。本文將對某一種塑封器件內部目檢中發現的芯片表麵鈍化層和金屬化層微裂紋現象通過SEM和EDS進(jin)行(xing)機(ji)理(li)分(fen)析(xi),觀(guan)察(cha)缺(que)陷(xian)形(xing)貌(mao),分(fen)析(xi)其(qi)元(yuan)素(su)成(cheng)分(fen)及(ji)產(chan)生(sheng)原(yuan)因(yin),設(she)計(ji)複(fu)現(xian)試(shi)驗(yan)進(jin)行(xing)驗(yan)證(zheng)。最(zui)後(hou)提(ti)出(chu)改(gai)進(jin)措(cuo)施(shi),為(wei)這(zhe)類(lei)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)質(zhi)量(liang)檢(jian)測(ce)提(ti)供(gong)有(you)益(yi)參(can)考(kao),對(dui)失(shi)效(xiao)分(fen)析(xi)有(you)一(yi)定(ding)借(jie)鑒(jian)意(yi)義(yi)。
1試驗與討論
1.1試驗過程
對AnalogDevices,Inc.廠家生產的型號為HMC948LP3E的塑封器件進行DPA檢測,先後進行外部目檢、X射線檢查、聲學掃描顯微鏡檢查和內部目檢。外部目檢無異常。對樣品進行激光開封和化學開封,腐蝕後的芯片全貌如圖1a和圖1b所示。
利用金相顯微鏡對芯片表麵形貌進行高倍檢查(200倍~1000倍),發現樣品存在多處玻璃鈍化層裂紋和金屬化層劃傷的缺陷,符合GJB548B方法2010.1-3.1.1.1-a條。缺陷部位的金相顯微鏡圖見圖1c。

在DPA檢測中,SEM檢查要求對引線鍵合、玻璃鈍化層完整性和芯片互連線金屬化層的質量進行評估。由於此類缺陷形貌並不常見,為進一步分析缺陷形成的機理,通過SEM和EDS對試驗樣品的損傷部位進行形貌和元素成分分析。
1.2結果與討論
由目測可見器件的外觀無異常,標識清晰。X射線檢查的結果顯示了樣品的內部結構、芯片位置、內引線的連接及各個組件的相對高度。對樣品X射線形貌進行分析發現樣品內部芯片無裂紋和多餘物,鍵合和封裝外殼都正常,無缺陷。超聲檢測的C掃圖可以看出器件的芯片、基板和引腳都未見分層及裂紋。
對內部目檢發現缺陷的器件芯片進行SEM檢查,得到背散射電子(BSE)像和二次電子(SE)像。背散射電子和二次電子的區別是分辨率、運(yun)動(dong)軌(gui)跡(ji)和(he)能(neng)量(liang)的(de)不(bu)同(tong)。背(bei)散(san)射(she)電(dian)子(zi)以(yi)直(zhi)線(xian)逸(yi)出(chu),樣(yang)品(pin)背(bei)部(bu)的(de)電(dian)子(zi)無(wu)法(fa)被(bei)檢(jian)測(ce)到(dao),成(cheng)一(yi)片(pian)陰(yin)影(ying),襯(chen)度(du)較(jiao)大(da),無(wu)法(fa)分(fen)析(xi)細(xi)節(jie),但(dan)可(ke)用(yong)來(lai)顯(xian)示(shi)原(yuan)子(zi)序(xu)數(shu)襯(chen)度(du),進(jin)行(xing)成(cheng)分(fen)定(ding)性(xing)分(fen)析(xi);ercidianzikeyiliyongzaijianceqishoujiguangzhashangjiashangzhengdianyalaixishoujiaodinengliangdeercidianzi,shiyangpinbeibujiaokengchuyichudedianziyihuxianyundongguijibeixishou,yinershituxiangcengcizengjia,xijieqingxi,nengyouxiaodixianshiyangpinbiaomianweiguanxingmao。quexianbuweideBSE像和SE像分別見圖2a和圖2b。對某個缺陷部位放大10000倍,得到的背散射電子成像如圖3a所示。

從圖2a和圖2b可以看出,缺陷形貌為圓形裂紋並向外延伸,BSExiangzhongquexianbuweiweijianmingxianchengfenchendu。fangdadequexianxingmaoxianshicunzaishoudaozhuangjihejiyahousuiliezhuangxingtai。xinpianbolidunhuacengsuilie,zaochengjinshuhuacengsunshang。duiquexian、正常部位進行EDS分析,其結果分別如圖3和圖4所示。

對比圖3和圖4,芯片表麵的主要元素為要為C、N、O、Al、Si及少量的Au。裂紋處並無新的金屬元素引入,兩者之間的元素差異主要為C和N,排除了焊接材料(銀漿)、塑封模具等的影響。對鑷子劃傷的器件做SEM分析,形貌像見圖5a。可以看出,鑷子劃傷的形貌多為長條形,且劃痕橫跨整個金屬條,可以排除。金屬條一般為Al條,因此金屬層的Al元素含量最大,如圖4b所示。裂紋邊緣處的能譜分析可以看出Si元素的含量超出了Al元素,說明裂紋的產生可能是由含Si的顆粒造成,顆粒撞擊芯片表麵部分殘留於裂紋縫隙之中,被EDS檢測出。

塑封器件中的塑封料是其重要組成部分,塑封料主要包含環氧樹脂、固化劑、填充劑和阻燃劑。在環氧塑封料中,填充劑所占的比例最高,達到了70%yishang,shifenzhongyao。zaixinpianfengzhuangguochengzhong,gezhongcailiaobixujuyouxiangjinderepengzhangxishu,cainengquebaoqijianzaishiyongguochengzhongbukailietuoluo。youyuhuanyangshuzhiderepengzhangxishudayuguixinpian、引線和引線框架材料,所以需要加入適量低膨脹係數的填充劑,如SiO2能夠降低固化劑的熱膨脹係數,從而減小塑封料固化後的收縮應力[7]。球型SiO2粉因其比表麵積小,應力集中小,不易產生微裂紋;堆積效率緊密,填充量大;各向同性,封裝質量高;流動性最好,摩擦係數小等諸多優點被廣泛用於高端塑封器件的填充劑。塑封料的SEM像如圖5b和5c所示。對芯片上殘留的塑封料顆粒進行EDS分析,結果見圖6。


對比裂紋和SiO2的SEM像,分析裂紋為SiO2顆粒撞擊芯片表麵玻璃鈍化層產生的。從圖6b也可以看出,塑封料中的Si元素含量很高,與裂紋處的EDS分析結果相一致。在塑封器件封裝過程中,注塑時模具溫度在160℃~180℃,塑封料呈熔融狀態,具有流動性,不會對芯片表麵產生應力衝擊,因此可以排除封裝過程引入的裂紋[8]。器(qi)件(jian)本(ben)身(shen)並(bing)未(wei)經(jing)曆(li)過(guo)電(dian)路(lu)周(zhou)期(qi)性(xing)通(tong)斷(duan)以(yi)及(ji)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua),因(yin)此(ci)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)塑(su)封(feng)料(liao)和(he)其(qi)它(ta)材(cai)料(liao)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)不(bu)同(tong)導(dao)致(zhi)熱(re)疲(pi)勞(lao)失(shi)效(xiao),從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)引(yin)起(qi)裂(lie)紋(wen)和(he)擴(kuo)展(zhan)變(bian)化(hua)的(de)現(xian)象(xiang)[9]。環氧固化過程中的應力會導致矽芯片破裂、石英砂損傷金屬化層等情況,但其缺陷形貌與本研究中的不符,可以排除[10-11]。在zai塑su封feng器qi件jian開kai封feng中zhong,激ji光guang預yu開kai封feng後hou的de器qi件jian會hui進jin行xing滴di酸suan腐fu蝕shi,腐fu蝕shi後hou的de反fan應ying物wu通tong過guo丙bing酮tong進jin行xing超chao聲sheng清qing洗xi,滴di酸suan和he清qing洗xi的de過guo程cheng重zhong複fu進jin行xing多duo次ci,直zhi至zhi芯xin片pian表biao麵mian完wan全quan裸luo露lu出chu來lai。芯xin片pian一yi般ban放fang入ru有you丙bing酮tong的de燒shao杯bei中zhong采cai用yong超chao聲sheng波bo清qing洗xi。超chao聲sheng波bo清qing洗xi是shi利li用yong超chao聲sheng波bo在zai液ye體ti中zhong的de空kong化hua作zuo用yong、加速作用及直進流作用對液體和汙物直接、間接的作用,使汙物層被分散、乳化、剝bo離li而er達da到dao清qing洗xi目mu的de。超chao聲sheng波bo清qing洗xi由you於yu操cao作zuo簡jian單dan並bing且qie清qing洗xi效xiao果guo好hao而er廣guang泛fan應ying用yong於yu各ge個ge領ling域yu。由you於yu超chao聲sheng波bo振zhen子zi的de振zhen動dong,較jiao小xiao的de器qi件jian或huo微wei小xiao顆ke粒li物wu會hui在zai液ye體ti中zhong持chi續xu晃huang動dong。在zai芯xin片pian清qing洗xi過guo程cheng中zhong,隨sui著zhe清qing洗xi時shi間jian的de增zeng加jia,丙bing酮tong溶rong液ye中zhong的de塑su封feng料liao反fan應ying物wu增zeng多duo,由you於yu芯xin片pian麵mian朝chao下xia,溶rong液ye中zhong的de懸xuan浮fu物wu較jiao難nan漂piao浮fu至zhi溶rong液ye上shang方fang。當dang丙bing酮tong溶rong液ye渾hun濁zhuo時shi,塑su封feng料liao殘can留liu物wu會hui在zai超chao聲sheng振zhen蕩dang下xia不bu斷duan撞zhuang擊ji芯xin片pian表biao麵mian。芯xin片pian表biao麵mian包bao含han玻bo璃li鈍dun化hua層ceng、鈍化層和金屬層。最外層的玻璃鈍化層主要成分為Si3N4,鈍化層的主要成分是SiO2。Si3N4雖然具有良好的耐磨損性,抗熱震性能等,但陶瓷和玻璃材質都屬於硬脆材料,具有脆性高、斷裂韌性低等特性,在機械應力下易碎裂。塑封料的主要成分為SiO2qieweiqiuxingkeli,yingdujiaogao。zaichaoshengzhendongxia,gaoyingdudekelibuduanpengzhuangxinpianbiaomianjuyoucuixingdedunhuaceng,jiuhuizaidunhuacengbiaomianxingchengxiangwaiyanshendeliewen。dunhuacengdeliewenhuidaozhishui、氣或雜質等通過微裂紋進入,腐蝕或者影響鈍化層保護下的金屬層的電性能,破壞芯片表麵結構,使其可靠性大大降低。
2複現試驗與控製建議
2.1複現試驗
采用同一型號器件開展複現試驗,試驗過程如下:選取開封後無表麵損傷器件,預先製備含大量塑封包封料的丙酮溶液;將器件置入溶液中並開展超聲清洗,時間為10s;清洗結束後進行檢查。檢查發現金屬條存在多個圓形微裂紋,見圖7a。對缺陷芯片進行SEM測試,得到的BSE像見圖7b。

從圖7可(ke)以(yi)看(kan)出(chu),缺(que)陷(xian)出(chu)現(xian)在(zai)多(duo)個(ge)金(jin)屬(shu)條(tiao)上(shang),形(xing)貌(mao)相(xiang)似(si),大(da)小(xiao)不(bu)同(tong)且(qie)分(fen)布(bu)無(wu)規(gui)律(lv),表(biao)現(xian)出(chu)了(le)隨(sui)機(ji)性(xing)。在(zai)圓(yuan)形(xing)裂(lie)紋(wen)周(zhou)圍(wei),分(fen)布(bu)有(you)零(ling)散(san)的(de)圓(yuan)形(xing)顆(ke)粒(li),相(xiang)較(jiao)於(yu)周(zhou)邊(bian)顏(yan)色(se)更(geng)亮(liang),說(shuo)明(ming)芯(xin)片(pian)在(zai)清(qing)洗(xi)中(zhong)會(hui)殘(can)留(liu)一(yi)些(xie)塑(su)封(feng)料(liao)在(zai)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)。
通過對缺陷進行複現驗證,證實了缺陷產生的原因在於開封後的超聲波清洗過程中,而並非器件封裝工藝水平不足所引入。在DPA的內部目檢中若發現此類形貌的缺陷,不能依據標準判定其不合格。
2.2控製措施
內(nei)部(bu)目(mu)檢(jian)的(de)誤(wu)判(pan)主(zhu)要(yao)來(lai)源(yuan)於(yu)器(qi)件(jian)的(de)開(kai)封(feng)。開(kai)封(feng)操(cao)作(zuo)不(bu)當(dang)會(hui)引(yin)入(ru)一(yi)些(xie)缺(que)陷(xian)從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)內(nei)部(bu)目(mu)檢(jian)的(de)判(pan)斷(duan)。如(ru)激(ji)光(guang)開(kai)封(feng)中(zhong),激(ji)光(guang)時(shi)間(jian)過(guo)長(chang)會(hui)導(dao)致(zhi)過(guo)開(kai)封(feng)使(shi)激(ji)光(guang)損(sun)傷(shang)芯(xin)片(pian);機械開封中,操作不當易引入多餘物;huaxuedisuanzhong,niezirongyizaochengxinpianhuashang,disuanguoliangrongyizaochengxinpiandeguofushi。zhexiesunshanghuoquexianzaikaifengdeguochengzhongjiaochangchuxian,ketongguojingyanbimianwupan。benyanjiuzhongchuxiandesunshangxingmaojiaoweihanjian,chaoshengboqingxisuiranbushikaifengdezhuyaobuzhou,danshiquebibukeshao。chaoshengboqingxideshijianduisufengqijiankaifengxiaoguoyouyidingyingxiang,erqiekaifenghoudexinpianqingxiyibanfangyushaobeizhong,yinweidaduoxinpianbenshenyisui,fangzaibolibeizhongjinxingchaoshengbozhendangqingxishi,rongyiyubolishaobeibifashengpengzhuangcongerchanshengxinpiansuilie,duixinpiandehouxujianzhayeyouyingxiang。kecaiyongruanxingcaizhidewupinfangzhidaixiqijian,ruzaisuliaodaizhongzhuangrubingtonghexinpianfangruchaoshengboqingxijizhongzhendangqingxi。zaiqingxiguochengzhong,bingtongdedingshigenghuanshifenzhongyao,disuan、清洗、觀察的過程需重複多次,直至芯片全部裸露出來。因此,通過控製盛放容器、超聲波的振動頻率、超聲波清洗液的更換時間、超聲時間可以有效避免芯片微裂紋的產生。
3結論
本文對DPA檢測中內部目檢發現的玻璃鈍化層裂紋和金屬化層劃傷的缺陷樣品進行了缺陷形成機理分析,利用SEM和EDS檢jian測ce手shou段duan,對dui缺que陷xian的de形xing貌mao和he成cheng分fen進jin行xing了le分fen析xi。結jie果guo表biao明ming塑su封feng器qi件jian開kai封feng過guo程cheng中zhong的de超chao聲sheng波bo清qing洗xi液ye丙bing酮tong溶rong液ye未wei及ji時shi更geng換huan會hui造zao成cheng塑su封feng料liao殘can留liu,在zai超chao聲sheng振zhen蕩dang下xia不bu斷duan撞zhuang擊ji芯xin片pian表biao麵mian,芯xin片pian在zai外wai來lai物wu和he外wai有you應ying力li的de同tong時shi作zuo用yong下xia被bei壓ya碎sui,形xing成cheng與yu塑su封feng料liaoSiO2顆粒相對應的圓形裂紋,並分布無規律。驗證試驗證實了缺陷的形成原因,並對控製缺陷產生提出了一些改進措施。本研究對DPA檢測中的誤判識別提供了參考經驗,同時也對開封技術的提升有一定幫助,對DPA檢測水平提高具有較大的參考價值。
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