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、shuiqihuojinshukelidezhanwu。rongyifashengdianqianyidaozhikailushixiaohuozhedaozhidianluneibugongzuocailiaojiandeloudianzengjiahuoduanlu,yanzhongyingxiangqijianzaifuyiguochengzhongdeshiyongshouminghekekaoxing[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];周(zhou)安(an)琪(qi)等(deng)對(dui)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)組(zu)裝(zhuang)過(guo)程(cheng)中(zhong)裸(luo)芯(xin)片(pian)目(mu)檢(jian)不(bu)合(he)格(ge)類(lei)型(xing)與(yu)原(yuan)因(yin)進(jin)行(xing)了(le)統(tong)計(ji)和(he)分(fen)析(xi)。目(mu)前(qian)報(bao)道(dao)的(de)芯(xin)片(pian)缺(que)陷(xian)大(da)多(duo)來(lai)源(yuan)於(yu)生(sheng)產(chan)廠(chang)家(jia)的(de)封(feng)裝(zhuang)過(guo)程(cheng),如(ru)人(ren)員(yuan)過(guo)失(shi)或(huo)工(gong)藝(yi)控(kong)製(zhi)不(bu)良(liang)。對(dui)其(qi)它(ta)原(yuan)因(yin)引(yin)入(ru)的(de)芯(xin)片(pian)缺(que)陷(xian)未(wei)見(jian)報(bao)道(dao)[3]。
塑su封feng器qi件jian的de芯xin片pian被bei塑su封feng料liao完wan全quan包bao裹guo,為wei了le進jin行xing內nei部bu目mu檢jian試shi驗yan,要yao求qiu必bi須xu把ba芯xin片pian完wan整zheng幹gan淨jing的de露lu出chu來lai,即ji去qu除chu芯xin片pian表biao麵mian的de塑su封feng料liao。常chang用yong的de塑su封feng器qi件jian開kai封feng方fang法fa為wei激ji光guang刻ke蝕shi法fa、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,BSE像(xiang)中(zhong)缺(que)陷(xian)部(bu)位(wei)未(wei)見(jian)明(ming)顯(xian)成(cheng)分(fen)襯(chen)度(du)。放(fang)大(da)的(de)缺(que)陷(xian)形(xing)貌(mao)顯(xian)示(shi)存(cun)在(zai)受(shou)到(dao)撞(zhuang)擊(ji)和(he)擠(ji)壓(ya)後(hou)碎(sui)裂(lie)狀(zhuang)形(xing)態(tai)。芯(xin)片(pian)玻(bo)璃(li)鈍(dun)化(hua)層(ceng)碎(sui)裂(lie),造(zao)成(cheng)金(jin)屬(shu)化(hua)層(ceng)損(sun)傷(shang)。對(dui)缺(que)陷(xian)、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%以yi上shang,十shi分fen重zhong要yao。在zai芯xin片pian封feng裝zhuang過guo程cheng中zhong,各ge種zhong材cai料liao必bi須xu具ju有you相xiang近jin的de熱re膨peng脹zhang係xi數shu,才cai能neng確que保bao器qi件jian在zai使shi用yong過guo程cheng中zhong不bu開kai裂lie脫tuo落luo。由you於yu環huan氧yang樹shu脂zhi的de熱re膨peng脹zhang係xi數shu大da於yu矽gui芯xin片pian、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]。qijianbenshenbingweijingliguodianluzhouqixingtongduanyijihuanjingwendubianhua,yincibuhuichanshengsufengliaoheqitacailiaorepengzhangxishubutongdaozhirepilaoshixiao,congerxingchengqijianneibuyinqiliewenhekuozhanbianhuadexianxiang[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]。zaisufengqijiankaifengzhong,jiguangyukaifenghoudeqijianhuijinxingdisuanfushi,fushihoudefanyingwutongguobingtongjinxingchaoshengqingxi,disuanheqingxideguochengzhongfujinxingduoci,zhizhixinpianbiaomianwanquanluoluchulai。xinpianyibanfangruyoubingtongdeshaobeizhongcaiyongchaoshengboqingxi。chaoshengboqingxishiliyongchaoshengbozaiyetizhongdekonghuazuoyong、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、bolierdadaoqingximude。chaoshengboqingxiyouyucaozuojiandanbingqieqingxixiaoguohaoerguangfanyingyongyugegelingyu。youyuchaoshengbozhenzidezhendong,jiaoxiaodeqijianhuoweixiaokeliwuhuizaiyetizhongchixuhuangdong。zaixinpianqingxiguochengzhong,suizheqingxishijiandezengjia,bingtongrongyezhongdesufengliaofanyingwuzengduo,youyuxinpianmianchaoxia,rongyezhongdexuanfuwujiaonanpiaofuzhirongyeshangfang。dangbingtongrongyehunzhuoshi,sufengliaocanliuwuhuizaichaoshengzhendangxiabuduanzhuangjixinpianbiaomian。xinpianbiaomianbaohanbolidunhuaceng、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SiO2且(qie)為(wei)球(qiu)形(xing)顆(ke)粒(li),硬(ying)度(du)較(jiao)高(gao)。在(zai)超(chao)聲(sheng)振(zhen)動(dong)下(xia),高(gao)硬(ying)度(du)的(de)顆(ke)粒(li)不(bu)斷(duan)碰(peng)撞(zhuang)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)具(ju)有(you)脆(cui)性(xing)的(de)鈍(dun)化(hua)層(ceng),就(jiu)會(hui)在(zai)鈍(dun)化(hua)層(ceng)表(biao)麵(mian)形(xing)成(cheng)向(xiang)外(wai)延(yan)伸(shen)的(de)裂(lie)紋(wen)。鈍(dun)化(hua)層(ceng)的(de)裂(lie)紋(wen)會(hui)導(dao)致(zhi)水(shui)、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7keyikanchu,quexianchuxianzaiduogejinshutiaoshang,xingmaoxiangsi,daxiaobutongqiefenbuwuguilv,biaoxianchulesuijixing。zaiyuanxingliewenzhouwei,fenbuyoulingsandeyuanxingkeli,xiangjiaoyuzhoubianyansegengliang,shuomingxinpianzaiqingxizhonghuicanliuyixiesufengliaozaixinpianbiaomian。
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
neibumujiandewupanzhuyaolaiyuanyuqijiandekaifeng。kaifengcaozuobudanghuiyinruyixiequexiancongeryingxiangneibumujiandepanduan。rujiguangkaifengzhong,jiguangshijianguochanghuidaozhiguokaifengshijiguangsunshangxinpian;機械開封中,操作不當易引入多餘物;化(hua)學(xue)滴(di)酸(suan)中(zhong),鑷(nie)子(zi)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)芯(xin)片(pian)劃(hua)傷(shang),滴(di)酸(suan)過(guo)量(liang)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)芯(xin)片(pian)的(de)過(guo)腐(fu)蝕(shi)。這(zhe)些(xie)損(sun)傷(shang)或(huo)缺(que)陷(xian)在(zai)開(kai)封(feng)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)較(jiao)常(chang)出(chu)現(xian),可(ke)通(tong)過(guo)經(jing)驗(yan)避(bi)免(mian)誤(wu)判(pan)。本(ben)研(yan)究(jiu)中(zhong)出(chu)現(xian)的(de)損(sun)傷(shang)形(xing)貌(mao)較(jiao)為(wei)罕(han)見(jian),超(chao)聲(sheng)波(bo)清(qing)洗(xi)雖(sui)然(ran)不(bu)是(shi)開(kai)封(feng)的(de)主(zhu)要(yao)步(bu)驟(zhou),但(dan)是(shi)卻(que)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)。超(chao)聲(sheng)波(bo)清(qing)洗(xi)的(de)時(shi)間(jian)對(dui)塑(su)封(feng)器(qi)件(jian)開(kai)封(feng)效(xiao)果(guo)有(you)一(yi)定(ding)影(ying)響(xiang),而(er)且(qie)開(kai)封(feng)後(hou)的(de)芯(xin)片(pian)清(qing)洗(xi)一(yi)般(ban)放(fang)於(yu)燒(shao)杯(bei)中(zhong),因(yin)為(wei)大(da)多(duo)芯(xin)片(pian)本(ben)身(shen)易(yi)碎(sui),放(fang)在(zai)玻(bo)璃(li)杯(bei)中(zhong)進(jin)行(xing)超(chao)聲(sheng)波(bo)振(zhen)蕩(dang)清(qing)洗(xi)時(shi),容(rong)易(yi)與(yu)玻(bo)璃(li)燒(shao)杯(bei)壁(bi)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)芯(xin)片(pian)碎(sui)裂(lie),對(dui)芯(xin)片(pian)的(de)後(hou)續(xu)檢(jian)查(zha)也(ye)有(you)影(ying)響(xiang)。可(ke)采(cai)用(yong)軟(ruan)性(xing)材(cai)質(zhi)的(de)物(wu)品(pin)放(fang)置(zhi)待(dai)洗(xi)器(qi)件(jian),如(ru)在(zai)塑(su)料(liao)袋(dai)中(zhong)裝(zhuang)入(ru)丙(bing)酮(tong)和(he)芯(xin)片(pian)放(fang)入(ru)超(chao)聲(sheng)波(bo)清(qing)洗(xi)機(ji)中(zhong)振(zhen)蕩(dang)清(qing)洗(xi)。在(zai)清(qing)洗(xi)過(guo)程(cheng)中(zhong),丙(bing)酮(tong)的(de)定(ding)時(shi)更(geng)換(huan)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao),滴(di)酸(suan)、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(liao)SiO2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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