半導(dǎo)體“黑科技”：氮化鎵

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志12/1月刊

近年來，芯片材料、設(shè)備以及制程工藝等技術(shù)不斷突破，在高壓、高溫、高頻應(yīng)用場景中第三代半導(dǎo)體材質(zhì)優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。其中，氮化鎵憑借著在消費(fèi)產(chǎn)品快充電源領(lǐng)域的如魚得水，從2018年開始，業(yè)界對氮化鎵關(guān)注度不斷升溫，甚至將7月31日定為世界氮化鎵日。

接下來，就讓我們一起來探究氮化鎵材質(zhì)的特性如何？氮化鎵市場的發(fā)展方向？以及氮化鎵的封裝技術(shù)需求？

△圖1：第三代半導(dǎo)體發(fā)展及特性對比。

氮化鎵材料

氮化鎵（GaN）作為一種寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、開關(guān)頻率高，以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢。其中，開關(guān)頻率高意味著應(yīng)用電路可以采用尺寸更小的無源器件；擊穿電壓高則意味著電壓耐受能力比傳統(tǒng)硅材料高，不會(huì)影響導(dǎo)通電阻性能，因此能夠降低導(dǎo)通損耗。種種優(yōu)勢加持下，氮化鎵成為了更好支持電子產(chǎn)品輕量化的關(guān)鍵材料，是目前最具發(fā)展前景的材料。

我國氮化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化日趨完善，多家國內(nèi)企業(yè)已擁有氮化鎵晶圓制造能力。隨著市場資本的不斷涌入，在國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策推動(dòng)下，氮化鎵應(yīng)用領(lǐng)域、市場規(guī)?？焖贁U(kuò)大，國內(nèi)以光電器件、功率器件、射頻器件為主的氮化鎵市場，預(yù)計(jì)2026年市場規(guī)模達(dá)突破千億元，年復(fù)合增長率達(dá)到40.1%。

△圖2：半導(dǎo)體材料物理特性對比。

氮化鎵應(yīng)用

5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅(qū)動(dòng)因素之一，氮化鎵射頻器件主要應(yīng)用于無線通訊，占比到達(dá)49%。氮化鎵材料耐高溫、高壓及承受更大電流的優(yōu)勢使得射頻器件應(yīng)用在5G基站中更加合適。隨著國內(nèi)5G基站覆蓋率不斷上升，對氮化鎵射頻器件需求將更大。

△圖3：氮化鎵應(yīng)用市場分類。

隨著智能終端設(shè)備的不斷普及，設(shè)備的充電技術(shù)與其電池性能成為產(chǎn)品市場競爭主要賣點(diǎn)。行業(yè)一直在努力增加充電器的功率讓充電時(shí)間更短，縮小電源適配器的尺寸使其更加便捷?，F(xiàn)代充電器本身就是“計(jì)算機(jī)”，根據(jù)連接的設(shè)備，可判斷要輸送的電流量，氮化鎵使這個(gè)過程變得更加快捷；與硅充電器相比，氮化鎵可以快速確定要輸送的電流量，并在更長的時(shí)間內(nèi)通過高功率；硅充電器通常體積很大，主要是因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生大量熱量，并且必須將組件放置在一定距離以便更快的冷卻。氮化鎵充電器的尺寸比硅充電器更小巧，可以長時(shí)間提供大電流而不會(huì)過熱。由于以上特性，氮化鎵是充電器和移動(dòng)電源的絕佳材料選擇，智能移動(dòng)設(shè)備的領(lǐng)頭羊——蘋果，也積極向氮化鎵進(jìn)軍。

目前第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)開始在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用，但主要是碳化硅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)落地，氮化鎵在新能源汽車領(lǐng)域的嘗試仍限于起步階段，未來新能源汽車數(shù)量不斷增長，氮化鎵在車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域潛在市場空間巨大。

生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存生存的保障，生活垃圾處理成為世界性難題，使用等離子體氣化技術(shù)處理垃圾經(jīng)濟(jì)環(huán)保，氮化鎵材料可以幫助等離子氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

氮化鎵封裝技術(shù)

對于氮化鎵產(chǎn)品的封裝，主要有4種封裝解決方案。晶體管封裝，在其設(shè)計(jì)中包含一個(gè)或多個(gè)HEMT(High electron mobility transistor)；系統(tǒng)級封裝(SiP)，同一包封體中封裝不同功能的芯片；系統(tǒng)芯片封裝(SoC)，將不同功能芯片通過晶圓級重構(gòu)，在性能上更加突出；模塊化封裝，將多個(gè)功率封裝個(gè)體集成在一個(gè)模塊包中（截至2021年，市場上可供選擇的氮化鎵模塊并不多）。

常見的封裝類型如下：

TO類封裝：

△圖4：晶體管類封裝。

表面貼裝類封裝：

△圖5：QFN、PQFN封裝。

基板類封裝：

△圖6：LGA、BGA封裝。

嵌入式封裝：

△圖7：GaN PXTM嵌入式封裝。

GaN晶圓硬度強(qiáng)、鍍層硬、材質(zhì)脆材質(zhì)特點(diǎn)，與硅晶圓相比在封裝過程中對溫度、封裝應(yīng)力更為敏感，芯片裂紋、界面分層是封裝過程最易出現(xiàn)的問題。同時(shí)，GaN產(chǎn)品的高壓特性，在封裝設(shè)計(jì)過程對爬電距離的設(shè)計(jì)要求也與硅基IC有明顯的差異。

華天科技，作為全球領(lǐng)先的集成電路封測服務(wù)提供商，積極布局第三代半導(dǎo)體封裝技術(shù)研發(fā)，在氮化鎵材質(zhì)封裝領(lǐng)域，通過不斷材料性能研究、試驗(yàn)實(shí)踐，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、過程工藝等不同階段，筑起多維度技術(shù)護(hù)城河，形成成熟、穩(wěn)定、高可靠性的氮化鎵封裝設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，為國內(nèi)外多家客戶提供氮化鎵產(chǎn)品封測業(yè)務(wù)，累計(jì)出貨量超過億顆。

從晶圓材質(zhì)上，目前用于GaN外延生長的襯底材料主要有Si、藍(lán)寶石、SiC、Zn和GaN，其中Si、藍(lán)寶石、SiC三種相對多些，尤其是Si具有成本優(yōu)勢應(yīng)用最廣泛。盡管GaN與Si材料之間的晶格失配和熱失配使得在Si襯底上外延生長高質(zhì)量的GaN材料及其異質(zhì)結(jié)比較困難，但通過運(yùn)用AlGaN緩沖層、AlGaN/GaN或AlN/GaN等超晶結(jié)構(gòu)和低溫AlN插入層等技術(shù)，已經(jīng)能較為有效地控制由晶格及熱失配帶來的外延層中出現(xiàn)的如位錯(cuò)、裂化、晶圓翹曲等問題(說明對溫度比較敏感）。

高性能、高可靠性、低成本是集成電路產(chǎn)品市場核心競爭力，華天科技以框架類封裝為氮化鎵產(chǎn)品突破口，依據(jù)芯片材質(zhì)特性，率先在行業(yè)內(nèi)建立氮化鎵產(chǎn)品封裝工藝標(biāo)準(zhǔn)。建立了氮化鎵產(chǎn)品專用導(dǎo)入流程，保障產(chǎn)品開發(fā)導(dǎo)入一次通過，助力客戶新品快速發(fā)布。產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)動(dòng)，積極探究框架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)差異對芯片性能帶來的提升，模擬驗(yàn)證框架結(jié)構(gòu)、對比驗(yàn)證框架表層處理工藝，從設(shè)計(jì)端提升產(chǎn)品性能、可靠性，優(yōu)化材料成本。

△圖8：氮化鎵封裝產(chǎn)品芯片裂紋示意圖（左圖：Crack，右圖：Normal）。

封裝過程是集成電路質(zhì)量的核心管控要素之一，針對氮化鎵芯片材質(zhì)特征，華天科技對封裝各環(huán)節(jié)進(jìn)行工藝方案及設(shè)備參數(shù)的驗(yàn)證，管控產(chǎn)品研磨過程生產(chǎn)厚度、晶圓切割過程刀具規(guī)格以及進(jìn)刀參數(shù)、封裝材料CTE性能選擇、膠層涂覆厚度、粘接材料烘烤時(shí)間及溫度等措施，均是避免氮化鎵產(chǎn)品質(zhì)量問題的核心。

△圖9：HT-tech 氮化鎵封裝可靠性例行監(jiān)控掃描圖。

芯片裂紋是氮化鎵產(chǎn)品封裝最常見的失效現(xiàn)象，如何快速、準(zhǔn)確的識別剔除異常產(chǎn)品，是提高產(chǎn)品封測良率、保障產(chǎn)品正常使用的保障。華天科技率先制定氮化鎵產(chǎn)品裂紋、分層檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，投入 SAM、AVI 等高精度、自動(dòng)化設(shè)備，確保異常產(chǎn)品不流通、不外溢。

△圖10：HT-tech 氮化鎵封裝產(chǎn)品示意圖。

在氮化鎵芯片封裝量產(chǎn)過程中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)不斷探究積累，解決了 GaN 材料在封裝過程中極易產(chǎn)生的芯片裂化等關(guān)鍵性技術(shù)，總結(jié)制定出 GaN-on-Si 產(chǎn)品Creepage distances（爬電距離）的 Design rule。GaN-on-Si 產(chǎn) 品封裝工藝關(guān)鍵制程技術(shù)（重點(diǎn)解決 GaN 材料在封裝過程中芯片裂紋質(zhì)量異常）的突破并用于量產(chǎn)，通過產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)，率先在行業(yè)內(nèi)量產(chǎn)封裝 8inch GaN-on-Si wafer。

以客戶為中心，以市場為導(dǎo)向。面對競爭激烈的氮化鎵市場以及多樣化的客戶需求，在公司的全力支持下，在無數(shù)華天人的不懈奮斗下，在科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)思路指導(dǎo)下，借助自身完善的模擬仿真、設(shè)計(jì)能力，不斷優(yōu)化材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夯實(shí)制程能力（減薄、激光開槽、機(jī)械劃片、芯片粘接、過程烘烤等）、總結(jié) DOE（DESIGN OF EXPERIMENT）結(jié)果，確保每一顆產(chǎn)品可靠性。集成電路封測 Turnkey 業(yè)務(wù)模式，極大縮短了客戶新品發(fā)布周期，助力國內(nèi)外氮化鎵廠商產(chǎn)品迭代更新，在激烈的市場競爭中占得先機(jī)。

關(guān)于華天科技

華天科技（母公司天水華天科技股份有限公司）成立于 2003 年（深交所股票代碼 ：002185），主要從事半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體元器件的封裝測試業(yè)務(wù)，包含 ：封裝設(shè)計(jì)、封裝仿真、引線框封裝、基板封裝、晶圓級封裝、晶圓測試及功能測試、物流配送等一站式服務(wù)。作為全球半導(dǎo)體封測知名企業(yè)，華天科技憑借先進(jìn)的技術(shù)能力，智能化生產(chǎn)系統(tǒng)和質(zhì)量把控，企業(yè)營收位居國內(nèi)同行上市公司第三位，全球集成電路封裝行業(yè)排名第六位。

2023首場晶芯研討會(huì)

誠邀各企業(yè)參與2023年2月23日，晶芯研討會(huì)開年首場會(huì)議將以“先進(jìn)封裝與鍵合技術(shù)駛?cè)氚l(fā)展快車道”為主題，邀請產(chǎn)業(yè)鏈代表領(lǐng)袖和專家，從先進(jìn)封裝、鍵合設(shè)備、材料、工藝技術(shù)等多角度，探討先進(jìn)封裝與鍵合工藝技術(shù)等解決方案。點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)報(bào)名鏈接：http://w.lwc.cn/s/VnuEjy

審核編輯黃宇