寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體封裝與測試解決方案

隨著科技的不斷進(jìn)步，電子設(shè)備對性能和效率的要求日益提高，為了滿足這些需求，寬禁帶(Wide Bandgap, WBG)半導(dǎo)體材料如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)逐漸成為研究和應(yīng)用的重點。

這些材料不僅具備較高的擊穿電壓和熱導(dǎo)率，還能在高溫、高頻及高功率環(huán)境下穩(wěn)定工作。然而，WBG半導(dǎo)體的封裝和測試面臨著一系列挑戰(zhàn)。

電力半導(dǎo)體市場與寬禁帶材料

全球電力半導(dǎo)體市場包括離散元件、模塊和集成電路，服務(wù)于汽車、工業(yè)和消費電子領(lǐng)域。為了抓住電氣化趨勢，越來越多半導(dǎo)體公司專注于快速增長的電動汽車(EV)和可再生能源產(chǎn)品領(lǐng)域。

碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體中最常用的兩種材料。SiC和GaN的帶隙(分別為3.3 eV和3.4 eV)比傳統(tǒng)硅材料更寬，這使它們在高功率密度和更高頻率的應(yīng)用中具有優(yōu)越的性能。半導(dǎo)體公司目前正在開發(fā)必要的工藝、材料和封裝解決方案，以滿足不斷變化的寬禁帶電力半導(dǎo)體市場需求。

根據(jù)專業(yè)人士的說法，SiC和GaN電力器件在材料科學(xué)和封裝技術(shù)方面面臨四個主要挑戰(zhàn)：熱管理、電氣性能、可靠性、成本和可擴(kuò)展性。

一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是熱管理，尤其是對于GaN而言，它的熱導(dǎo)率較低。這需要通過適應(yīng)熱界面材料(TIMs)和改善封裝組裝過程中的沉積工藝來實現(xiàn)有效的熱散熱。此外，材料和封裝材料(如基板、模具化合物、互連和晶片粘附材料)之間的不同熱膨脹系數(shù)(CTE)可能會導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，從而影響模塊在溫度循環(huán)過程中的可靠性。”

另一個挑戰(zhàn)是電氣性能，特別是在高壓應(yīng)用中。這需要選擇能夠承受強(qiáng)電場的材料，例如具有高比較跟蹤指數(shù)(CTI)的模具化合物。此外，更快的開關(guān)速度需要新的、具有成本效益的互連技術(shù)，以減少寄生電感。

可靠性也是一個關(guān)注點。為了防止在可靠性測試中出現(xiàn)退化，這直接影響產(chǎn)品的生命周期，封裝中需要進(jìn)行表面鈍化和使用粘附促進(jìn)劑。最后，成本和可擴(kuò)展性也構(gòu)成挑戰(zhàn)。由于汽車制造商通常會提出定制模塊設(shè)計，因此材料的規(guī)模經(jīng)濟(jì)變得困難。此外，缺乏這些模塊的標(biāo)準(zhǔn)化封裝也阻礙了其采用和集成。

下圖展示了Carsem提供的SiC測試解決方案：晶圓級測試、芯片探測、晶圓級燒機(jī)、已知良片及晶圓分選。

SiC和GaN電力模塊

SiC電力模塊代表了先進(jìn)的半導(dǎo)體器件，提升了電力電子系統(tǒng)的性能。它們利用碳化硅的優(yōu)越特性，包括更高的熱導(dǎo)率、更高的能效以及能夠在比基于硅的解決方案更高的電壓和溫度下運行。這些特性使SiC電力模塊非常適合用于電動汽車、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備，能夠減少能量損失、提高功率密度和改進(jìn)系統(tǒng)效率。

GaN電力模塊則代表了尖端半導(dǎo)體器件，在電力電子中提供了顯著的性能提升。氮化鎵的特性使得這些模塊能夠在更高頻率、電壓和溫度下以比傳統(tǒng)硅基模塊更高的效率工作。這轉(zhuǎn)化為減少能量損失、提高開關(guān)速度，并開發(fā)出更小、更輕的電力系統(tǒng)。GaN電力模塊在快速充電器、數(shù)據(jù)中心、電動汽車和可再生能源系統(tǒng)等應(yīng)用中具有特別的優(yōu)勢，有助于提高功率密度、能效和整體系統(tǒng)性能。

根據(jù)Singh的說法，雖然客戶偏好(集成器件制造商或無廠商公司)最終決定了他們特定產(chǎn)品的選擇，但以下因素為明智決策提供了框架。

材料特性與應(yīng)用要求

電壓與溫度：SiC在高電壓(超過600V)和高溫環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異，得益于其寬禁帶和優(yōu)越的熱導(dǎo)率。這使其非常適合用于電動汽車逆變器、工業(yè)電動機(jī)驅(qū)動和數(shù)據(jù)中心、航空航天應(yīng)用中對可靠性要求嚴(yán)格的電源。

開關(guān)速度：GaN具有更高的電子遷移率，轉(zhuǎn)化為更快的開關(guān)速度。這一特性在需要高頻操作的應(yīng)用中尤為有利，例如快速充電器、電源適配器和DC-DC變換器。然而，SiC在適用中等開關(guān)速度的應(yīng)用中也越來越多，因為其其他特性提供了顯著的優(yōu)勢。

成熟度與成本

制造成熟度：與GaN相比，SiC技術(shù)擁有更成熟的大規(guī)模制造基礎(chǔ)。這意味著更高的可用性和潛在的更低成本。

成本與可擴(kuò)展性：GaN通常被認(rèn)為比SiC便宜，且持續(xù)的發(fā)展工作正在推動這一技術(shù)向更高電壓應(yīng)用邁進(jìn)。此外，GaN在可擴(kuò)展性方面表現(xiàn)更佳，因此對成本效益關(guān)注的重要應(yīng)用場景非常吸引。

WBG半導(dǎo)體的測試解決方案

在WBG半導(dǎo)體的開發(fā)過程中，測試是確保其性能和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以下是常用的測試解決方案：

高溫高壓(HHTP)測試：模擬實際工作環(huán)境，評估WBG器件在極端條件下的性能和穩(wěn)定性。

動態(tài)參數(shù)測試：包括對開關(guān)損耗、導(dǎo)通電阻等動態(tài)特性的測量，以評估其在快速開關(guān)條件下的表現(xiàn)。

熱分析：通過熱成像技術(shù)監(jiān)測器件的溫度變化，評估熱管理設(shè)計的有效性。

EMI測試：評估器件在實際應(yīng)用中可能引發(fā)的電磁干擾，確保符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

未來展望

半導(dǎo)體公司一直在努力滿足電力半導(dǎo)體市場(包括SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體)在工藝、材料和封裝方面的所有基本要求。然而，為了在未來幾年保持這一地位，考慮新興技術(shù)和材料進(jìn)步對SiC和GaN電力模塊的影響至關(guān)重要。

隨著WBG半導(dǎo)體技術(shù)的不斷成熟，其封裝與測試技術(shù)也將不斷發(fā)展。未來的趨勢可能包括：

智能化測試：通過人工智能(AI)技術(shù)，實現(xiàn)自動化測試和數(shù)據(jù)分析，提高測試效率和準(zhǔn)確性。

新材料應(yīng)用：探索更高導(dǎo)熱性和電氣絕緣性的封裝材料，以進(jìn)一步提高WBG器件的性能。

標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計：推動WBG器件和封裝的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，以加速市場推廣和應(yīng)用。

潛在的技術(shù)顛覆

混合模塊(IGBT/SiC，SiC/GaN)：將互補(bǔ)的寬禁帶材料(如IGBT與SiC或SiC與GaN)結(jié)合起來，可能帶來性能優(yōu)勢。分析此類混合模塊的可行性和集成挑戰(zhàn)對Carsem而言至關(guān)重要。

熱界面材料和高熱導(dǎo)率模具化合物：SiC和GaN器件會產(chǎn)生顯著的熱量，需要有效的熱散熱。探索先進(jìn)的熱界面材料和高熱導(dǎo)率的模具化合物將對提升封裝性能尤為重要，特別是對GaN電力模塊。

無源器件的單片集成：將無源元件(電容器和電感器)直接集成在電力模塊封裝內(nèi)，可以帶來潛在的尺寸和性能優(yōu)勢。Carsem在無源器件集成方面已有超過10年的經(jīng)驗，使公司能夠很好地利用這一趨勢。

戰(zhàn)略方法

SiC晶圓：采用更大直徑的SiC晶圓(200mm)可以提高性價比和產(chǎn)量。調(diào)查轉(zhuǎn)換至200mm SiC晶圓的挑戰(zhàn)和機(jī)遇對Carsem未來的競爭力至關(guān)重要。

提高SiC晶圓的切割產(chǎn)量：SiC晶圓切割因材料硬度而面臨獨特挑戰(zhàn)。開發(fā)技術(shù)以提高產(chǎn)量同時保持切割質(zhì)量，對于確保SiC電力器件的有效生產(chǎn)至關(guān)重要。

寬禁帶半導(dǎo)體在現(xiàn)代電子技術(shù)中扮演著越來越重要的角色。盡管在封裝與測試過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，但通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，WBG半導(dǎo)體的應(yīng)用前景非常廣闊。