隨著科技的不斷進(jìn)步，電子設(shè)備對(duì)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(diǎn)。

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(fèi)電子領(lǐng)域。為了抓住電氣化趨勢(shì)，越來越多半導(dǎo)體公司專注于快速增長的電動(dòng)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?cè)诟吖β拭芏群透哳l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(gè)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(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是熱管理，尤其是對(duì)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(shí)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(huì)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?！?/p>

另一個(gè)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(gè)關(guān)注點(diǎn)。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(huì)提出定制模塊設(shè)計(jì)，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(jí)測試、芯片探測、晶圓級(jí)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(yùn)行。這些特性使SiC電力模塊非常適合用于電動(dòng)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(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)等應(yīng)用中具有特別的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)汽車逆變器、工業(yè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)中心、航空航天應(yīng)用中對(duì)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?yàn)槠淦渌匦蕴峁┝孙@著的優(yōu)勢(shì)。

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(dòng)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(duì)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(shí)際工作環(huán)境，評(píng)估WBG器件在極端條件下的性能和穩(wěn)定性。

動(dòng)態(tài)參數(shù)測試：包括對(duì)開關(guān)損耗、導(dǎo)通電阻等動(dòng)態(tài)特性的測量，以評(píng)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(píng)估熱管理設(shè)計(jì)的有效性。

EMI測試：評(píng)估器件在實(shí)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(duì)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(shì)可能包括：

智能化測試：通過人工智能(AI)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)：推動(dòng)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(shì)。分析此類混合模塊的可行性和集成挑戰(zhàn)對(duì)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(huì)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(duì)提升封裝性能尤為重要，特別是對(duì)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(shì)。Carsem在無源器件集成方面已有超過10年的經(jīng)驗(yàn)，使公司能夠很好地利用這一趨勢(shì)。

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(jià)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(duì)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(dú)特挑戰(zhàn)。開發(fā)技術(shù)以提高產(chǎn)量同時(shí)保持切割質(zhì)量，對(duì)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。