寬帶隙半導(dǎo)體組裝和測(cè)試解決方案

全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)包括分立元件、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。為了利用電氣化趨勢(shì)，Carsem 密切關(guān)注日益增長的電動(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) 是寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體中最常用的兩種材料。SiC 和 GaN 的帶隙比傳統(tǒng)硅更寬(分別為 3.3eV 和 3.4eV)，這使其在高功率密度和更高頻率的應(yīng)用中具有出色的性能。Carsem 目前正致力于開發(fā)必要的工藝、材料和封裝解決方案，以滿足 WBG 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)不斷變化的需求。

Inderjeet Singh 表示，SiC 和 GaN 功率器件在材料科學(xué)和封裝技術(shù)方面面臨四大挑戰(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)于導(dǎo)熱性較低的 GaN 而言。這需要通過采用熱界面材料 (TIM) 和改進(jìn)封裝組裝過程中的沉積工藝來實(shí)現(xiàn)高效散熱。此外，材料和封裝材料(如基板、模塑化合物、互連和芯片粘接材料)之間的不同熱膨脹系數(shù) (CTE) 會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力，從而影響溫度循環(huán)期間模塊的可靠性”，Singh 說道。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是電氣性能，特別是對(duì)于高壓應(yīng)用。這需要選擇能夠承受強(qiáng)電場(chǎng)的材料，例如具有高相對(duì)跟蹤指數(shù) (CTI) 的模塑化合物。此外，更快的開關(guān)速度需要新的、經(jīng)濟(jì)高效的互連技術(shù)來最大限度地減少寄生電感。

可靠性也是一個(gè)問題。為了防止可靠性在 產(chǎn)品生命周期內(nèi)下降，封裝內(nèi)需要表面鈍化和粘合促進(jìn)劑。最后，成本和可擴(kuò)展性帶來了挑戰(zhàn)。由于汽車制造商通常采用定制模塊設(shè)計(jì)，因此實(shí)現(xiàn)材料規(guī)模經(jīng)濟(jì)變得困難。此外，這些模塊缺乏標(biāo)準(zhǔn)化封裝，阻礙了它們的采用和集成。

SiC 和 GaN 功率模塊

SiC 功率模塊是先進(jìn)的半導(dǎo)體器件，可提高電力電子系統(tǒng)的性能。它們利用碳化硅的優(yōu)越屬性，包括更高的導(dǎo)熱性、更高的能源效率以及與硅基解決方案相比在更高電壓和溫度下運(yùn)行的能力。這些特性使 SiC 功率模塊成為電動(dòng)汽車、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備的理想選擇，有助于最大限度地減少能源損失、提高功率密度和提高系統(tǒng)效率。

GaN 電源模塊代表了尖端半導(dǎo)體器件，可為電力電子提供顯著的性能提升。氮化鎵的特性使這些模塊能夠在更高的頻率、電壓和溫度下以比傳統(tǒng)硅基模塊更高的效率運(yùn)行。這意味著最大限度地減少能量損失、加快開關(guān)速度，并開發(fā)更小、更輕的電源系統(tǒng)。GaN 電源模塊在快速充電器、數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)等應(yīng)用中具有特殊優(yōu)勢(shì)，有助于提高功率密度、效率和整體系統(tǒng)性能。

Singh 表示，雖然客戶偏好(集成設(shè)備制造商或無晶圓廠公司)最終決定了他們特定產(chǎn)品的選擇，但以下因素為明智的決策提供了框架。

材料特性及應(yīng)用要求

· 電壓和溫度：由于 SiC 具有寬帶隙和優(yōu)異的熱導(dǎo)率，因此在高壓(600V 以上)和高溫環(huán)境中表現(xiàn)出色。這使其成為電動(dòng)汽車逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源等應(yīng)用的理想選擇，這些應(yīng)用適用于數(shù)據(jù)中心、航空航天和軍事應(yīng)用等要求嚴(yán)苛的環(huán)境中，在這些環(huán)境中，惡劣條件下的可靠性至關(guān)重要。

· 開關(guān)速度：GaN 擁有更高的電子遷移率，這意味著更快的開關(guān)速度。這一特性在需要高頻操作的應(yīng)用中非常有利，例如快速充電器、電源適配器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。然而，SiC 在可接受中等開關(guān)速度的應(yīng)用中越來越受歡迎，因?yàn)樗钠渌匦砸矌砹孙@著的優(yōu)勢(shì)。

成熟度和成本

· 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)。這意味著可用性更高，成本更低。

· 成本和可擴(kuò)展性：GaN 通常被認(rèn)為比 SiC 更便宜，而且持續(xù)的開發(fā)工作正在推動(dòng)該技術(shù)向更高電壓應(yīng)用發(fā)展。此外，GaN 還具有更好的可擴(kuò)展性，因此對(duì)于成本效益至關(guān)重要的應(yīng)用來說，它具有吸引力。

為汽車行業(yè)提供技術(shù)助力

Carsem 對(duì)汽車行業(yè)的承諾通過其 TUV16949 認(rèn)證可見一斑。該認(rèn)證表明該公司已滿足 TUV16949 標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，該標(biāo)準(zhǔn)是專為開發(fā)汽車行業(yè)量身定制的質(zhì)量管理體系而設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范。

針對(duì)符合更嚴(yán)格的 AEC-Q100 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，還采用了額外的質(zhì)量控制措施，這些措施超越了傳統(tǒng)商用設(shè)備的要求。

“對(duì)于符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的 IC，Carsem 在后模固化階段后實(shí)施熱循環(huán)。此外，整個(gè)組裝過程中的所有檢查門都經(jīng)過 100% 自動(dòng)光學(xué)檢查 (AOI)。最后，設(shè)備要經(jīng)過溫度測(cè)試，直到它們?cè)诜庋b或產(chǎn)品層面出現(xiàn)故障”，Singh 說道。

他隨后補(bǔ)充道：“對(duì)于符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的分立半導(dǎo)體，Carsem 將晶圓級(jí)老化與前面提到的后模固化后的熱循環(huán)、所有裝配檢查門的 100% AOI 以及溫度測(cè)試結(jié)合起來，直到封裝或產(chǎn)品失效”。

展望未來

Carsem 一直致力于滿足功率半導(dǎo)體市場(chǎng)在工藝、材料和封裝方面的所有基本要求，其中包括 SiC 和 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體。然而，為了在未來幾年保持這一地位，必須考慮新興技術(shù)和材料進(jìn)步對(duì) SiC 和 GaN 功率模塊的影響。

據(jù) Singh 介紹，Carsem 重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：技術(shù)顛覆和戰(zhàn)略方針。

潛在的技術(shù)中斷

· 混合模塊(IGBT/SiC、SiC/GaN)：IGBT 與 SiC 或 SiC 與 GaN 等互補(bǔ) WBG 材料的集成具有潛在的性能優(yōu)勢(shì)。分析此類混合模塊的可行性和集成挑戰(zhàn)對(duì)于 Carsem 來說至關(guān)重要。

· 熱界面材料和導(dǎo)熱系數(shù)更高的模具材料：SiC 和 GaN 器件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要高效的散熱。探索先進(jìn)的熱界面材料和導(dǎo)熱系數(shù)更高的模具材料對(duì)于提高封裝性能至關(guān)重要，尤其是對(duì)于 GaN 功率模塊。

· 無源器件單片集成：將無源器件(電容器和電感器)直接集成在電源模塊封裝內(nèi)，具有潛在的尺寸和性能優(yōu)勢(shì)。Carsem 在集成無源器件方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)(超過 10 年)，這使該公司能夠充分利用這一趨勢(shì)。

Carsem 的戰(zhàn)略方針

· SiC 晶片：采用更大直徑的 SiC 晶片(200 毫米)可以提高成本效益和產(chǎn)量。研究向 200 毫米 SiC 晶片過渡所帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇對(duì)于 Carsem 未來的競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。

· 提高 SiC 晶圓的切割產(chǎn)量：由于材料的硬度，SiC 晶圓的切割面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。開發(fā)能夠提高產(chǎn)量同時(shí)保持切割質(zhì)量的技術(shù)對(duì)于確保高效生產(chǎn) SiC 功率器件至關(guān)重要。

通過積極應(yīng)對(duì)這些潛在的干擾并在這些領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略投資，Carsem 旨在鞏固其在組裝封裝和測(cè)試領(lǐng)域的 WBG 創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。