宽禁带(WBG)半导体封装与测试解决方案

随着科技的不断进步，电子设备对性能和效率的要求日益提高，为了满足这些需求，宽禁带(Wide Bandgap, WBG)半导体材料如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)逐渐成为研究和应用的重点。

 

这些材料不仅具备较高的击穿电压和热导率，还能在高温、高频及高功率环境下稳定工作。然而，WBG半导体的封装和测试面临着一系列挑战。

 

电力半导体市场与宽禁带材料

 

全球电力半导体市场包括离散元件、模块和集成电路，服务于汽车、工业和消费电子领域。为了抓住电气化趋势，越来越多半导体公司专注于快速增长的电动汽车(EV)和可再生能源产品领域。

 

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是宽禁带(WBG)半导体中最常用的两种材料。SiC和GaN的带隙(分别为3.3 eV和3.4 eV)比传统硅材料更宽，这使它们在高功率密度和更高频率的应用中具有优越的性能。半导体公司目前正在开发必要的工艺、材料和封装解决方案，以满足不断变化的宽禁带电力半导体市场需求。

 

根据专业人士的说法，SiC和GaN电力器件在材料科学和封装技术方面面临四个主要挑战：热管理、电气性能、可靠性、成本和可扩展性。

 

一个关键挑战是热管理，尤其是对于GaN而言，它的热导率较低。这需要通过适应热界面材料(TIMs)和改善封装组装过程中的沉积工艺来实现有效的热散热。此外，材料和封装材料(如基板、模具化合物、互连和晶片粘附材料)之间的不同热膨胀系数(CTE)可能会导致机械应力，从而影响模块在温度循环过程中的可靠性。”

 

另一个挑战是电气性能，特别是在高压应用中。这需要选择能够承受强电场的材料，例如具有高比较跟踪指数(CTI)的模具化合物。此外，更快的开关速度需要新的、具有成本效益的互连技术，以减少寄生电感。

 

可靠性也是一个关注点。为了防止在可靠性测试中出现退化，这直接影响产品的生命周期，封装中需要进行表面钝化和使用粘附促进剂。最后，成本和可扩展性也构成挑战。由于汽车制造商通常会提出定制模块设计，因此材料的规模经济变得困难。此外，缺乏这些模块的标准化封装也阻碍了其采用和集成。

 

下图展示了Carsem提供的SiC测试解决方案：晶圆级测试、芯片探测、晶圆级烧机、已知良片及晶圆分选。

 

SiC和GaN电力模块

 

SiC电力模块代表了先进的半导体器件，提升了电力电子系统的性能。它们利用碳化硅的优越特性，包括更高的热导率、更高的能效以及能够在比基于硅的解决方案更高的电压和温度下运行。这些特性使SiC电力模块非常适合用于电动汽车、可再生能源系统和工业设备，能够减少能量损失、提高功率密度和改进系统效率。

 

GaN电力模块则代表了尖端半导体器件，在电力电子中提供了显著的性能提升。氮化镓的特性使得这些模块能够在更高频率、电压和温度下以比传统硅基模块更高的效率工作。这转化为减少能量损失、提高开关速度，并开发出更小、更轻的电力系统。GaN电力模块在快速充电器、数据中心、电动汽车和可再生能源系统等应用中具有特别的优势，有助于提高功率密度、能效和整体系统性能。

 

根据Singh的说法，虽然客户偏好(集成器件制造商或无厂商公司)最终决定了他们特定产品的选择，但以下因素为明智决策提供了框架。

 

材料特性与应用要求

 

电压与温度：SiC在高电压(超过600V)和高温环境中表现优异，得益于其宽禁带和优越的热导率。这使其非常适合用于电动汽车逆变器、工业电动机驱动和数据中心、航空航天应用中对可靠性要求严格的电源。

 

开关速度：GaN具有更高的电子迁移率，转化为更快的开关速度。这一特性在需要高频操作的应用中尤为有利，例如快速充电器、电源适配器和DC-DC变换器。然而，SiC在适用中等开关速度的应用中也越来越多，因为其其他特性提供了显著的优势。

 

成熟度与成本

 

制造成熟度：与GaN相比，SiC技术拥有更成熟的大规模制造基础。这意味着更高的可用性和潜在的更低成本。

 

成本与可扩展性：GaN通常被认为比SiC便宜，且持续的发展工作正在推动这一技术向更高电压应用迈进。此外，GaN在可扩展性方面表现更佳，因此对成本效益关注的重要应用场景非常吸引。

 

WBG半导体的测试解决方案

 

在WBG半导体的开发过程中，测试是确保其性能和可靠性的关键环节。以下是常用的测试解决方案：

 

高温高压(HHTP)测试：模拟实际工作环境，评估WBG器件在极端条件下的性能和稳定性。

动态参数测试：包括对开关损耗、导通电阻等动态特性的测量，以评估其在快速开关条件下的表现。

热分析：通过热成像技术监测器件的温度变化，评估热管理设计的有效性。

EMI测试：评估器件在实际应用中可能引发的电磁干扰，确保符合相关标准。

未来展望

 

半导体公司一直在努力满足电力半导体市场(包括SiC和GaN等宽禁带半导体)在工艺、材料和封装方面的所有基本要求。然而，为了在未来几年保持这一地位，考虑新兴技术和材料进步对SiC和GaN电力模块的影响至关重要。

 

随着WBG半导体技术的不断成熟，其封装与测试技术也将不断发展。未来的趋势可能包括：

 

智能化测试：通过人工智能(AI)技术，实现自动化测试和数据分析，提高测试效率和准确性。

新材料应用：探索更高导热性和电气绝缘性的封装材料，以进一步提高WBG器件的性能。

标准化与模块化设计：推动WBG器件和封装的标准化和模块化，以加速市场推广和应用。

 

潜在的技术颠覆

 

混合模块(IGBT/SiC，SiC/GaN)：将互补的宽禁带材料(如IGBT与SiC或SiC与GaN)结合起来，可能带来性能优势。分析此类混合模块的可行性和集成挑战对Carsem而言至关重要。

 

热界面材料和高热导率模具化合物：SiC和GaN器件会产生显著的热量，需要有效的热散热。探索先进的热界面材料和高热导率的模具化合物将对提升封装性能尤为重要，特别是对GaN电力模块。

 

无源器件的单片集成：将无源元件(电容器和电感器)直接集成在电力模块封装内，可以带来潜在的尺寸和性能优势。Carsem在无源器件集成方面已有超过10年的经验，使公司能够很好地利用这一趋势。

 

战略方法

 

SiC晶圆：采用更大直径的SiC晶圆(200mm)可以提高性价比和产量。调查转换至200mm SiC晶圆的挑战和机遇对Carsem未来的竞争力至关重要。

 

提高SiC晶圆的切割产量：SiC晶圆切割因材料硬度而面临独特挑战。开发技术以提高产量同时保持切割质量，对于确保SiC电力器件的有效生产至关重要。

 

宽禁带半导体在现代电子技术中扮演着越来越重要的角色。尽管在封装与测试过程中面临诸多挑战，但通过不断的技术创新和优化，WBG半导体的应用前景非常广阔。