隨著科技的不斷進步，電子設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)半導體材料如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)逐漸成為研究和應用的重點。

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

電力半導體市場與寬禁帶材料

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

碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是寬禁帶(WBG)半導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)比傳統硅材料更寬，這使它們在高功率密度和更高頻率的應用中具有優越的性能。半導體公司目前正在開發必要的工藝、材料和封裝解決方案，以滿足不斷變化的寬禁帶電力半導體市場需求。

根據專業人士的說法，SiC和GaN電力器件在材料科學和封裝技術方面面臨四個主要挑戰：熱管理、電氣性能、可靠性、成本和可擴展性。

一個關鍵挑戰是熱管理，尤其是對于GaN而言，它的熱導率較低。這需要通過適應熱界面材料(TIMs)和改善封裝組裝過程中的沉積工藝來實現有效的熱散熱。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(CTE)可能會導致機械應力，從而影響模塊在溫度循環過程中的可靠性?！?/p>

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

可靠性也是一個關注點。為了防止在可靠性測試中出現退化，這直接影響產品的生命周期，封裝中需要進行表面鈍化和使用粘附促進劑。最后，成本和可擴展性也構成挑戰。由于汽車制造商通常會提出定制模塊設計，因此材料的規模經濟變得困難。此外，缺乏這些模塊的標準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、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的半導體器件，提升了電力電子系統的性能。它們利用碳化硅的優越特性，包括更高的熱導率、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、可再生能源系統和工業設備，能夠減少能量損失、提高功率密度和改進系統效率。

GaN電力模塊則代表了尖端半導體器件，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硅基模塊更高的效率工作。這轉化為減少能量損失、提高開關速度，并開發出更小、更輕的電力系統。GaN電力模塊在快速充電器、數據中心、電動汽車和可再生能源系統等應用中具有特別的優勢，有助于提高功率密度、能效和整體系統性能。

根據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。

材料特性與應用要求

電壓與溫度：SiC在高電壓(超過600V)和高溫環境中表現優異，得益于其寬禁帶和優越的熱導率。這使其非常適合用于電動汽車逆變器、工業電動機驅動和數據中心、航空航天應用中對可靠性要求嚴格的電源。

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

成熟度與成本

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

成本與可擴展性：GaN通常被認為比SiC便宜，且持續的發展工作正在推動這一技術向更高電壓應用邁進。此外，GaN在可擴展性方面表現更佳，因此對成本效益關注的重要應用場景非常吸引。

WBG半導體的測試解決方案

在WBG半導體的開發過程中，測試是確保其性能和可靠性的關鍵環節。以下是常用的測試解決方案：

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

動態參數測試：包括對開關損耗、導通電阻等動態特性的測量，以評估其在快速開關條件下的表現。

熱分析：通過熱成像技術監測器件的溫度變化，評估熱管理設計的有效性。

EMI測試：評估器件在實際應用中可能引發的電磁干擾，確保符合相關標準。

未來展望

半導體公司一直在努力滿足電力半導體市場(包括SiC和GaN等寬禁帶半導體)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，考慮新興技術和材料進步對SiC和GaN電力模塊的影響至關重要。

隨著WBG半導體技術的不斷成熟，其封裝與測試技術也將不斷發展。未來的趨勢可能包括：

智能化測試：通過人工智能(AI)技術，實現自動化測試和數據分析，提高測試效率和準確性。

新材料應用：探索更高導熱性和電氣絕緣性的封裝材料，以進一步提高WBG器件的性能。

標準化與模塊化設計：推動WBG器件和封裝的標準化和模塊化，以加速市場推廣和應用。

潛在的技術顛覆

混合模塊(IGBT/SiC，SiC/GaN)：將互補的寬禁帶材料(如IGBT與SiC或SiC與GaN)結合起來，可能帶來性能優勢。分析此類混合模塊的可行性和集成挑戰對Carsem而言至關重要。

熱界面材料和高熱導率模具化合物：SiC和GaN器件會產生顯著的熱量，需要有效的熱散熱。探索先進的熱界面材料和高熱導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，可以帶來潛在的尺寸和性能優勢。Carsem在無源器件集成方面已有超過10年的經驗，使公司能夠很好地利用這一趨勢。

戰略方法

SiC晶圓：采用更大直徑的SiC晶圓(200mm)可以提高性價比和產量。調查轉換至200mm SiC晶圓的挑戰和機遇對Carsem未來的競爭力至關重要。

提高SiC晶圓的切割產量：SiC晶圓切割因材料硬度而面臨獨特挑戰。開發技術以提高產量同時保持切割質量，對于確保SiC電力器件的有效生產至關重要。

寬禁帶半導體在現代電子技術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，但通過不斷的技術創新和優化，WBG半導體的應用前景非常廣闊。