高新技術(shù)企業(yè)
氮化鎵未來十年的工作重點(diǎn)
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
對于任何半導(dǎo)體來說，封裝對于電氣隔離、產(chǎn)品穩(wěn)健性和熱管理都很重要。尤其是對于功率半導(dǎo)體來說，這是至關(guān)重要的。
隨著向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬帶隙(WBG)材料的轉(zhuǎn)變，這些材料實(shí)現(xiàn)的更高電流密度和開關(guān)速度帶來了更嚴(yán)格的封裝要求。
在處理GaN時(shí)，與硅(Si)相比，還有兩個(gè)額外的考慮因素可以優(yōu)化器件性能。
通過GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣(2DEG)通道實(shí)現(xiàn)GaN的快速切換潛力。
GaN的導(dǎo)熱性比較差。（在300K時(shí)約為1.3W/cm.K，而硅的1.49W/cm.K和碳化硅的3.7W/cm.K）
假設(shè)體熱導(dǎo)率并不明顯低于硅，但請記住更高的電流密度——它僅限于異質(zhì)結(jié)周圍的一個(gè)小區(qū)域。
盡管并不理想，但傳統(tǒng)的Si封裝可以并且已經(jīng)用于封裝GaN等WBG器件。TO-247封裝通常用于硅(Si)功率MOSFET和IGBT，其中die底部（即漏極或集電極觸點(diǎn)）直接接合到銅引線框架。在應(yīng)用中使用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)做法是使用通孔開口將其直接安裝到散熱器上。
這個(gè)想法相當(dāng)好地轉(zhuǎn)移到了SiCMOSFET，它們與Si對應(yīng)物具有相似的結(jié)構(gòu)。然而，今天的GaN器件采用橫向設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)僅限于芯片頂部。這意味著失去了大部分冷卻效益。橫向GaN結(jié)構(gòu)帶來的另一個(gè)挑戰(zhàn)是布局相關(guān)。所有三個(gè)器件端子（柵極、源極和漏極）都需要焊盤和相關(guān)的鍵合線以某種方式安裝在芯片周圍。
使用GaN的一個(gè)主要賣點(diǎn)是能夠縮小產(chǎn)品尺寸。因此，對于分立TO-247封裝中的Si功率FET，相同的電壓和電流額定GaN對應(yīng)物可以封裝在表面貼裝QFN型封裝中。
不幸的是，從熱管理的角度來看，這使得事情更具挑戰(zhàn)性。請記住，更高的電流密度將需要更嚴(yán)格的封裝解決方案——QFN中更小的芯片需要更多的熱管理而不是更少。今天，一些制造商已經(jīng)開始調(diào)整這些封裝以適應(yīng)他們的應(yīng)用。
例如，參見NavitasNV6128，這是一款單片集成GaNIC，適合QFN封裝的多個(gè)輸出端口。如下圖所示，可以看到帶有端口注釋的封裝底部。GaNdie位于冷卻墊“CP”頂部的一側(cè)。這對于這個(gè)設(shè)備來說顯然已經(jīng)足夠了；盡管有趣的是，對于Navitas最近宣布的帶有“GaNSense”的第三代GaN，他們將重點(diǎn)放在了用于檢測和控制工作溫度的控制電路上。
其他制造商已開始關(guān)注GaN特定封裝解決方案。例如，GaNSystems有幾個(gè)封裝，其中嵌入了芯片。如下圖中的GS61008P橫截面圖。銅柱通過封裝通孔直接連接到管芯的頂部和底部，然后將它們連接到散熱器。
GaN的另一個(gè)考慮因素是什么——優(yōu)化開關(guān)性能？最小化封裝寄生元件是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。EPC采用基本無封裝或“晶圓級”封裝的激進(jìn)方法。這本質(zhì)上只是一個(gè)帶有焊料凸塊/焊條的鈍化芯片，用于直接連接到PC（參見下圖）。由于缺少相關(guān)的鍵合線，寄生電感被最小化，接口的熱阻源也被最小化，因?yàn)槔碚撋闲酒旧砜梢灾苯渔I合到散熱器。然而，電路設(shè)計(jì)人員在芯片貼裝時(shí)需要注意和可能的特殊條件。EPC最近打破了這一傳統(tǒng)，推出了一款封裝器件EPC2302.這種頂部暴露的情況似乎是晶圓規(guī)模和嵌入式芯片之間的某種折衷方案。
另一種降低電感的方法來自Nexperia的“銅夾”設(shè)計(jì)。他們最小化寄生電感的想法再次是通過移除鍵合線。如下圖中PSMN3R9SiMOSFET的橫截面（請注意，該封裝也已應(yīng)用于GaN器件）。
下圖顯示了該設(shè)備的平面圖，它已被噴射蝕刻以暴露銅夾。這直接焊接到芯片的源極觸點(diǎn)。
總結(jié)
盡管GaN等寬帶隙器件的定制封裝仍處于起步階段，但它是一個(gè)將在未來十年內(nèi)得到大力發(fā)展的主題。有創(chuàng)新的解決方案可以轉(zhuǎn)移器件端子，例如焊盤下電路(CUP)結(jié)構(gòu)和穿GaN溝槽開始進(jìn)入市場。
目前正在進(jìn)行關(guān)于更好的熱界面材料和芯片連接方法的學(xué)術(shù)研究。從傳統(tǒng)的焊接轉(zhuǎn)向使用銀的燒結(jié)方法正在獲得動力。
GaN尚未在高功率模塊設(shè)計(jì)中找到立足點(diǎn)，但在尖端的SiC模塊中，我們開始看到特殊的陶瓷基板（如Si3N4和AlN）用于出色的散熱。
Die本身有解決方案嗎？PowerIntegrations采用的是使用藍(lán)寶石襯底上的氮化鎵晶圓而不是硅襯底上的氮化鎵的方法，而學(xué)術(shù)研究則研究了更奇特的方法，例如在金剛石上生長的GaN。
像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒有一種萬能的方法，我認(rèn)為我們將看到更多的多樣性和量身定制的解決方案向前發(fā)展，這將是令人著迷的！
氮化鎵未來十年的工作重點(diǎn)
氮化鎵未來十年的工作重點(diǎn)
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
對于任何半導(dǎo)體來說，封裝對于電氣隔離、產(chǎn)品穩(wěn)健性和熱管理都很重要。尤其是對于功率半導(dǎo)體來說，這是至關(guān)重要的。
隨著向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬帶隙(WBG)材料的轉(zhuǎn)變，這些材料實(shí)現(xiàn)的更高電流密度和開關(guān)速度帶來了更嚴(yán)格的封裝要求。
在處理GaN時(shí)，與硅(Si)相比，還有兩個(gè)額外的考慮因素可以優(yōu)化器件性能。
通過GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣(2DEG)通道實(shí)現(xiàn)GaN的快速切換潛力。
GaN的導(dǎo)熱性比較差。（在300K時(shí)約為1.3W/cm.K，而硅的1.49W/cm.K和碳化硅的3.7W/cm.K）
假設(shè)體熱導(dǎo)率并不明顯低于硅，但請記住更高的電流密度——它僅限于異質(zhì)結(jié)周圍的一個(gè)小區(qū)域。
盡管并不理想，但傳統(tǒng)的Si封裝可以并且已經(jīng)用于封裝GaN等WBG器件。TO-247封裝通常用于硅(Si)功率MOSFET和IGBT，其中die底部（即漏極或集電極觸點(diǎn)）直接接合到銅引線框架。在應(yīng)用中使用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)做法是使用通孔開口將其直接安裝到散熱器上。
這個(gè)想法相當(dāng)好地轉(zhuǎn)移到了SiCMOSFET，它們與Si對應(yīng)物具有相似的結(jié)構(gòu)。然而，今天的GaN器件采用橫向設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)僅限于芯片頂部。這意味著失去了大部分冷卻效益。橫向GaN結(jié)構(gòu)帶來的另一個(gè)挑戰(zhàn)是布局相關(guān)。所有三個(gè)器件端子（柵極、源極和漏極）都需要焊盤和相關(guān)的鍵合線以某種方式安裝在芯片周圍。
使用GaN的一個(gè)主要賣點(diǎn)是能夠縮小產(chǎn)品尺寸。因此，對于分立TO-247封裝中的Si功率FET，相同的電壓和電流額定GaN對應(yīng)物可以封裝在表面貼裝QFN型封裝中。
不幸的是，從熱管理的角度來看，這使得事情更具挑戰(zhàn)性。請記住，更高的電流密度將需要更嚴(yán)格的封裝解決方案——QFN中更小的芯片需要更多的熱管理而不是更少。今天，一些制造商已經(jīng)開始調(diào)整這些封裝以適應(yīng)他們的應(yīng)用。
例如，參見NavitasNV6128，這是一款單片集成GaNIC，適合QFN封裝的多個(gè)輸出端口。如下圖所示，可以看到帶有端口注釋的封裝底部。GaNdie位于冷卻墊“CP”頂部的一側(cè)。這對于這個(gè)設(shè)備來說顯然已經(jīng)足夠了；盡管有趣的是，對于Navitas最近宣布的帶有“GaNSense”的第三代GaN，他們將重點(diǎn)放在了用于檢測和控制工作溫度的控制電路上。
其他制造商已開始關(guān)注GaN特定封裝解決方案。例如，GaNSystems有幾個(gè)封裝，其中嵌入了芯片。如下圖中的GS61008P橫截面圖。銅柱通過封裝通孔直接連接到管芯的頂部和底部，然后將它們連接到散熱器。
GaN的另一個(gè)考慮因素是什么——優(yōu)化開關(guān)性能？最小化封裝寄生元件是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。EPC采用基本無封裝或“晶圓級”封裝的激進(jìn)方法。這本質(zhì)上只是一個(gè)帶有焊料凸塊/焊條的鈍化芯片，用于直接連接到PC（參見下圖）。由于缺少相關(guān)的鍵合線，寄生電感被最小化，接口的熱阻源也被最小化，因?yàn)槔碚撋闲酒旧砜梢灾苯渔I合到散熱器。然而，電路設(shè)計(jì)人員在芯片貼裝時(shí)需要注意和可能的特殊條件。EPC最近打破了這一傳統(tǒng)，推出了一款封裝器件EPC2302.這種頂部暴露的情況似乎是晶圓規(guī)模和嵌入式芯片之間的某種折衷方案。
另一種降低電感的方法來自Nexperia的“銅夾”設(shè)計(jì)。他們最小化寄生電感的想法再次是通過移除鍵合線。如下圖中PSMN3R9SiMOSFET的橫截面（請注意，該封裝也已應(yīng)用于GaN器件）。
下圖顯示了該設(shè)備的平面圖，它已被噴射蝕刻以暴露銅夾。這直接焊接到芯片的源極觸點(diǎn)。
總結(jié)
盡管GaN等寬帶隙器件的定制封裝仍處于起步階段，但它是一個(gè)將在未來十年內(nèi)得到大力發(fā)展的主題。有創(chuàng)新的解決方案可以轉(zhuǎn)移器件端子，例如焊盤下電路(CUP)結(jié)構(gòu)和穿GaN溝槽開始進(jìn)入市場。
目前正在進(jìn)行關(guān)于更好的熱界面材料和芯片連接方法的學(xué)術(shù)研究。從傳統(tǒng)的焊接轉(zhuǎn)向使用銀的燒結(jié)方法正在獲得動力。
GaN尚未在高功率模塊設(shè)計(jì)中找到立足點(diǎn)，但在尖端的SiC模塊中，我們開始看到特殊的陶瓷基板（如Si3N4和AlN）用于出色的散熱。
Die本身有解決方案嗎？PowerIntegrations采用的是使用藍(lán)寶石襯底上的氮化鎵晶圓而不是硅襯底上的氮化鎵的方法，而學(xué)術(shù)研究則研究了更奇特的方法，例如在金剛石上生長的GaN。
像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒有一種萬能的方法，我認(rèn)為我們將看到更多的多樣性和量身定制的解決方案向前發(fā)展，這將是令人著迷的！
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