全球功率半導體市場包括分立元件、模塊和集成電路，服務于汽車、工業(yè)和消費電子領(lǐng)域。為了利用電氣化趨勢，Carsem 密切關(guān)注日益增長的電動汽車(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 功率半導體市場不斷變化的需求。

Inderjeet Singh 表示，SiC 和 GaN 功率器件在材料科學和封裝技術(shù)方面面臨四大挑戰(zhàn)：熱管理、電氣性能、可靠性、成本和可擴展性。

“一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是熱管理，尤其是對于導熱性較低的 GaN 而言。這需要通過采用熱界面材料 (TIM) 和改進封裝組裝過程中的沉積工藝來實現(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) 會引起機械應力，從而影響溫度循環(huán)期間模塊的可靠性”，Singh 說道。

另一個挑戰(zhàn)是電氣性能，特別是對于高壓應用。這需要選擇能夠承受強電場的材料，例如具有高相對跟蹤指數(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劑。最后，成本和可擴展性帶來了挑戰(zhàn)。由于汽車制造商通常采用定制模塊設(shè)計，因此實現(xiàn)材料規(guī)模經(jīng)濟變得困難。此外，這些模塊缺乏標準化封裝，阻礙了它們的采用和集成。

SiC 和 GaN 功率模塊

SiC 功率模塊是先進的半導體器件，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行的能力。這些特性使 SiC 功率模塊成為電動汽車、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、電動汽車和可再生能源系統(tǒng)等應用中具有特殊優(yōu)勢，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。

材料特性及應用要求

· 電壓和溫度：由于 SiC 具有寬帶隙和優(yōu)異的熱導率，因此在高壓(600V 以上)和高溫環(huán)境中表現(xiàn)出色。這使其成為電動汽車逆變器、工業(yè)電機驅(qū)動器和電源等應用的理想選擇，這些應用適用于數(shù)據(jù)中心、航空航天和軍事應用等要求嚴苛的環(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)速度的應用中越來越受歡迎，因為它的其他特性也帶來了顯著的優(yōu)勢。

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。

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

為汽車行業(yè)提供技術(shù)助力

Carsem 對汽車行業(yè)的承諾通過其 TUV16949 認證可見一斑。該認證表明該公司已滿足 TUV16949 標準的嚴格要求，該標準是專為開發(fā)汽車行業(yè)量身定制的質(zhì)量管理體系而設(shè)計的技術(shù)規(guī)范。

針對符合更嚴格的 AEC-Q100 和 AEC-Q101 標準的產(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。

“對于符合 AEC-Q100 標準的 IC，Carsem 在后模固化階段后實施熱循環(huán)。此外，整個組裝過程中的所有檢查門都經(jīng)過 100% 自動光學檢查 (AOI)。最后，設(shè)備要經(jīng)過溫度測試，直到它們在封裝或產(chǎn)品層面出現(xiàn)故障”，Singh 說道。

他隨后補充道：“對于符合 AEC-Q101 標準的分立半導體，Carsem 將晶圓級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體市場在工藝、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)和材料進步對 SiC 和 GaN 功率模塊的影響。

據(jù) Singh 介紹，Carsem 重點關(guān)注兩個關(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 WBG 材料的集成具有潛在的性能優(yōu)勢。分析此類混合模塊的可行性和集成挑戰(zhàn)對于 Carsem 來說至關(guān)重要。

· 熱界面材料和導熱系數(shù)更高的模具材料：SiC 和 GaN 器件會產(chǎn)生大量熱量，需要高效的散熱。探索先進的熱界面材料和導熱系數(shù)更高的模具材料對于提高封裝性能至關(guān)重要，尤其是對于 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。Carsem 在集成無源器件方面擁有豐富的經(jīng)驗(超過 10 年)，這使該公司能夠充分利用這一趨勢。

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)和機遇對于 Carsem 未來的競爭力至關(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特的挑戰(zhàn)。開發(fā)能夠提高產(chǎn)量同時保持切割質(zhì)量的技術(shù)對于確保高效生產(chǎn) SiC 功率器件至關(guān)重要。

通過積極應對這些潛在的干擾并在這些領(lǐng)域進行戰(zhàn)略投資，Carsem 旨在鞏固其在組裝封裝和測試領(lǐng)域的 WBG 創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)導地位。