來源：《半導體芯科技》雜志12/1月刊

近年來，芯片材料、設備以及制程工藝等技術不斷突破，在高壓、高溫、高頻應用場景中第三代半導體材質優勢逐漸顯現。其中，氮化鎵憑借著在消費產品快充電源領域的如魚得水，從2018年開始，業界對氮化鎵關注度不斷升溫，甚至將7月31日定為世界氮化鎵日。

接下來，就讓我們一起來探究氮化鎵材質的特性如何？氮化鎵市場的發展方向？以及氮化鎵的封裝技術需求？

△圖1：第三代半導體發展及特性對比。

氮化鎵材料

氮化鎵（GaN）作為一種寬禁帶化合物半導體材料，具備禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、開關頻率高，以及抗輻射能力強等優勢。其中，開關頻率高意味著應用電路可以采用尺寸更小的無源器件；擊穿電壓高則意味著電壓耐受能力比傳統硅材料高，不會影響導通電阻性能，因此能夠降低導通損耗。種種優勢加持下，氮化鎵成為了更好支持電子產品輕量化的關鍵材料，是目前最具發展前景的材料。

我國氮化鎵產業發展迅速，產業鏈國產化日趨完善，多家國內企業已擁有氮化鎵晶圓制造能力。隨著市場資本的不斷涌入，在國內第三代半導體產業政策推動下，氮化鎵應用領域、市場規模快速擴大，國內以光電器件、功率器件、射頻器件為主的氮化鎵市場，預計2026年市場規模達突破千億元，年復合增長率達到40.1%。

△圖2：半導體材料物理特性對比。

氮化鎵應用

5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅動因素之一，氮化鎵射頻器件主要應用于無線通訊，占比到達49%。氮化鎵材料耐高溫、高壓及承受更大電流的優勢使得射頻器件應用在5G基站中更加合適。隨著國內5G基站覆蓋率不斷上升，對氮化鎵射頻器件需求將更大。

△圖3：氮化鎵應用市場分類。

隨著智能終端設備的不斷普及，設備的充電技術與其電池性能成為產品市場競爭主要賣點。行業一直在努力增加充電器的功率讓充電時間更短，縮小電源適配器的尺寸使其更加便捷。現代充電器本身就是“計算機”，根據連接的設備，可判斷要輸送的電流量，氮化鎵使這個過程變得更加快捷；與硅充電器相比，氮化鎵可以快速確定要輸送的電流量，并在更長的時間內通過高功率；硅充電器通常體積很大，主要是因為它們會產生大量熱量，并且必須將組件放置在一定距離以便更快的冷卻。氮化鎵充電器的尺寸比硅充電器更小巧，可以長時間提供大電流而不會過熱。由于以上特性，氮化鎵是充電器和移動電源的絕佳材料選擇，智能移動設備的領頭羊——蘋果，也積極向氮化鎵進軍。

目前第三代半導體材料已經開始在新能源汽車領域應用，但主要是碳化硅實現了產業落地，氮化鎵在新能源汽車領域的嘗試仍限于起步階段，未來新能源汽車數量不斷增長，氮化鎵在車載充電器、DC-DC轉換器等領域潛在市場空間巨大。

生態環境是人類賴以生存生存的保障，生活垃圾處理成為世界性難題，使用等離子體氣化技術處理垃圾經濟環保，氮化鎵材料可以幫助等離子氣化技術實現產業化。

氮化鎵封裝技術

對于氮化鎵產品的封裝，主要有4種封裝解決方案。晶體管封裝，在其設計中包含一個或多個HEMT(High electron mobility transistor)；系統級封裝(SiP)，同一包封體中封裝不同功能的芯片；系統芯片封裝(SoC)，將不同功能芯片通過晶圓級重構，在性能上更加突出；模塊化封裝，將多個功率封裝個體集成在一個模塊包中（截至2021年，市場上可供選擇的氮化鎵模塊并不多）。

常見的封裝類型如下：

TO類封裝：

△圖4：晶體管類封裝。

表面貼裝類封裝：

△圖5：QFN、PQFN封裝。

基板類封裝：

△圖6：LGA、BGA封裝。

嵌入式封裝：

△圖7：GaN PXTM嵌入式封裝。

GaN晶圓硬度強、鍍層硬、材質脆材質特點，與硅晶圓相比在封裝過程中對溫度、封裝應力更為敏感，芯片裂紋、界面分層是封裝過程最易出現的問題。同時，GaN產品的高壓特性，在封裝設計過程對爬電距離的設計要求也與硅基IC有明顯的差異。

華天科技，作為全球領先的集成電路封測服務提供商，積極布局第三代半導體封裝技術研發，在氮化鎵材質封裝領域，通過不斷材料性能研究、試驗實踐，從結構設計、材料選擇、過程工藝等不同階段，筑起多維度技術護城河，形成成熟、穩定、高可靠性的氮化鎵封裝設計生產能力，為國內外多家客戶提供氮化鎵產品封測業務，累計出貨量超過億顆。

從晶圓材質上，目前用于GaN外延生長的襯底材料主要有Si、藍寶石、SiC、Zn和GaN，其中Si、藍寶石、SiC三種相對多些，尤其是Si具有成本優勢應用最廣泛。盡管GaN與Si材料之間的晶格失配和熱失配使得在Si襯底上外延生長高質量的GaN材料及其異質結比較困難，但通過運用AlGaN緩沖層、AlGaN/GaN或AlN/GaN等超晶結構和低溫AlN插入層等技術，已經能較為有效地控制由晶格及熱失配帶來的外延層中出現的如位錯、裂化、晶圓翹曲等問題(說明對溫度比較敏感）。

高性能、高可靠性、低成本是集成電路產品市場核心競爭力，華天科技以框架類封裝為氮化鎵產品突破口，依據芯片材質特性，率先在行業內建立氮化鎵產品封裝工藝標準。建立了氮化鎵產品專用導入流程，保障產品開發導入一次通過，助力客戶新品快速發布。產業鏈上下游聯動，積極探究框架設計結構差異對芯片性能帶來的提升，模擬驗證框架結構、對比驗證框架表層處理工藝，從設計端提升產品性能、可靠性，優化材料成本。

△圖8：氮化鎵封裝產品芯片裂紋示意圖（左圖：Crack，右圖：Normal）。

封裝過程是集成電路質量的核心管控要素之一，針對氮化鎵芯片材質特征，華天科技對封裝各環節進行工藝方案及設備參數的驗證，管控產品研磨過程生產厚度、晶圓切割過程刀具規格以及進刀參數、封裝材料CTE性能選擇、膠層涂覆厚度、粘接材料烘烤時間及溫度等措施，均是避免氮化鎵產品質量問題的核心。

△圖9：HT-tech 氮化鎵封裝可靠性例行監控掃描圖。

芯片裂紋是氮化鎵產品封裝最常見的失效現象，如何快速、準確的識別剔除異常產品，是提高產品封測良率、保障產品正常使用的保障。華天科技率先制定氮化鎵產品裂紋、分層檢驗標準，投入 SAM、AVI 等高精度、自動化設備，確保異常產品不流通、不外溢。

△圖10：HT-tech 氮化鎵封裝產品示意圖。

在氮化鎵芯片封裝量產過程中，技術團隊不斷探究積累，解決了 GaN 材料在封裝過程中極易產生的芯片裂化等關鍵性技術，總結制定出 GaN-on-Si 產品Creepage distances（爬電距離）的 Design rule。GaN-on-Si 產 品封裝工藝關鍵制程技術（重點解決 GaN 材料在封裝過程中芯片裂紋質量異常）的突破并用于量產，通過產業協調，率先在行業內量產封裝 8inch GaN-on-Si wafer。

以客戶為中心，以市場為導向。面對競爭激烈的氮化鎵市場以及多樣化的客戶需求，在公司的全力支持下，在無數華天人的不懈奮斗下，在科學嚴謹的研發思路指導下，借助自身完善的模擬仿真、設計能力，不斷優化材料選擇、結構設計，夯實制程能力（減薄、激光開槽、機械劃片、芯片粘接、過程烘烤等）、總結 DOE（DESIGN OF EXPERIMENT）結果，確保每一顆產品可靠性。集成電路封測 Turnkey 業務模式，極大縮短了客戶新品發布周期，助力國內外氮化鎵廠商產品迭代更新，在激烈的市場競爭中占得先機。

關于華天科技

華天科技（母公司天水華天科技股份有限公司）成立于 2003 年（深交所股票代碼 ：002185），主要從事半導體集成電路、半導體元器件的封裝測試業務，包含 ：封裝設計、封裝仿真、引線框封裝、基板封裝、晶圓級封裝、晶圓測試及功能測試、物流配送等一站式服務。作為全球半導體封測知名企業，華天科技憑借先進的技術能力，智能化生產系統和質量把控，企業營收位居國內同行上市公司第三位，全球集成電路封裝行業排名第六位。

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誠邀各企業參與2023年2月23日，晶芯研討會開年首場會議將以“先進封裝與鍵合技術駛入發展快車道”為主題，邀請產業鏈代表領袖和專家，從先進封裝、鍵合設備、材料、工藝技術等多角度，探討先進封裝與鍵合工藝技術等解決方案。點擊跳轉報名鏈接：http://w.lwc.cn/s/VnuEjy

審核編輯黃宇