摘要：近年来，我国的市场经济有了很大进展，化合物半导体的市场规模不断扩大，相应芯片的设计和制造业务受到越来越多从业者和资本的关注，发展前景一片大好。讨论对比了不同化合物半导体材料差异与性能优缺点、应用领域和发展前景。从环保安全、工艺应用、工艺控制、封装材料选用等方面总结了化合物半导体封装工艺控制的关键要求。
关键词：化合物半导体；砷化镓；氮化镓；碳化硅；封装工艺
引言
现代功率半导体器件的封装，主要朝着小体积和大功率的方向不断发展，通过这种技术上的升级，可以显著减低功率半导体硅片与散热器之间的热阻，保障整个输出功率可以达到最大，并进行数值分析，全面提高功率半导体器件的通流能力。
1半导体封装技术的发展现状及其趋势
从封装平台来看，半导体封装技术经历了从DIP（导线架）到WB（焊线正装）到FlipChip（倒装）再到WLP（晶圆级封装）的发展过程。除了封装平台的升级外，还有POP/Sip/TSV等立体式先进封装的发展。我们将DIP和WB以外的倒装、晶圆级封装以及POP/Sip/TSV等立体式封装都称为先进封装。应该看到，半导体封装技术在过去的几年中已经从必要的花费转变为增值工艺。所以，未来发展必需应对“小型化、混合信号设备、MEMS集成系统以及摩尔定律的替代方案”等的需求，即需要新的创新方法和封装技术。此外，功率半导体的显着改进也需要封装方面的适当解决方案。尤其是，在物联网（IoT）世界中的大多数新应用都需要非常低成本的器件。在这种背景下，封装已成为半导体行业的重要组成份子，因此需要创新工具用于生产和具有短反馈回路的分析工具。”
2化合物半导体特性
（1）砷化镓（GaAs）半导体特性。GaAs是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。GaAs具有电子迁移率高（是硅的5~6倍）；禁带宽度大（它为1.43eV，硅为1.12eV），工作温度可以比硅高；为直接带隙，光电特性好，可作发光与激光器件；容易制成半绝缘材料（电阻率107~109Ωcm）；本征载流子浓度低；耐热、抗辐射性能好；对磁场敏感；易拉制出单晶；GaAs比硅更不会受到自然辐射的干扰，不易产生错误信号。GaAs资源稀缺，价格昂贵，约为硅材料的10倍；砷化物有毒物质，对环境会造成污染；GaAs的毒性至今仍没有被很完整地研究。当要做晶圆抛光制程（磨GaAs晶圆使表面微粒变小）时，表面的区域会和水起反应，释放或分解出少许的As。另外还存在机械强度较弱，易碎制备困难的问题；而且砷材料是一种易挥发物质，在一定条件下容易分解，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比。（2）氮化镓（GaN）半导体特性。GaN和SiC同属于第三代宽禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等相比，其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度；较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效；电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。（3）碳化硅（SiC）半导体特性。SiC是一种由Si（硅）和C（碳）构成的化合物半导体材料。与普通硅相比，采用SiC的元器件有如下特性：高压特性、SiC器件是同等硅器件耐压的10倍、SiC肖特基管耐压可达2400V、SiC场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。SiC的临界击穿场强是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出高耐压功率器件。高耐压功率器件的导通电阻主要来源于漂移层电阻，因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。SiC材料能够以高频器件结构的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和MOSFET）去实现高耐压，从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性。
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3应用技术和工具
3.1skiip技术应用
技术人员可以通过半导体封装当中的铲车和牵引仪器，对于热压力进行整合分析。并且通过直接连接方式，应用相关陶瓷基片，对于散热器进行优化升级。（1）通过这种设计形式，可以去除掉封装过程当中的铜底板，从而进一步的压缩整个元器件封装的体积，提高结构设计的紧凑性。（2）应用这种技术，还可以对于封装过程当中半导体元器件的汇流排和辅助连接器件，进行一体式封压，从而全面提高陶瓷基片的控制功能。（3）运用这种焊接方式，焊料的浪费可以大大的降低。（4）由于底板的去除，整个功率半导体元器件的热阻会显著的减少。
3.2高功率基于激光的分析工具
随着越来越复杂的封装工艺的实现以适应未来应用的需求，价格和可靠性变得越来越重要，其中故障的识别和诊断以及将其隔离以进行进一步分析的步骤变得越来越具有挑战性。应该看到，基于分析这些封装结果及其特征的能力对于开发和导入新一代封装技术以及提供长期稳定的产品至关重要。为此，分析技术已从机械样品制备和乏味的基于离子的分析方法，转变为高功率基于激光的分析工具，具备高精度和无损制备样品的特色。先进的封装技术与高速、精确的独特样品制备工具的结合将为封装技术开发开辟新途径，并带来具有更复杂结构和具新技术能力的新产品。
4封装工艺控制
4.1机械应力改进
在铲车之类牵引应用的过程当中，skiip这种封装技术运行非常可靠。目前这种技术已经具有了比较标准化的发展结构，可以通过单元式的连续空留方式，与半导体元件的电路，以及外壳，进行优化的连接，从而形成一个三相桥结构，不仅可以驱动标准感应电机连续运行，还可以通过独立交流的方式，与DBC陶瓷片的基本元器件，进行组合连接，形成一个控制模组。通过这种封装方式的改进，每个半导体元件封装过程当中的半桥电感，最低只有15nh。而且运用这种方式，功率半导体封装过程当中各个元件上的电流分布更加的均匀，也就是说，不必再对电流的额定值，进行差异化分析，就可以完成整个单元的分装作业。
4.2封装工艺、材料选用
为了实现高温功率器件的应用，封装成为了器件应用的瓶颈，传统电子器件的封装材料很难满足SiC器件封装的要求。例如塑粉的使用温度一般不超过180℃，而SiC功率器件可工作在300℃~600℃的恶劣环境中，而一般的气密性封装所使用的材料也难以达到这样的高温要求。因此必须研究探索新的封装材料对SiC器件进行气密性封装。SiC器件封装的材料需要具有良好的导热性、具有优良的绝缘特性、热膨胀系数小，与SiC的热膨胀系数匹配、耐高温，在空气氛围300℃以上高温环境中保持稳定。因此，封装材料选择时，粘片工艺的选择、粘片材料的导热性能是影响产品最终使用的关键，是根据实际封装测试经验，将封装时采用的粘片工艺、粘片材料的优缺点进行了总结对比。
结语
综上所述，在未来，功率半导体封装技术将朝着大功率、小组团的模式不断发展。从本文的分析可知，研究功率半导体封装技术的升级，是有利于我们从问题的角度，看待目前封装技术中存在的恶化热阻、控制效率方面的不足，因而我们要加强系统研究，促进封装技术的升级。
参考文献
[1]薛宏伟,周晓龙,刘永刚.影响功率半导体器件用硅外延片清洗质量的因素[J].清洗世界,2019,35(6):38-40.
[2]东莞建亚电子有限公司.半导体材料的发展历程[EB/OL],2017.07.28.
论文作者:于素豪
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30