【分享】叶怀宇｜第三代半导体封装模组技术及应用介绍
【分享】叶怀宇｜第三代半导体封装模组技术及应用介绍
本文是南方科技大学叶怀宇教授在协会平台上的直播分享（图文）。对大家初识宽禁带半导体封装是非常好的参考，所以转载分享给大家！
█ 【关于叶怀宇教授】
南方科技大学副教授，正高研究员，博士生导师；深圳第三代半导体研究院封装项目负责人；荷兰代尔夫特理工大学访问教授。EuroSimE，ICEPT，SSLCHINA及IFWS国际会议学术委员会委员； 大家好，我是叶怀宇，现在在南方科技大学和深圳第三代半导体研究院。今天我要给大家介绍一下第三代半导体封装模组技术及相关应用。 报告主要内容有这五部分，第一个是什么是第三代半导体，第二个是跟三代半相关的封装模组技术，第三个是能源管理与热管理，再来是可靠性，最后是前景与展望。 三代半导体的话大家应该都很清楚了，第一代半导体是以硅和锗为代表的，他们是集成电路的主要材料，技术上非常成熟，代表人类物质的最高文明，广泛应用于计算机和各种电子产品。 第二代半导体是化合物半导体，90年代的时候以砷化镓、磷化铟为代表，他们在光电子器件、LED还有LD这方面用的很多。然后涉及到通讯、光伏、GPS，还有微波功率器件和电路。 然后第三代半导体是氮化镓、碳化硅，大家都非常熟悉，应用主要是短波光电子器件、蓝白光的LED、蓝紫光LED；还有高温下用、高频、高功率电子器件；另外还有高功率的电力电子器件，用于电网、轨道交通还有新能源汽车等。 第三代半导体具有很好的性能，它具有五高特性：高光效、高功率、高电压、高频率、高工作温度。由于它的禁带宽度比较宽，所以拥有了这些良好性能。这里做一个对比的话，硅的输出功率和工作频率相对较低，碳化硅的主要优势是输出功率很大，而氮化镓的主要的优势是在于工作频率很高，另外功率也比较高。第三代半导体的物理特性决定它的优良性能。 第三代半导体现在应用的很多了，它在光电子、微波射频、电力电子里面都有很多应用。这张图大家肯定也经常见到，半导体照明是最先成熟的，其他领域也正在飞速的一个发展过程中。 根据西门子公司的测算，采用碳化硅的牵引系统将实现体积重量减少10-25%，能耗降低12%。三菱公司认为，碳化硅的城轨变流器的体积减少65%，变流器损耗下降30%，碳化硅功率半导体器件有望使轨道交通的电路结构性能带来革命性的变化。 碳化硅器件会大幅的降低新能源汽车的整车成本，主要是节能。丰田2020年的目标是体积减少80%，器件让系统的电能转化效率提高20%。我们可以清楚的看得到变小了，电机可以缩小到至少1/3。 另外在微波射频方面，氮化镓器件具有工作电压高、输出功率大、抗辐射能力强的优点，将实现精度更高、辐射更远、能够解决我们看不清辨不远的一些问题。采用高频、高可靠、长寿命、工作温度范围宽、抗辐射能力强的碳化硅功率器件可以有效降低航空航天电源及配电分系统的重量和体积，起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。 在5g里面氮化镓也非常重要。5g提供峰值10Gbps以上的带宽、毫秒级时延和超高密度的连接。氮化镓是目前同时能实现高频、高效、大功率的唯一材料。在工作频率、禁带宽度、效率方面远远超过硅基器件，使移动终端、智能设备的电源系统体积缩小80%，实现以氮化镓射频功放器件为代表的核心器件国产化能够有效解决5g通信器件的核心竞争力的问题。 第三代半导体应用范围非常广，除了在工业科学等等，在消费领域也广泛使用，包括微波炉、电源适配器、汽车、等离子照明和无线传输等等。例如穿戴式设备、终端手机、智能家居，虚拟现实、云端办公，以及更大范围的工业、农业、医疗、教育、交通、金融、环境等等都能够带来技术的突破。
这个是2010年到2021年power device的市场预估，每年稳定增长有7%以上。第三代半导体的器件，可以说是业已爆发了的一个行业。 然后因为我主要是做封装的，所以我会介绍第三代半导体相关的封装模组技术。 封装是一个什么概念？在我们理解里面，半导体有芯片、有应用，封装是一个类似于桥梁一样的东西，就在芯片和应用之间。 比如芯片，大家都很清楚它的定义，例如RF、IC、LED、传感器、功率芯片、控制芯片、驱动器等等。应用的话有通讯、交通、能源、健康、智能社会方面。而封装这个概念会比较宽泛，它可以分为狭义和广义的。 狭义来说，把一块芯片进行一个简单的塑封、互连它就是封装。 广义而言，那么要涉及到应用，应用的话里面就涉及到子系统，里面还有小系统，这些子系统和小系统是不是也是封装呢？ 在我的这个概念里面，我认为它应该算广义上的封装，或者有的人叫他是组装。但我这里的基本定义是：封装是以应用为目的，以设计为基础，是连接芯片和应用的桥梁。 相对而言芯片很标准化的东西，而应用的范围非常广，没办法直接把芯片放到应用里面来，首先需要的是封装，封装要保证芯片在应用场景中要适应、可靠性要合适、机械和电性能满足我们的需求。 相对芯片而言，封装是比较个性化，需要根据具体应用来进行设计。 在设计中首先要选择材料，不同的材料在不同的应用的范围也是不一样的。那么比如说我们在汽车里面要求高可靠性，在电网里要承受高温，而在手机里面不需要承受那么高温，但要经济实用，所以根据不同应用选择不同材料。 而后是一些工艺和结构。比如说我们要进行互连，有多种材料，有多种设计，互连的工艺也有很多种，比如说采用焊接或采用烧结等，只能说根据我们的应用来进行取舍。 而后是广义上的封装，即是组装，组装的话我们可以把多个封装组装在一块，这样我们应用里面就更容易应用。就像乐高积木一样，那么最终是要成为一个完整的应用。 所以在我这里，封装跟组装之间的概念是相通的。那么就带来一些新的技术，比如system in package，我们在封装里面就已经把系统做好了，这就刚刚讲的把组装里的一部分工作放到封装里面来； 然后还有wafer level package，跟芯片结合就更加紧密。 这样理解的话，封装里面可以分为晶圆级、封装级和组装级，那么晶圆级是什么？ 晶圆级的话就是我们做好了单个芯片，但是我们可以把多个芯片在晶圆上进行集成，这样的话我们可以让它互连的效率更高、传输速度更快、单元密度更高、体积更小，这里有晶圆到晶圆、芯片到晶圆、3D互连、以及3D打印集成的概念等等，这就是wafer level package。 另外还有我们传统意义上的封装级，里面包括system in package，把系统放在封装里面去。当然里面还有通常见到的互连技术，进行设备封装的协同设计，异质集成，先进热管理和解决方案。当然最基础的还是是材料、设备和工艺。 在组装级里，已经很接近应用了，可以采用不同的基底集成（pcb或者陶瓷），用嵌入式集成封装，自组装方式，或者采用3D打印来进行特异化的制造。可能还要考虑电磁屏蔽等技术。 所以在晶圆级的话就很接近于芯片制造，在组装级就很接近实际应用。但整体而言封装它是很依靠设计的，因为不同的应用、不同的芯片或者说多个芯片排列组合，都需要考虑的可靠性、可测量性、产量、可制造性、成本、再利用等，另外还要考虑到消费者有更好的用户体验等。 封装（及其互连材料）是提供电学互连、机械支撑和散热通道等，另外它还是连接材料、芯片、器件和应用的桥梁，是实现我们半导体芯片可靠服役的关键。 针对我们第三代半导体的封装模组的技术，以车用的为例，车用的封装很早以前我们是6合1的这种模组。 那么将来什么情况？可能是一个All-in-1 power modules，converters会集成在一个里面。另外还要进行散热，散热的话也是在这里，可以用双面散热，在模组里面，上下同时进行散热。 那么在将来的话是一个什么情况？可能再要把motor和inventor结合在一块更高的提高它的效率。最后可能是轮毂电机，把inventor结合在一块，更多的提高效率。 所以第三代半导体封装需要要有更好的冷却系统，更高的功率密度，机电一体化的集成。在其他领域也是类似，可以看到GaN也是要尽量去做到更高的集成度。 封装模组技术为第三半导体器件提供电学互连、机械支撑和散热通道，是连接芯片、材料、芯片、器械和应用的、桥梁，是实现半导体芯片可靠性服役的关键。 在第三代半导体的产业链上，会从不同尺寸的单晶到衬底，然后到芯片，然后到封装器件、模组，然后到电路设计，最后到应用。 目前急需解决的问题是，需要相对较低的工艺温度，而能够在高温下工作，另外第三代半导体的芯片实际上是可以到300度以上的，但目前的封装材料正常工作在200度以下。除了需要在高温下工作外，封装材料还需要解决热膨胀系数相匹配、高导电、导热、低成本的要求。 这个是功率器件封装的一般流程图。首先在陶瓷基板上进行固晶及焊接，然后湿法清洗，焊线和测试。再用进行系统的焊接和X光检测，焊到铜基板上面去，再进行引线框架的安装，用框架焊线和超声焊引到端子，最后封胶和盖板，形成一个完整模块。 封装目前来看虽然设计不一样、结构不一样，但是所需要材料和功能基本是类似的。我们需要有互连材料，通过引线球焊等，或者将来的铝带铜带； 塑封需要有机硅凝胶、环氧树脂等；贴片需要把芯片粘胶、焊接或者烧结到衬底； 还需要TIM材料，做润滑剂、导热剂；加上外面的塑料外壳，外部连接等，这些就是通常的封装模组技术。 第三代半导体的封装模组技术的发展趋势。首先是体积会更小、功率更高、功能更强，作业条件是在频繁功率循环下，频繁的温度循环，还有一些高压大电流的工况。而现在封装互连材料的话已经快到达性能的极限了。 比如塑封只能在200度以下，就算是芯片能够工作到更高的温度，也无法保障整个系统保证可靠性。可靠性面临着很多的挑战，是目前的技术瓶颈。从目前来看，首先是封装材料遇到了瓶颈。 所以这边介绍一个比较有前景的封装技术——烧结。左边这个是焊接和引线键合的TO封装，右边是双面烧结的封装，可以看到里面明显的区别就是右边图中中间是 IGBT芯片，然后上面是有一层很厚的一层铜，下面也是铜，两面铜把芯片固定在中间，形成一个三明治的结构，可靠性明显就会提高很多。最典型的例子就是这一款全碳化硅逆变器，目前已经在规模化应用了。 所以说封装互连材料很关键，200度以下是硅器件的工作温度，第三代半导体的工作温度是三四百度甚至可能更高。 焊接材料到不了那么高的温度，目前纳米银烧结是最成熟的技术，它的优势是什么？一个是低温制备，可以在250度左右进行烧结，而工作温度可以到900度，热导率和导电性非常好，因为烧结完成后就是一整块银。 其高温的稳定性、可靠性也非常好，剪切强度也很好，电导率、热导率也比其他互连材料高一个数量级。 根据我们的数据，双面烧结器件的可靠性会比导线焊接和焊接器件的可靠性要高10倍以上。双面烧结部件的功率，也要比引线键合和焊接部件的功率要高50%以上。所以烧结技术是非常适合于第三代半导体的封装模组。 后面会讲到能源管理和热管理，热管理想必大家都非常熟悉，但是能源管理这个概念大家可能还不是非常清晰，我对这方面做了一些基础性的研究。 在我个人观点，从系统上来说需要的是能源管理，实际的器件上来说需要的是热管理，热管理是能源管理的一部分。以工程师处理CPU的能源管理为例，功耗是一个非常棘手的问题。 在一块芯片上某个区域的温度高了，就不用这个区域了，用一个算法让另外一个比较冷的区域去进行计算，这个概念可能不是传统意义上的热管理，而是合理优化整个系统的问题。 热管理是能源管理进行整个系统合理优化后的事情，在整个系统里面考虑到器件，从硅换到碳化硅，效率更高，整个系统上效率就提高了，而且能够耐受更高的结温，对热管理的要求就降低了。然后才是采用更好的封装技术，更有效的散热（风冷变成水冷）等这些方法去有效提高散热性能。 这个是第三代半导体发展的情况，功率密度迅速增加，封装成为了热管理的关键所在。在解决好能源管理之后做热管理，就是封装要具体解决事情。封装器件的一个增长趋势，功率密度会越来越高，2020年是250千瓦每平方厘米。 再到将来到会怎么样呢？或许当到了一个物理极限的时候，就没办法再增加了。那个时候有可能采取的方式跟现在的CPU技术类似，采用多核的技术。 之前刚刚提到的一个双面散热技术，看起来是必须采用的，因为有效提高了散热面积，与之相匹配的双面烧结和相应的双面散热冷却模组。另外，目前采用的二次塑封和双面散热的话，由于成本较低，适合用于目前的混动汽车。 最后我们来讲一下可靠性的问题，最终我们器件封装的目的就是为了解决应用的适用性和最终的可靠性，而可靠性占了很大一部分。大部分的可靠性问题都来自于封装，之前估算过，可能百分之七八十的可靠性问题都是由于封装没有做好。 在第三代半导体方面，面临的可靠性的挑战会越来越多了。首先第三代半导体器件与系统中具有复杂的组件，组件和环境之间有着很复杂的关系。 另外一个就是它的应用场景，在一些能源互联网、轨道交通、新能源汽车中应用，是一个高功率、大电流、高频率的应用场景，而且还要求其非常可靠且寿命长。应用环境比硅的更恶劣。 还有一个是要怎么进行加速测样方法，因为不可能说器件保质期是5年，就得做5年可靠性试验。手机的CPU，可能它保质期只有一两年，但是在电网、汽车里面应用有5~10年甚至更长。怎么办？ 你不能做5~10年的实验，可靠性就面临到一个巨大的挑战。从材料、工艺、设计、结构、应用加在一块，是一个非常复杂的一个系统。面临的不可预知的故障模式，组件之间的关系也不清楚，不知道机理就很难进行加速测试，没有加速测试的方法就没有标准。 所以我们不仅要从应用层面去解决可靠性的问题，我们还要去研究机理问题。因为我们现在面临的条件更加复杂，环境也更加恶劣，应用场景更加多样化，如果不能去找到里面的共性的机理问题，那么我认为可靠性的研究将会面临巨大的挑战。 针对可靠性的研究，通常是采用实验的方法。我们希望通过快速实验能够得到它的可靠性的一个推测。 特别重要的说，这个实验不仅包括宏观的实验，还包括各种微观的实验，比如说一个微小的裂缝，怎么导致的？这个非常严重，如果说一个器件里面它有裂缝，手机里面出现无非就是换台手机，但是在车里面器件里有这么一个缝，它代表什么？代表安全问题。千里之堤溃于蚁穴，得从很小的裂缝开始研究起。 除此之外，还需要进行仿真的测试方法，因为我们的计算机有预测的能力，包括NASA提出了的数字孪生，就是当火箭发射升空之前就做好一整套数字系统把所有器件都已经虚拟映射到计算机系统里面去。 当这枚火箭升到空后，我们计算机里仿真的这台火箭，能够根据我们的需求进行各种各样的测试，通过计算机的仿真模拟来有效的观测、预测，甚至可以故意的设置一些障碍，比如说有外来的天体撞击，来做一些测试，并提前有效的避免，所以这就是仿真带来的好处。 另外需要采用多尺度和多物理环境下的失效分析，要从微小的结构，甚至原子、分子级别去研究，在温度场、力场、电磁场等条件下分析为什么会导致器件失效。 最后的结果是什么？还是希望能够得到加速的方法，得到一个有效的、完整的、基于实验和仿真加速方法，通过加速测试方法在较短的时间内，能够预测5年甚至10年的情况，这样才是一个最终的解决方案。 第三代半导体非常重要，是满足国防安全、智能制造、产业升级、节能减排的国家重大需求。是支持国防、5g、能源互联网、新能源汽车、高速列车等重大应用。是实现自主可控、解决受制于人，非常迫切的一个需求。另外在硅的领域，国外已经成熟了的技术，而是在第三代半导体里面，一个相对较新的领域，我们可以与国外进行相对比较同步的竞争，重塑国际半导体产业格局。 另外就是中国市场有很大的需求，我们有全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网。有全球最高运营速度、最长运营里程的轨道交通。我们有最大的新能源汽车市场，4g\5g的通讯、照明和超越照明的市场，还有用户最多、规模最大的工业电机及消费电子市场。第三代半导体在中国市场上是有巨大需求的，是推动我们的技术往前发展的重要驱动力。 最后我要说封装的重要性。如果说没有封装，就无法实际应用了。封装是提供电学互连、机械支撑和散热通道的；是连接材料、芯片、器件和应用的桥梁；封装实际上是半导体芯片应用可靠性的关键。所以没有封装模组技术就没有第三半导体的应用，那么我们现在最急迫需要的是高导电导热材料、热膨胀系数匹配的材料，高散热材料等去实现高效散热结构，最终实现高可靠性。解决完材料，还有工艺和设备等，都需要这个领域的各位专家、从业人员大家一起共同努力。 说明：本文来源网络；文中观点仅供分享交流，不代表本***立场，转载请注明出处，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。
