氮化鎵何方神圣？要從2014年諾貝爾獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)?wù)f起，得主是日本學(xué)者赤崎勇、天野浩與中村修二三位學(xué)者，他們的成果就是發(fā)明了氮化鎵(GaN) 藍(lán)光LED。這項(xiàng)技術(shù)不僅徹底改變了LED行業(yè)，更是為第三代半導(dǎo)體氮化鎵的市場(chǎng)應(yīng)用掀開了新的篇章。特別是隨著美國于2002年制定的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新（wide band gap semiconductor technology initiative，WBGSTI）計(jì)劃，使得GaN基射頻器件在軍事方面的研發(fā)及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
GaN被大規(guī)模的應(yīng)用于雷達(dá)、智能武器、電子對(duì)抗和通信系統(tǒng)等。根據(jù)Yole最新的預(yù)測(cè)，GaN基HEMT功率器件將在2023-2027年間呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，特別是在快充電源、無線充電、新能源汽車、大數(shù)據(jù)中心以及功率因素校正等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。大家最熟悉的手機(jī)快充技術(shù)就是采用了GaN技術(shù)。
圖1 第一代，第二代，第三代半導(dǎo)體對(duì)比圖
圖2 不同半導(dǎo)體材料性能對(duì)比
射頻簡(jiǎn)稱RF（Radio Frequency），射頻就是射頻電流，是一種高頻交流變化電磁波，可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍在300KHz～300GHz之間。而射頻芯片起到的功能就是將數(shù)字信號(hào)與無線電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，起到溝通數(shù)字信號(hào)與無線電信號(hào)的接受，轉(zhuǎn)換與發(fā)射。
晶圓級(jí)扇出封裝在艾邦半導(dǎo)體公眾號(hào)中已經(jīng)有大量介紹，此處略過。本文主要引用德國弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所于2020年發(fā)表的一篇文章為基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
氮化鎵芯片的封裝傳統(tǒng)的有兩種形式：陶瓷封裝形式的射頻芯片及塑封框架模式射頻芯片。陶瓷封裝用于高功率的應(yīng)用，其中較便宜的塑封框架射頻芯片用于低功率的最高15 W和頻率25 GHz的應(yīng)用中。而更進(jìn)一步當(dāng)應(yīng)用于5G或高靈敏雷達(dá)時(shí)，就需要用到更短互連長(zhǎng)度，且將硅芯片與GaN 芯片以及無源部件進(jìn)行相連的晶圓級(jí)扇出封裝技術(shù)。
圖3 ?左圖為：陶瓷封裝形式的射頻芯片 右圖為：塑封框架模式射頻芯片
GaN晶圓級(jí)扇出封裝與硅基芯片的晶圓級(jí)扇出封裝技術(shù)相比，兩者的相同處在于都需要采用重布線工藝（RDL），RDL工藝在艾邦半導(dǎo)體公眾號(hào)中也有介紹。不同之處在于，氮化鎵芯片通常非常薄，厚度在100um范圍內(nèi)，而且在正面有脆弱的空氣橋結(jié)構(gòu)。而與普通硅基芯片相比，GaN芯片的背面的金屬層必須完好保護(hù)不能破壞，因此不能直接應(yīng)用常規(guī)FOWLP中的背面減薄技術(shù)。當(dāng)然在GaN晶圓級(jí)扇出封裝時(shí)設(shè)計(jì)及制備時(shí)還需要考慮幾個(gè)點(diǎn)：
那么如何保護(hù)背面金屬層呢？可以參考圖4的設(shè)計(jì)方案，塑封前在GaN微波芯片背面的金層上貼附銅散熱器，這樣在后續(xù)制備RDL時(shí)采用背面減薄工藝時(shí)就不會(huì)損傷到背面的金層。大家可能注意到airbridge（空氣橋）的設(shè)計(jì)，微波器件為了提高器件的最大震蕩頻率和功率，常把器件做成多柵結(jié)構(gòu)，多柵結(jié)構(gòu)的多個(gè)源端或漏端在形成統(tǒng)一的源端或漏端的互連過程會(huì)產(chǎn)生金屬連線交疊。由電容理論可知，金屬線相互交叉或重疊會(huì)產(chǎn)生寄生電容，寄生電容大小與填充介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，由于空氣的介電常數(shù)最小，選其作為介質(zhì)寄生電容最小，以空氣為填充介質(zhì)的連接方式就是空氣橋。
圖4? GaN微波芯片晶圓級(jí)扇出封裝設(shè)計(jì)
圖5為射頻芯片晶圓級(jí)扇出封裝工藝流程， 第一步在載具上鋪熱剝離膠帶，然后將芯粒正面朝下放置，芯粒背面朝上，并貼附散熱層。接著采用塑封工藝將載具上的多個(gè)芯片進(jìn)行塑封后將載具取下。背面減薄工藝將多余塑封層以及部分的散熱層進(jìn)行打磨并完全露出散熱層。然后采用RDL工藝進(jìn)行重新布線和植球。
圖5? 射頻芯片晶圓級(jí)扇出封裝工藝流程
我們可以看看最終成品的樣子。圖6為GaN微波DIE的實(shí)物照片，圖7為RDL層設(shè)計(jì)圖，最終的成品如圖8所示。可以看到由于芯片將于高溫下持續(xù)運(yùn)行，最終的產(chǎn)品上有一個(gè)與芯片尺寸不太相匹配的一個(gè)巨大的鋁制散熱塊。
圖6 GaN微波芯片
圖7? GaN 微波芯片及RDL層設(shè)計(jì)
圖8? GaN微波芯片最終產(chǎn)品，巨大的鋁制散熱塊
那最終散熱效果如何？圖9為芯片工作時(shí)溫度分布模擬圖，可以看到芯片大部分溫度在56℃到62℃之間，散熱塊承接了大量熱量也達(dá)到了56℃的高溫，而芯片結(jié)構(gòu)上最高溫甚至可達(dá)195℃。大家可能會(huì)覺得195℃肯定不能滿足要求，但是千萬不要用硅基芯片的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，該GaN的最高溫的Spec Limit是250℃，意味著只要工作時(shí)小于250℃都是可以符合要求的。
圖9 芯片工作時(shí)溫度分布模擬圖
最后聊聊國內(nèi)做GaN射頻芯片的廠商，國內(nèi)在GaN芯片領(lǐng)域由于不受制程卡脖子技術(shù)的困擾，因此相關(guān)廠家較多。
具體細(xì)分氮化鎵GaN產(chǎn)業(yè)鏈可劃分為上游材料、中游器件和模組、下游系統(tǒng)和應(yīng)用幾大環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈與碳化硅類似。
GaN材料包括襯底制備和外延工藝環(huán)節(jié)，襯底一般為外延材料的同質(zhì)材料或適配的異質(zhì)材料制成的晶圓片，外延是指在襯底上生長(zhǎng)新單晶薄膜的過程，是半導(dǎo)體器件制造的基礎(chǔ)原材料。
射頻MMIC主要應(yīng)用在通訊和雷達(dá)領(lǐng)域，市場(chǎng)化程度還不高。反觀在傳統(tǒng)功率器件及快充領(lǐng)域，國產(chǎn)廠家市場(chǎng)占有率較高。比如大家熟悉的三安光電、航微電子、蘇州能訊、稼半導(dǎo)體、杭州士蘭微以及中電國基南方、55所、13所、海特高新、優(yōu)鎵科技等等。
作者：Semicon Solutions & 樹先生
參考文獻(xiàn)及網(wǎng)址：
- 1.??????Fan-out Wafer Level Packaging of GaN Components for RF Applications
- 2.???????廈門火炬高新區(qū)、科芯大講堂
- 3.?????《半導(dǎo)體芯科技》雜志12/1月刊
- 4.???????https://www.sohu.com/a/642179033_121266081
- 5.???????https://zhuanlan.zhihu.com/p/570232271
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝之氮化鎵射頻芯片晶圓級(jí)扇出封裝