全球功率半导体市场包括分立元件、模块和集成电路，服务于汽车、工业和消费电子领域。为了利用电气化趋势，Carsem 密切关注日益增长的电动汽车(EV) 和可再生能源产品领域。
碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 是宽带隙 (WBG) 半导体中最常用的两种材料。SiC 和 GaN 的带隙比传统硅更宽(分别为 3.3eV 和 3.4eV)，这使其在高功率密度和更高频率的应用中具有出色的性能。Carsem 目前正致力于开发必要的工艺、材料和封装解决方案，以满足 WBG 功率半导体市场不断变化的需求。
Inderjeet Singh 表示，SiC 和 GaN 功率器件在材料科学和封装技术方面面临四大挑战：热管理、电气性能、可靠性、成本和可扩展性。
“一个关键挑战是热管理，尤其是对于导热性较低的 GaN 而言。这需要通过采用热界面材料 (TIM) 和改进封装组装过程中的沉积工艺来实现高效散热。此外，材料和封装材料(如基板、模塑化合物、互连和芯片粘接材料)之间的不同热膨胀系数 (CTE) 会引起机械应力，从而影响温度循环期间模块的可靠性”，Singh 说道。
另一个挑战是电气性能，特别是对于高压应用。这需要选择能够承受强电场的材料，例如具有高相对跟踪指数 (CTI) 的模塑化合物。此外，更快的开关速度需要新的、经济高效的互连技术来最大限度地减少寄生电感。
可靠性也是一个问题。为了防止可靠性在 产品生命周期内下降，封装内需要表面钝化和粘合促进剂。最后，成本和可扩展性带来了挑战。由于汽车制造商通常采用定制模块设计，因此实现材料规模经济变得困难。此外，这些模块缺乏标准化封装，阻碍了它们的采用和集成。
SiC 和 GaN 功率模块
SiC 功率模块是先进的半导体器件，可提高电力电子系统的性能。它们利用碳化硅的优越属性，包括更高的导热性、更高的能源效率以及与硅基解决方案相比在更高电压和温度下运行的能力。这些特性使 SiC 功率模块成为电动汽车、可再生能源系统和工业设备的理想选择，有助于最大限度地减少能源损失、提高功率密度和提高系统效率。
GaN 电源模块代表了尖端半导体器件，可为电力电子提供显著的性能提升。氮化镓的特性使这些模块能够在更高的频率、电压和温度下以比传统硅基模块更高的效率运行。这意味着最大限度地减少能量损失、加快开关速度，并开发更小、更轻的电源系统。GaN 电源模块在快速充电器、数据中心、电动汽车和可再生能源系统等应用中具有特殊优势，有助于提高功率密度、效率和整体系统性能。
Singh 表示，虽然客户偏好(集成设备制造商或无晶圆厂公司)最终决定了他们特定产品的选择，但以下因素为明智的决策提供了框架。
材料特性及应用要求
· 电压和温度：由于 SiC 具有宽带隙和优异的热导率，因此在高压(600V 以上)和高温环境中表现出色。这使其成为电动汽车逆变器、工业电机驱动器和电源等应用的理想选择，这些应用适用于数据中心、航空航天和军事应用等要求严苛的环境中，在这些环境中，恶劣条件下的可靠性至关重要。
· 开关速度：GaN 拥有更高的电子迁移率，这意味着更快的开关速度。这一特性在需要高频操作的应用中非常有利，例如快速充电器、电源适配器和 DC-DC 转换器。然而，SiC 在可接受中等开关速度的应用中越来越受欢迎，因为它的其他特性也带来了显著的优势。
成熟度和成本
· 制造成熟度：与 GaN 相比，SiC 技术拥有更成熟的大规模制造基础。这意味着可用性更高，成本更低。
· 成本和可扩展性：GaN 通常被认为比 SiC 更便宜，而且持续的开发工作正在推动该技术向更高电压应用发展。此外，GaN 还具有更好的可扩展性，因此对于成本效益至关重要的应用来说，它具有吸引力。
为汽车行业提供技术助力
Carsem 对汽车行业的承诺通过其 TUV16949 认证可见一斑。该认证表明该公司已满足 TUV16949 标准的严格要求，该标准是专为开发汽车行业量身定制的质量管理体系而设计的技术规范。
针对符合更严格的 AEC-Q100 和 AEC-Q101 标准的产品，还采用了额外的质量控制措施，这些措施超越了传统商用设备的要求。
“对于符合 AEC-Q100 标准的 IC，Carsem 在后模固化阶段后实施热循环。此外，整个组装过程中的所有检查门都经过 100% 自动光学检查 (AOI)。最后，设备要经过温度测试，直到它们在封装或产品层面出现故障”，Singh 说道。
他随后补充道：“对于符合 AEC-Q101 标准的分立半导体，Carsem 将晶圆级老化与前面提到的后模固化后的热循环、所有装配检查门的 100% AOI 以及温度测试结合起来，直到封装或产品失效”。
展望未来
Carsem 一直致力于满足功率半导体市场在工艺、材料和封装方面的所有基本要求，其中包括 SiC 和 GaN 等宽带隙半导体。然而，为了在未来几年保持这一地位，必须考虑新兴技术和材料进步对 SiC 和 GaN 功率模块的影响。
据 Singh 介绍，Carsem 重点关注两个关键领域：技术颠覆和战略方针。
潜在的技术中断
· 混合模块(IGBT/SiC、SiC/GaN)：IGBT 与 SiC 或 SiC 与 GaN 等互补 WBG 材料的集成具有潜在的性能优势。分析此类混合模块的可行性和集成挑战对于 Carsem 来说至关重要。
· 热界面材料和导热系数更高的模具材料：SiC 和 GaN 器件会产生大量热量，需要高效的散热。探索先进的热界面材料和导热系数更高的模具材料对于提高封装性能至关重要，尤其是对于 GaN 功率模块。
· 无源器件单片集成：将无源器件(电容器和电感器)直接集成在电源模块封装内，具有潜在的尺寸和性能优势。Carsem 在集成无源器件方面拥有丰富的经验(超过 10 年)，这使该公司能够充分利用这一趋势。
Carsem 的战略方针
· SiC 晶片：采用更大直径的 SiC 晶片(200 毫米)可以提高成本效益和产量。研究向 200 毫米 SiC 晶片过渡所带来的挑战和机遇对于 Carsem 未来的竞争力至关重要。
· 提高 SiC 晶圆的切割产量：由于材料的硬度，SiC 晶圆的切割面临着独特的挑战。开发能够提高产量同时保持切割质量的技术对于确保高效生产 SiC 功率器件至关重要。
通过积极应对这些潜在的干扰并在这些领域进行战略投资，Carsem 旨在巩固其在组装封装和测试领域的 WBG 创新领域的领导地位。
