轉(zhuǎn)自半導(dǎo)體行業(yè)觀察 

龔佳佳

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料中的代表性材料，是一種具有1X1共價(jià)鍵的硅和碳化合物。據(jù)說(shuō)，碳化硅最早是人們?cè)谔?yáng)系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)的，所以又被稱(chēng)為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。
早在2014年的時(shí)候，科技日?qǐng)?bào)就曾發(fā)過(guò)一篇名為《農(nóng)業(yè)“棄兒”可成“工業(yè)寵兒”碳化硅》的報(bào)道，如果用《甄嬛傳》里甄嬛的晉升地位來(lái)說(shuō)，那時(shí)候的碳化硅或許還是楚楚動(dòng)人的“莞貴人”。然而近些年，趁著5G、新能源汽車(chē)、充電設(shè)施、軌道交通等風(fēng)口產(chǎn)業(yè)，碳化硅顯然已經(jīng)晉升成為“熹貴妃”。2019年的時(shí)候，圈內(nèi)就流行著這么一句話(huà)：“得碳化硅者得天下”?；鸨潭瓤梢?jiàn)一斑。

一、火箭般的“晉升”速度源于此

與傳統(tǒng)的硅材料相比，碳化硅具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率三個(gè)最顯著特征。具體來(lái)看，禁帶寬度方面，4H型碳化硅是硅的3 倍，因此能夠在更高溫（如汽車(chē)電子）下穩(wěn)定工作；臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)方面，碳化硅可以達(dá)到硅的 10 倍，能在更高雜質(zhì)濃度、更薄漂移層厚度的情況下制作出高耐壓功率器件，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”三個(gè)特性；導(dǎo)熱系數(shù)方面，碳化硅可以達(dá)到硅的3倍，能夠提高熱傳導(dǎo)能力，而高導(dǎo)熱率也有利于電子元器件向更小型化發(fā)展。

基于上述特性，碳化硅器件相比于硅基器件優(yōu)勢(shì)也更加明顯，具體體現(xiàn)在：
（1）阻抗更低，可以縮小產(chǎn)品體積，提高轉(zhuǎn)換效率；（2）頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達(dá)硅基器件的10倍，而且效率不隨著頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；（3）能在更高的溫度下運(yùn)行，同時(shí)冷卻系統(tǒng)可以做的更簡(jiǎn)單。碳化硅功率器件工作溫度可達(dá)600℃以上，是同等硅基器件的4倍，可以承受更加極端的工作環(huán)境。

據(jù)了解，碳化硅晶片經(jīng)外延生長(zhǎng)后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件，可廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。

1、功率器件

由于具備上述的幾種特性，碳化硅被認(rèn)為是一種超越硅極限的功率器件材料，在新能源領(lǐng)域中具有相比硅基器件更好的表現(xiàn)，因此碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于光伏逆變器、軌道交通以及新能源汽車(chē)中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車(chē)載充電機(jī)和充電樁等。

其中，在新能源汽車(chē)方面，已有特斯拉、比亞迪、吉利、零跑汽車(chē)等多家車(chē)企決定采用或明確表示要采用SiC。據(jù) IHS Markit 數(shù)據(jù)，受新能源汽車(chē)龐大需求的驅(qū)動(dòng)以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(zhǎng)。

在龐大市場(chǎng)需求的吸引下，英飛凌、意法半導(dǎo)體、Rohm等功率半導(dǎo)體主要供應(yīng)商紛紛布局碳化硅功率產(chǎn)品，新能源相關(guān)的碳化硅功率器件應(yīng)用也在不斷落地。

2、射頻器件

射頻器件是無(wú)線通信的核心部件，包括射頻開(kāi)關(guān)、LNA、功率放大器和濾波器等。目前，硅基LDMOS器件已經(jīng)應(yīng)用多年，主要應(yīng)用于4GHz以下的低頻領(lǐng)域。隨著5G通訊技術(shù)的普及，對(duì)功率放大器性能提出要求也變得更高。

以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足5G通訊對(duì)高頻性能和高功率處理能力的要求。目前，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器，尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。

據(jù)Yole Development預(yù)測(cè)，到2025年，射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至104億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率也將持續(xù)提高。隨著5G市場(chǎng)對(duì)碳化硅基氮化鎵器件需求的增長(zhǎng)，碳化硅晶片的需求量也將大幅增長(zhǎng)。

二、優(yōu)勢(shì)之下的技術(shù)壁壘

雖然碳化硅頗具優(yōu)勢(shì)，但其較高的技術(shù)難度以及隨之而來(lái)的高成本讓它難以像硅基器件那樣普及。眾所周知，碳化硅與硅基器件的原理相似，但碳化硅無(wú)論是材料還是器件的制造難度，都明顯高于傳統(tǒng)硅基。其中大部分的難度都是碳化硅材料高熔點(diǎn)和高硬度所需特殊工藝帶來(lái)的。

1、襯底制備

      碳化硅器件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括襯底制備、外延和器件制造封測(cè)三大步驟。而襯底制備不僅是各步驟中難度和價(jià)值量最高的環(huán)節(jié)，也是成本最貴的環(huán)節(jié)。目前，襯底成本大約是加工晶片的50%，外延片是25%，器件晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)20%，封裝測(cè)試環(huán)節(jié)5%。

由于晶體生長(zhǎng)速率慢、制備技術(shù)難度較大，大尺寸、高品質(zhì)碳化硅襯底生產(chǎn)成本依舊較高，所以即使碳化硅襯底在1990年代的時(shí)候就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但較低的供應(yīng)量和較高的價(jià)格依舊成為制約碳化硅基器件大規(guī)模應(yīng)用的主要因素，限制了產(chǎn)品在下游行業(yè)的應(yīng)用和推廣。

與傳統(tǒng)的單晶硅使用提拉法制備不同，碳化硅材料因?yàn)橐话銞l件下無(wú)法液相生長(zhǎng)，只能使用氣相生長(zhǎng)的方法，如物理氣相傳輸法（PVT）。這也就帶來(lái)了碳化硅晶體制備的兩個(gè)難點(diǎn)：

（1）生長(zhǎng)條件苛刻，對(duì)溫度和壓力的控制要求高。一般而言，碳化硅氣相生長(zhǎng)溫度在2000℃-2500℃之間，壓力350MPa，而硅僅需1600℃左右。高溫對(duì)設(shè)備和工藝控制帶來(lái)了極高的要求，溫度和壓力控制稍有失誤，就會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)數(shù)天的產(chǎn)品失敗。

（2）長(zhǎng)晶速度慢。PVT法生長(zhǎng)碳化硅的速度緩慢，7天才能生長(zhǎng)2厘米左右，而生產(chǎn)1至2米的8英寸硅晶棒僅需要2天半左右，6英寸硅晶棒則只需要約1天。同時(shí)碳化硅材料本身的特性也讓提高了晶體生長(zhǎng)難度。具體來(lái)看：

（3）晶型要求高、良率低。碳化硅有超過(guò)200種相似的晶型，需要精確的材料配比、熱場(chǎng)控制和經(jīng)驗(yàn)積累，才能在高溫下制備出無(wú)缺陷、皆為4H晶型的可用碳化硅襯底（其他晶型不可用）。

（4）切割磨損高。碳化硅是硬度僅次于金剛石的材料，莫氏硬度分布在 9.2～9.6，在對(duì)其進(jìn)行切割時(shí)，加工難度較高且磨損多。

2、外延

與傳統(tǒng)的硅基器件不同，碳化硅襯底的質(zhì)量和表面特性不能滿(mǎn)足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高壓高頻器件時(shí)，不能直接在碳化硅襯底上制作器件，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類(lèi)器件。

當(dāng)前，碳化硅采用的是同質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)，設(shè)備與生長(zhǎng)技術(shù)已比較成熟，可生長(zhǎng)出超過(guò)100~200μm的碳化硅外延材料，但在外延生長(zhǎng)中受到襯底的質(zhì)量和加工水平的影響，會(huì)產(chǎn)生缺陷。

目前，碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和摻雜濃度兩個(gè)參數(shù)。器件依據(jù)不同的設(shè)計(jì)，所需的外延參數(shù)也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能夠承受的電壓也就越高，但外延層厚度越大，高質(zhì)量外延片的制備就越困難，尤其是在高壓領(lǐng)域，對(duì)缺陷的控制十分困難。

3、器件的制造與封測(cè)

由于碳化硅器件的部分工藝需要在高溫下完成，這給器件的制造和封測(cè)帶來(lái)了較大的難度。比如，在摻雜步驟中，傳統(tǒng)硅基材料可以用擴(kuò)散的方式完成摻雜，但由于碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，所以只能采用高溫離子注入的方式。而高溫離子注入后，碳化硅材料原本的晶格結(jié)構(gòu)被破壞，需要用高溫退火工藝進(jìn)行修復(fù)，退火溫度又需要高達(dá)1600℃。這無(wú)疑對(duì)設(shè)備和工藝控制都帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

基于上述的技術(shù)難點(diǎn)，當(dāng)前碳化硅的成本依舊較高，功率器件成本遠(yuǎn)高于硅基功率器件。此外，碳化硅二極管和硅基產(chǎn)品價(jià)格差在3~5倍，SiC MOSFET和硅基產(chǎn)品價(jià)格差在~5倍。

二、技術(shù)突破一直在路上

從目前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)碳化硅將會(huì)被越來(lái)越多地用于純電動(dòng)汽車(chē)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊。在此背景下，如何突破技術(shù)壁壘，更好得發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)成為了技術(shù)人員亟需解決的難題。

今年以來(lái)，作為碳化硅材料大國(guó)美國(guó)、日本接連研發(fā)了無(wú)損測(cè)量碳化硅器件中載流子壽命、表面納米控制技術(shù)、全新銀燒結(jié)技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)，旨在解決碳化硅材料生產(chǎn)中的難題，提高碳化硅器件性能。

1、無(wú)損測(cè)量碳化硅器件中載流子壽命，提高器件性能

今年年初，日本名古屋工業(yè)大學(xué)研究小組提出了一種無(wú)損測(cè)量碳化硅器件中載流子壽命的方法。研究人員使用激發(fā)激光器來(lái)創(chuàng)建載流子，并使用帶有檢測(cè)器的探針激光器來(lái)測(cè)量激發(fā)載流子的壽命。

通過(guò)這種可以進(jìn)行更簡(jiǎn)單、非侵入性分析的技術(shù)，工程師們可以開(kāi)始對(duì)載流子壽命進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到傳導(dǎo)調(diào)制和低開(kāi)關(guān)損耗的完美平衡。未來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)有望帶來(lái)新一代更新、更高性能的碳化硅器件。

2、表面納米控制技術(shù)，消除碳化硅襯底缺陷

今年3月，日本豐田通商株式會(huì)社宣布，他們聯(lián)合日本關(guān)西學(xué)院采用一種表面納米控制工藝技術(shù)——Dynamic AGE-ing，可以消除碳化硅襯底的缺陷，并完成了 6 英寸碳化硅襯底的性能驗(yàn)證。

據(jù)介紹，Dynamic AGE-ing是一種將熱蝕刻和晶體生長(zhǎng)集成在一起的非接觸式納米控制工藝技術(shù)，通過(guò)將SiC襯底置于1600℃至2100℃的超高溫氣相環(huán)境中，該技術(shù)就可以自動(dòng)將原子排列在表面上，從而就能夠徹底去除加工應(yīng)變層，而零缺陷主要是通過(guò)阻止BPD來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)使用“Dynamic AGE-ing ”技術(shù)，可以提高任何尺寸、任意供應(yīng)商的碳化硅襯底質(zhì)量。此外，通過(guò)簡(jiǎn)化襯底制造工藝和提高產(chǎn)量，可以提高 SiC 襯底的生產(chǎn)率。

3、全新銀燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行芯片焊接，提高封裝可靠性

今年5月，東芝通過(guò)一種全新的銀（Ag）燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行芯片焊接，使碳化硅功率模塊的可靠性提高一倍，并減少20%的功耗。東芝將此新技術(shù)命名為iXPLV。

4、實(shí)現(xiàn)碳化硅晶圓高速整平開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)

今年8月，日本產(chǎn)業(yè)研究所表示，他們團(tuán)隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)碳化硅晶圓的高速整平開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)。特別是在低速的鏡面加工中，獲得了比以前快12倍的拋光速度。按照他們所說(shuō)，其建立了一種新的批量式加工技術(shù)，可與片式加工方法的鏡面磨削工藝相媲美。

研究人員試圖通過(guò)生產(chǎn)一種固定磨粒平臺(tái)來(lái)解決這些問(wèn)題，其中將金剛石磨石成型為平臺(tái)，并將其與高速拋光設(shè)備相結(jié)合。當(dāng)使用固定磨粒平臺(tái)時(shí)，確認(rèn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度和拋光速度成比例，這比使用漿料的典型加工條件快約 12 倍，達(dá)到與傳統(tǒng)磨削相當(dāng)?shù)乃俣取?/p>

該團(tuán)隊(duì)表示，擬將本次研發(fā)的拋光技術(shù)引入先進(jìn)電力電子研究中心的6英寸兼容SiC晶圓集成加工工藝，并應(yīng)用于同一研究中心的功率器件開(kāi)發(fā)，促進(jìn)技術(shù)示范。

5、熱注入提升碳化硅芯片性能和電源效率

今年9月，應(yīng)用材料公司宣布推出多項(xiàng)全新產(chǎn)品以幫助世界領(lǐng)先的碳化硅芯片制造商從150毫米晶圓量產(chǎn)轉(zhuǎn)向200毫米晶圓量產(chǎn)，其中包括了VIISta? 900 3D 熱離子注入系統(tǒng)。

據(jù)了解，這項(xiàng)熱注入技術(shù)在注入離子的同時(shí)，能夠?qū)?duì)晶格結(jié)構(gòu)的破壞降到最低，產(chǎn)生的電阻率僅為室溫下注入的四十分之一，解決了在碳化硅芯片制造期間，由于材料的密度和硬度的影響，離子注入在材料內(nèi)加入摻雜劑會(huì)破壞晶格同時(shí)降低性能和電源效率的難題。

6、Mirra? Durum? CMP* 系統(tǒng)，降低晶圓表面粗糙度

除了上述系統(tǒng)外，應(yīng)用材料公司還開(kāi)發(fā)了 Mirra? Durum? CMP* 系統(tǒng)，此系統(tǒng)將拋光、材料去除測(cè)量、清洗和干燥整合到同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，可以量產(chǎn)具有最高質(zhì)量表面的均勻晶圓。這一新系統(tǒng)生產(chǎn)的成品晶圓表面粗糙度僅為機(jī)械減薄SiC 晶圓的五十分之一，是批式 CMP工藝系統(tǒng)的粗糙度的三分之一。

7、冷切割技術(shù)，節(jié)省碳化硅晶圓材料

近日，英飛凌表示，其用于生產(chǎn)碳化硅晶片的“冷裂”技術(shù)已獲得生產(chǎn)資格。

2018 年 11 月，英飛凌曾以 1.24 億歐元（約合 1.4 億美元）收購(gòu)了Siltectra GmbH，后者開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為冷裂的創(chuàng)新工藝，用于芯片加工，以更有效地節(jié)省材料和加工晶體。當(dāng)時(shí)的英飛凌首席執(zhí)行官Reinhard Ploss博士表示：“得益于冷切割技術(shù)，SiC晶圓可產(chǎn)出芯片數(shù)量的增加讓SiC產(chǎn)品的產(chǎn)能爬坡升級(jí)變得更加容易，能更好地滿(mǎn)足可再生能源的進(jìn)一步增加的需求，以及SiC在電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的使用需求?！?/p>

據(jù)悉，英飛凌的冷切割技術(shù)與傳統(tǒng)鋸切工藝相比，原材料損失將減少了一半，從而提供了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，英飛凌還希望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)冷分裂技術(shù)，并用它來(lái)分裂加工過(guò)的晶圓，并從晶圓上剝離 100 微米的有源器件層。

8、利用AI高精度制造碳化硅結(jié)晶，降低缺陷數(shù)量

今年11月，日本名古屋大學(xué)的宇治原徹教授等人開(kāi)發(fā)出了利用人工智能（AI）高精度制造新一代半導(dǎo)體使用的碳化硅結(jié)晶的方法。這種方法能將結(jié)晶缺陷數(shù)量降至原來(lái)百分之一，提高了半導(dǎo)體生產(chǎn)的成品率。2021年6月成立的初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃2022年銷(xiāo)售樣品，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)利用AI優(yōu)化了多個(gè)項(xiàng)目。宇治原教授表示「讓AI學(xué)習(xí)模擬（模擬實(shí)驗(yàn)）結(jié)果，導(dǎo)出了最佳條件」。經(jīng)過(guò)4年的開(kāi)發(fā)，可以制造能產(chǎn)業(yè)利用的約15厘米的尺寸了。 試制的SiC結(jié)晶比現(xiàn)有結(jié)晶的缺陷數(shù)量大幅減少。

寫(xiě)在最后

其實(shí)，從碳化硅晶圓尺寸的變化就可以看出技術(shù)一直在進(jìn)步。此前，碳化硅晶圓的主流尺寸一直為4英寸和6英寸，隨著今年意法半導(dǎo)體制造出首批200mm（8英寸）碳化硅晶圓，未來(lái)也會(huì)向著300mm(12英寸)進(jìn)發(fā)。

在全球研究人員的努力下，將會(huì)有越來(lái)越多的新技術(shù)可以打破碳化硅材料帶來(lái)的技術(shù)壁壘。屆時(shí)碳化硅能否成為一統(tǒng)各大分立器件的“圣母皇太后”，我們拭目以待。

關(guān)鍵字：先藝電子、XianYi、先藝、金錫焊片、Au80Sn20焊片、低溫共晶焊料、Solder Preform、芯片封裝焊片供應(yīng)商、芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、低溫釬焊片、太陽(yáng)能電池片封裝焊片、金錫合金焊片選型指南、預(yù)成形焊片尺寸選擇、銀基焊料、光伏焊帶、金屬外殼氣密封裝、共晶燒結(jié)、金錫燒結(jié)、金錫共晶燒結(jié)、共晶鍵合、合金焊料、預(yù)成形錫片、錫帶、SMT錫片、低溫錫帶、激光巴條焊接、激光巴條封裝、載帶式預(yù)成形焊片、覆膜預(yù)成形焊片、熱沉、heat sink、光電子封裝、MEMS封裝、IGBT焊料片、錫片、中高溫焊片、IGBT焊料片、錫片、納米焊膏、納米銀膏、微組裝、微納連接、金錫bump、激光巴條共晶、Gold Tin Alloy、Gold Tin Solder、晶振封蓋、電鍍金錫、錫箔、錫環(huán)、錫框、flux coating、TO-CAN共晶、共晶貼片、低溫錫膏、錫膏噴印、錫鉍合金、納米銀焊膏、納米銀膠、納米銀漿、燒結(jié)銀漿、燒結(jié)銀膏、燒結(jié)銀膠、導(dǎo)熱銀膏、導(dǎo)熱銀膠、導(dǎo)熱銀漿、銀燒結(jié)膏、銀納米膏、Ag sinter paste、submount、薄膜電路、、低溫合金預(yù)成形焊片、Eutectic Solder、金錫Au80Sn20焊料片、銦In合金焊料片、In97Ag3焊片、錫銀銅SAC焊料片、錫銻Sn90Sb10焊料片、錫鉛Sn63Pb37焊料片、金錫Au80Sn20預(yù)成形焊片、Au80Sn20 Solder Preform、大功率LED芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、TO封帽封裝焊片、In52Sn48、銦銀合金焊片、純銦焊片供應(yīng)商、銦In合金預(yù)成形焊片、錫銀銅SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊片、錫銀銅預(yù)成形焊片焊箔供應(yīng)商、錫銻焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms、錫鉛焊片、錫鉛Sn63Pb37焊片供應(yīng)商、錫鉛Sn63Pb37焊片生產(chǎn)廠家、錫鉛預(yù)成形焊片、金錫合金焊片選型指南、低溫合金焊片應(yīng)用、低溫合金焊片如何選擇、半導(dǎo)體芯片封裝焊片、光電成像器件的蓋板密封焊接

先藝電子、xianyi、trimsj.com.cn

廣州先藝電子科技有限公司是先進(jìn)半導(dǎo)體封裝連接材料制造商，我們可根據(jù)客戶(hù)的要求定制專(zhuān)業(yè)配比的金、銀、銅、錫、銦等焊料合金，加工成預(yù)成型焊片，更多資訊請(qǐng)看trimsj.com.cn，或關(guān)注微信公眾號(hào)“先藝電子”。