張致吉 / 工研院產科國際所
以矽基半導體做成的功率元件或模組在高功率的應用上，其規格需求已呈現力不從心的瓶頸，科學家從化合物半導體元素找出適合應用範圍的材料與技術。碳化矽(SiC)兼具寬能隙、高崩潰電壓、高導熱係數、高電絕緣性與高功率密度等關鍵特性，在電子元件的應用中具有快速切換、耐高溫及耐高電壓等功能；在高頻與高功率電子元件和模組構裝製程中也具有較理想的熱膨脹係數，是高頻、高功率以及高散熱需求應用的理想選擇。本文就功率模組用化合物半導體的發展趨勢以及電壓應用需求與市場進展，並且針對模組構裝所需之材料市場成長大趨勢進行探討。
【內文精選】
以電壓需求區分寬能隙材料適用範圍
以矽基半導體做成的功率元件或模組在高功率需求上已呈現出力不從心的窘境，而寬能隙是化合物半導體的特性，因此科學家嘗試從化合物半導體找出適合應用範圍的材料與技術。目前採用氮化鎵電晶體(GaN Transistors)適合做為600 V以下相關應用的功率元件，600~1,200 V之間的應用開始出現由碳化矽元件(SiC Transistors)或模組來擔當，而此應用需求範圍也是當今GaN Transistors的市場。當GaN Transistors模組在電路設計上多花一點功夫也可以達到900 V的功效，因此，600~900 V的市場因為各家電路設計的功力較勁，產品在市場仍有機會共存；然而，接近1,200 V甚至1,700 V以上則是SiC Transistors的主力戰場。
GaN on SiC適用於高頻HEMT (High Electron Mobility Transistor)；SiC on SiC則用於SBD和FET等功率半導體。SiC on SiC顯示出高速增長，因為SBD和FET已開始應用於電源。2025年後如HEV市場全面採用，可以預期會有更高的成長。SiC應用在功率元件以600~900 V的市場為主流，在800 V電池汽車、太陽能光電系統及電動汽車快速充電器的推動下，1,200 V的SiC晶體有望快速成長。
以SiC為基板的功率元件主要為6吋晶圓，從2017年開始變成主流。與 SiC競爭的矽基功率元件包括：MOSFET和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，主要是使用8吋晶圓。SiC-SBD正在推動SiC功率元件市場的發展，應用以伺服器電源等通信設備、電動汽車充電站、車載充電器等汽車領域為中心，市場不斷擴大。
常出現在功率元件與模組構裝用材料
在半導體晶片封裝領域裡，封裝一顆晶片稱為元件，若封裝兩顆或兩顆以上的晶片並且含線路設計者稱為模組構裝。元件封裝通常晶片以固晶膠(Die AttachAdhesive)固定在導線架中央的基板處，傳輸的接點以金屬導線焊連(Wire Bonding)在導線架的接腳上(Pin)，最後再以模封材料(Molding Compound)固定並封住(如圖四(a))，由於線路簡單，所以對於散熱的處理僅利用導線架接腳即可達到散熱管理的效應。
圖四、(a)功率元件；(b)模組構裝結構
但是對於模組構裝的型式而言，尤其是功率越高的模組越需要處理散熱的問題，電源模組常見的故障是由熱引起的循環，因不匹配的CTE(熱膨脹係數)會使基板與銜接材料層彼此分離，一些凝膠填充物和模組內樹脂不能承受高溫因而導致模組失效。如圖四(b)所示，兩顆晶片間除了電路導通需要金屬線連結(Interconnect)外，還需以固晶膠固定在DBC (Direct Bonded Copper)載板上，而載板需要再用膠材固定在底盤(Baseplate)上，最後再以導熱矽脂(Thermal Grease)當作熱介面材料，黏貼到最外層的散熱鰭片(Heatsink)，成為一個具備散熱管理的構裝模組。
碳化矽(SiC)產業結構
SiC由於其材料具寬能隙、高功率密度和高擊穿電壓，以及良好的導熱係數等特性，是目前功率元件與高頻基板的首選。以碳化矽為主要單晶元件以及製成功率模組的產業結構如圖七所示。因為碳化矽一方面被用作於功率模組主晶片，另一方面也被用來當作高頻通訊用磊晶基板所使用，因此產業結構的表示必須區分為功率半導體與射頻(RF)用半導體兩支脈。
圖七、碳化矽晶圓全球產業結構圖
全球生產應用於高功率以及高頻的SiC晶圓以Cree、II-VI為具盛名，SiCrystal以高功率著稱，國內目前則有環球晶、穩晟、太極(盛新)、漢民。Cree(已更名為Wolfspeed)的晶圓銷售分外售和自用，就外售而言，Cree擁有市場份額約70%左右。ST-Micro有長期SiC晶圓供應計畫(2.2億美元)，並與ON Semiconductor和Infineon簽訂了8,500萬美元的6吋晶圓供應合約。
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化合物半導體的碳化矽(SiC)同時為高頻(5G/B5G/6G)與衛星通訊以及物聯網(智慧城市)、高功率‒電動車(EV/xEV)馬達綠色能源等新興產業用之關鍵材料，但是發展碳化矽仍有許多困難與障礙，其中挑戰包括下游的應用---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》435期，更多資料請見下方附檔。