陳華茂 / 工研院電光所
會議重點摘要
六、Packaging Technology
封裝技術與功率模組設計的發展涉及約10篇論文，集中於提高功率模組的可靠性和散熱效率。研究探討新型封裝材料和結構對功率元件性能的影響，例如：如何通過先進封裝技術來減少熱阻和電感，進而提高整體系統的效能和穩定性。
TOHOKU University的Hiroki Takahashi研究團隊發表『 Study of a Packaging Technology for Ultra Compact Double-Side Cooled Power Module with Power Chip Size Package』。圖十四為雙面散熱封裝架構以及電路架構，使用雙面散熱技術並且整合冷卻Pin Fin，可降低熱阻至0.212 K/W，並且整合高絕緣至雙面散熱技術，模組絕緣電壓達到3,000 V以上。
Vitesco Technologies GmbH的Matthias Hammerl發表『 Automotive Application Relevant Failure Mechanisms Under Cyclic Thermo-Mechanical Load』。 圖十七為針對不同的封裝技術如燒結和嵌入式封裝技術比較，以及圖十八為碳化矽/氮化鎵封裝模組，評估其在高熱機械負載下的電熱循環可靠性。針對軟封膠模組，在2.2×106次循環後，由於VSD順向電壓的增加導致失效。失效主要發生在頂部封裝上，裂縫從銀燒結層的邊緣開始向內擴展。這一現象表明，封裝材料的不均勻溫度分佈會加劇應力集中，進一步導致裂縫生成和擴展；針對嵌入式SiC模組，失效主要來自於嵌入式模組的頂部銅通孔與功率半導體元件的上層金屬化層之間發生脫層，裂縫主要集中在通孔和半導體頂部金屬化層的界面。由於模組內部的額外熱源影響，導致溫度擺幅增加，進一步加劇熱機械應力，使得模組壽命縮短；針對嵌入式GaN模組，GaN模組的主要失效模式是最大二極體介面溫度的增加。由於GaN器件採用橫向結構，頂部連接位於晶片邊緣，使得其最熱點與連接點之間存在溫度差。經過1.3×106次循環後以SEM檢測發現，裂縫從銅載體與通孔的接口處開始形成，這些裂縫被認為是失效的根本原因
圖十八、(左圖) 碳化矽內埋功率模組；(右圖) 氮化鎵內埋功率模組
七、Low Voltage Power Devices
低電壓功率元件與功率IC技術此領域有約12篇論文，探討低電壓功率元件的結構優化技術及其在集成電路應用中的應用。研究重點包括使用新型場板結構來改善元件的導通電阻和擊穿電壓間的權衡，以及在極端操作條件下的性能提升。
Toshiba Corporation發表『Improvement of RON-BV trade-Off in Field Plate MOSFETs by Localized Fixed Charges in the Trench Oxide』。圖十九為虛擬獨立深埋FP閘極結構，於溝槽閘極絕緣層沉積後，通過質子輻照實驗實現具有梯度分佈的LFC密度分佈，這使得部分氧空位在SiO2中表現為固定的正電荷，當LFC的密度峰值位於溝槽底部氧化層時，BV得到了改善。這是因為LFC可以緩解溝槽底部的電場。此外，LFC還有助於減少RON，這是因為電子會在矽和二氧化矽(Si/SiO2)界面上聚集，從而降低擴散電阻。
Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation發表『Demonstration of Pseudo Independent Driving of Buried Gate in Trench Field Plate MOSFETs』，圖廿一為虛擬獨立深埋FP閘極驅動電路，通過在深埋場板和其他電路元件之間加入三個額外的元件，包括一個電阻、一個二極體和一個P通道MOS電晶體，來實現埋藏場板的虛擬獨立驅動。與傳統的Source FP和Gate FP模組相比，虛擬獨立驅動模組在靜態性能方面具備更低的導通電阻，開關速度接近Source FP，並且具有與Gate FP相當的擊穿電壓和二極體特性，如圖廿二以及圖廿三。此外，動態測試結果表明，該虛擬獨立驅動模組的開關過程更為快速且穩定，特別是在開關時的電壓振盪得到有效抑制，這表明該技術在功率器件中的應用具有潛力。
圖廿一、虛擬獨立深埋FP閘極驅動電路
八、GaN Power Device Reliability and Tests
西安電子科技大學之Yue Hao教授發表『High-Performance GaN HEMTs on Single Crystalline AlN Templates with a 230 nm Ultra-Thin Buffer and Al2O3/SiO2 Passivation』。圖廿六為氮化鋁基板之氮化鎵高電子遷移率電晶體結構，通過在藍寶石基板進行單晶磊晶AlN緩衝層且磊晶厚度為500 nm，此設計可減少晶格失配帶來的問題，並且使得GaN緩衝層可以減薄到230 nm，並且成功實現GaN HEMTs在橫向和縱向上的阻擋電壓，分別超過3,000 V和2,700 V，遠超過傳統基於GaN-on-Si基板的HEMTs的阻擋電壓，如圖廿七所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖廿六、氮化鋁基板之氮化鎵高電子遷移率電晶體結構