近日，致能半導(dǎo)體對(duì)外披露了其在藍(lán)寶石襯底減薄技術(shù)方面的最新成果：該公司已將8英寸藍(lán)寶石基氮化鎵晶圓的襯底厚度成功減薄至50微米，據(jù)介紹，這一指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。
圖片來(lái)源：致能半導(dǎo)體
致能8”藍(lán)寶石上氮化鎵晶圓，襯底厚度僅50μm
氮化鎵材料因其高頻率、高耐壓等特性，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域被寄予厚望。但在實(shí)際應(yīng)用中，散熱問(wèn)題一直是制約其性能發(fā)揮的關(guān)鍵瓶頸之一。不同襯底材料的選擇，直接影響器件的熱管理表現(xiàn)。藍(lán)寶石作為一種襯底材料，具備良好的絕緣性能和高溫穩(wěn)定性，與氮化鎵的熱匹配和晶格匹配也較為理想，外延結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率偏低，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是影響器件散熱的主要短板。通過(guò)減薄襯底厚度，可以有效縮短熱流傳導(dǎo)路徑，從而改善器件的整體散熱能力。
致能半導(dǎo)體的技術(shù)進(jìn)展主要體現(xiàn)在襯底減薄工藝的精細(xì)化控制上。據(jù)該公司介紹，在將襯底厚度從常規(guī)的200微米逐步降至100微米、最終達(dá)到50微米的過(guò)程中，器件的熱性能獲得了顯著提升。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)藍(lán)寶石襯底厚度為200微米時(shí)，器件的結(jié)殼熱阻約為每瓦1.6攝氏度，與同類硅基氮化鎵器件相當(dāng)；厚度降至100微米時(shí)，熱阻下降至每瓦1.1攝氏度，表現(xiàn)明顯優(yōu)于硅基方案；而達(dá)到50微米厚度后，熱阻進(jìn)一步降至每瓦0.8攝氏度，約為同規(guī)格硅基氮化鎵器件的一半。
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致能藍(lán)寶石上氮化鎵器件熱阻與同規(guī)格友商硅上氮化鎵器件對(duì)比
得益于藍(lán)寶石上氮化鎵器件的優(yōu)異熱阻性能,在應(yīng)用中也展現(xiàn)出相對(duì)硅上氮化鎵器件的明顯熱性能優(yōu)勢(shì)。下表展示了在大功率應(yīng)用場(chǎng)景下，器件在不同電壓和負(fù)載下的溫升情況。可以看出，在所有條件下，致能的藍(lán)寶石上氮化鎵器件溫升都遠(yuǎn)小于同規(guī)格的友商硅上氮化鎵器件，展現(xiàn)出了卓越的散熱能力。
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致能藍(lán)寶石基氮化鎵器件在大功率應(yīng)用中與相似規(guī)格友商硅基氮化鎵器件溫升對(duì)比
在實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證中，襯底厚度對(duì)器件溫度的影響也得到了量化體現(xiàn)。致能半導(dǎo)體在一款較大功率的圖騰柱PFC電源板上，對(duì)100微米和50微米兩種襯底厚度的器件進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果顯示，在90伏輸入電壓條件下，50微米襯底器件的殼溫比100微米器件降低了13.6攝氏度；在264伏輸入電壓條件下，降幅達(dá)到14.5攝氏度。此外，在多種電壓和負(fù)載工況下，藍(lán)寶石基氮化鎵器件的溫升表現(xiàn)均低于同規(guī)格的硅基氮化鎵器件。
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圖騰柱PFC電源測(cè)試板及100μm襯底（U79AHST010E）vs.50μm襯底（U79AHSS
值得關(guān)注的是，致能半導(dǎo)體還透露，已完成30微米藍(lán)寶石超薄襯底的技術(shù)儲(chǔ)備。這意味著未來(lái)在熱管理性能方面仍有進(jìn)一步提升的空間。對(duì)于追求高功率密度和高能效的系統(tǒng)應(yīng)用而言，襯底減薄技術(shù)為解決氮化鎵器件的散熱難題提供了一條可行的技術(shù)路徑。
行業(yè)分析人士認(rèn)為，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)對(duì)器件效率、可靠性和體積的要求不斷提高，襯底技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)鏈上游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其進(jìn)展直接影響下游應(yīng)用方案的競(jìng)爭(zhēng)力。藍(lán)寶石上氮化鎵技術(shù)在中高壓領(lǐng)域原本具備耐壓和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)，散熱瓶頸的逐步突破，有助于拓展其在更多大功率場(chǎng)景中的適用范圍。
總體來(lái)看，藍(lán)寶石襯底減薄技術(shù)的推進(jìn)，反映了氮化鎵功率器件在材料與工藝層面的持續(xù)演進(jìn)。隨著相關(guān)技術(shù)在量產(chǎn)階段的進(jìn)一步驗(yàn)證，其在中高壓功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力有望進(jìn)一步增強(qiáng)。
（集邦化合物半導(dǎo)體整理）
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