來源：芯禾葉帶你看芯片

一、概述

氮化鎵（GaN）作為一種第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借其高電子遷移率和高擊穿電場等優(yōu)異特性，已在5G通信基站、數(shù)據(jù)中心電源及消費(fèi)電子快充等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，GaN器件依托其高頻與高效率優(yōu)勢，正逐步應(yīng)用于車載充電器（OBC）、DC-DC轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵系統(tǒng)中。

然而，GaN芯片的高性能實(shí)現(xiàn)離不開先進(jìn)封裝技術(shù)的支撐，這對封裝提出了更高要求，如高效散熱能力、低寄生電感、良好的電氣隔離及機(jī)械應(yīng)力管理等。目前主流的GaN封裝技術(shù)包括倒裝芯片封裝、銅柱鍵合、多芯片集成封裝和嵌入式封裝等，這些技術(shù)能有效減少寄生電感、提高散熱性能，從而確保GaN芯片在高頻、高功率工況下的穩(wěn)定性和效率。

研究GaN芯片封裝技術(shù)具有重要意義。一方面，它可以提升功率轉(zhuǎn)換效率，推動(dòng)5G通信、無線充電及新能源汽車等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步；另一方面，通過優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)、提高器件可靠性，有助于延長芯片使用壽命。此外，借助先進(jìn)封裝技術(shù)降低系統(tǒng)復(fù)雜度與成本、提高集成度，可實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能，進(jìn)而推動(dòng)高頻、高功率密度應(yīng)用的普及，帶動(dòng)整個(gè)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的升級。本文將從GaN芯片封裝的基本原理出發(fā)，綜述目前主流的分立與合封封裝技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)封裝趨勢，探討其發(fā)展路徑、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)及未來市場需求。

二、GaN 材料特性

GaN 材料具有禁帶寬度大（≈3.4 eV，是硅的3倍）、臨界擊穿電場強(qiáng)度高（≈3.3 MV/cm，是硅的10倍）、電子飽和漂移速度快（≈2.5×107 cm/s，是硅的2倍）等優(yōu)異特性，在高頻、高功率、高溫等應(yīng)用場景中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。GaN 在200 ℃結(jié)溫下仍保持＞80%的電子遷移率（傳統(tǒng)硅基器件在150 ℃即失效）；在高頻響應(yīng)上，載流子渡越時(shí)間縮短至皮秒級，支持Kα 波段（26.5～40 GHz）信號處理；單位面積導(dǎo)通電阻低至2 mΩ·cm2，允許芯片承受＞1 000 V/μs 的電壓斜率，使器件功率密度躍升。

與傳統(tǒng)的硅和砷化鎵相比，GaN 器件能夠在更高的電壓和毫米波頻率下工作，同時(shí)具有更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率密度，這些特性使得GaN 在微波通信、功率電子、軍事雷達(dá)、5G 基站等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，先進(jìn)的封裝材料（如高性能導(dǎo)熱界面材料和高溫膠黏劑）也在GaN 芯片封裝中發(fā)揮了重要作用，有效提升了散熱性能和機(jī)械強(qiáng)度。

三、主要GaN 封裝技術(shù)

分立器件

晶體管外形（TO）封裝作為一種經(jīng)典的分立器件封裝形式，在功率半導(dǎo)體器件中應(yīng)用廣泛，能夠?yàn)楣β?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）以及GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）等器件提供優(yōu)良的電氣性能和熱性能。近年來，隨著功率器件朝著高功率密度、高頻率和高可靠性方向發(fā)展，TO封裝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化已成為研究熱點(diǎn)。例如，一種創(chuàng)新的晶體管外形無引線（TOLL）封裝結(jié)構(gòu)，如圖所示。該封裝通過縮短引線長度并優(yōu)化引線框架設(shè)計(jì)，顯著降低了封裝電阻，提升了電流承載能力，并在汽車電子應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。TOLL封裝不僅有助于提高功率密度，還通過引入“侵入式模具邊緣”專利技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了制造過程中的工藝可控性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，TO封裝在高溫環(huán)境下的可靠性問題依然存在，特別是在因熱機(jī)械應(yīng)力引起的焊料疲勞方面，仍需通過材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步改進(jìn)。

TOLL 封裝設(shè)計(jì)

對于GaN HEMT器件而言，TO封裝中的熱管理問題尤為突出。JORDA等人[7]在分析GaN HEMT采用TO-247封裝時(shí)的自然對流散熱方案時(shí)指出，該封裝的熱阻主要來源于內(nèi)部導(dǎo)熱路徑，尤其是焊料層與基板之間的熱傳導(dǎo)效率。SONG等人進(jìn)一步研究了TO封裝中GaN HEMT的功率循環(huán)測試，發(fā)現(xiàn)焊料層因熱疲勞成為器件失效的關(guān)鍵因素，特別是在高溫循環(huán)條件下，熱機(jī)械應(yīng)力會導(dǎo)致焊料層熱阻上升，從而影響器件的可靠性。

四邊扁平無引線（QFN）封裝因其低電感、高散熱性能和緊湊的尺寸，逐漸成為GaN HEMT 器件封裝的主流選擇。QFN 封裝通過其無引線設(shè)計(jì)，減少了寄生電感，特別適合高頻和高功率應(yīng)用。通過系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計(jì)，成功將600 V GaN FET 與集成驅(qū)動(dòng)器封裝在32 引腳QFN- 系統(tǒng)級封裝（SiP）中，尺寸為8 mm×8 mm，展示了QFN 封裝在高功率密度和高效率應(yīng)用中的潛力，如圖 所示。研究表明，通過優(yōu)化封裝和PCB 布局，可以顯著降低寄生電感，從而提升器件的開關(guān)性能和可靠性。

采用8 mm×8 mm QFN-SiP 封裝的器件

在QFN 封裝中，熱管理是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。GaN HEMT 器件在高功率條件下工作時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，若不能有效散熱，器件性能將下降甚至失效。QFN 封裝通過暴露的散熱焊盤能夠有效傳導(dǎo)熱量，尤其是在高功率應(yīng)用中，QFN封裝的DSC 設(shè)計(jì)可以顯著降低器件的熱阻；通過使用銅柱（CuP）凸點(diǎn)技術(shù)和倒裝芯片工藝，可以進(jìn)一步優(yōu)化QFN 封裝的熱性能，減少熱阻并提高器件的可靠性
此外，QFN 及同類封裝在射頻器件中的應(yīng)用也取得了顯著進(jìn)展。通過ANSYS 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，展示了雙邊扁平無引線（DFN）封裝在GaN 基射頻器件中的優(yōu)異散熱性能。DFN封裝通過優(yōu)化引線鍵合和散熱設(shè)計(jì)，能夠有效降低器件的結(jié)溫，從而提高其崩潰電壓和開關(guān)穩(wěn)定性。特別是在高頻應(yīng)用中，DFN 封裝的低寄生電感和高散熱性能使其成為GaN 射頻器件的理想選擇。

合封器件

近年來，扇出型晶圓級封裝（FOWLP）技術(shù)因其在異構(gòu)集成和熱管理方面的優(yōu)勢，逐漸成為GaN 器件封裝的主流選擇之一。其基本結(jié)構(gòu)是將切割后的裸芯片重新排列在臨時(shí)載板上，通過EMC 包封形成重構(gòu)晶圓，在其表面利用光刻和電鍍工藝制作多層重新布線層（RDL），擴(kuò)展I/O 接口，并植入焊球?qū)崿F(xiàn)無基板的高密度互連封裝。FOWLP 工藝流程大致分為晶圓重構(gòu)再布線和先布線再晶圓重構(gòu)2 種，如圖所示。

FOWLP 工藝流程

封裝設(shè)計(jì)對器件熱阻的影響非常顯著。通過研磨GaN器件的硅襯底并采用銀燒結(jié)技術(shù)將其背面連接到直接覆銅（DBC）基板上，結(jié)合頂部與背面冷卻方式，可將器件的熱阻從15 ℃/W降至4.5 ℃/W。這種改進(jìn)主要得益于DBC基板的高熱導(dǎo)率以及銀燒結(jié)工藝優(yōu)異的傳熱性能。此外，通過有限元仿真驗(yàn)證了DBC基板在熱管理中的優(yōu)勢：其熱阻顯著低于傳統(tǒng)印制電路板，尤其在高功率密度應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的散熱能力。

通過多尺度熱仿真分析了扇出型晶圓級封裝中GaN功率放大器的熱特性，發(fā)現(xiàn)多層PCB相比單層PCB在熱管理上優(yōu)勢明顯，可將最高結(jié)溫降低25 ℃。通過將導(dǎo)通電阻Rds_on作為溫度敏感參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)GaN器件的熱阻測試：通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Rds_on與結(jié)溫之間的相關(guān)性，并提出了一種基于Rds_on的熱阻測試方法，適用于不同電壓等級和封裝形式的GaN器件；通過在線S參數(shù)測量證實(shí)了GaN HEMT中Rds_on作為溫度敏感參數(shù)的有效性，其溫度依賴性與散射參數(shù)（如S11頻移）相關(guān)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)結(jié)溫反演，誤差范圍與內(nèi)置傳感器相當(dāng)，且無需額外硬件；D電熱聯(lián)合仿真結(jié)果表明，SiC MOSFET的正溫度系數(shù)特性可抑制并聯(lián)模塊的電流失衡，結(jié)合熱阻差異建模后，電流不均衡度從2.61 A降至1.31 A，最大溫差由10 ℃優(yōu)化至4.67 ℃，間接反映了熱阻分布特性。然而，該方法受器件參數(shù)分散性、熱耦合效應(yīng)及測量帶寬等因素影響，需通過參數(shù)校準(zhǔn)和三維熱阻抗建模等協(xié)同設(shè)計(jì)提升其魯棒性。綜上，Rds_on的溫度敏感性為熱阻評估提供了理論依據(jù)，但其工程應(yīng)用仍需兼顧器件特性和系統(tǒng)級優(yōu)化。此外，通過瞬態(tài)熱仿真研究了扇出型晶圓級封裝中GaN器件的熱響應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)器件可在0.8秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度，進(jìn)一步驗(yàn)證了該封裝在熱管理方面的高效性。

多芯片模塊封裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于功率電子器件，尤其是GaN功率器件。該技術(shù)基于層壓有機(jī)基板、陶瓷基板或薄膜基板集成多種工藝裸片，通過引線鍵合或倒裝焊與基板內(nèi)多層布線實(shí)現(xiàn)互連，并采用金屬、陶瓷或塑料外殼提供保護(hù)與散熱功能。MCM封裝通過將多個(gè)芯片集成在同一基板上，可有效降低寄生電感、提升熱管理效率，并提高系統(tǒng)功率密度和可靠性。

通過研究MCM-LED封裝的熱管理，提出了基于熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱分析模型，并通過有限元仿真驗(yàn)證了其有效性。MCM-LED封裝散熱系統(tǒng)的原型結(jié)構(gòu)如圖所示。研究表明，該封裝結(jié)構(gòu)的總熱阻為6.53 K/W，結(jié)溫為77.2 ℃，仿真與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。此外，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)焊球直徑對熱性能的影響最為顯著。該研究為GaN器件的MCM封裝提供了重要的熱管理參考依據(jù)。

MCM-LED 封裝散熱系統(tǒng)的原型結(jié)構(gòu)

FOWLP 和MCM 封裝技術(shù)在GaN 器件封裝中各具特色。FOWLP 將芯片嵌入封裝體并利用RDL 實(shí)現(xiàn)電氣連接，能夠顯著減小封裝尺寸，提高集成密度，同時(shí)具備優(yōu)異的熱管理性能，尤其是在多層PCB 結(jié)構(gòu)中，能夠有效降低結(jié)溫并實(shí)現(xiàn)快速熱響應(yīng)。MCM 封裝則通過將多個(gè)芯片集成在同一基板上，減少寄生電感，提升熱管理效率和系統(tǒng)功率密度，特別適用于高功率密度和多芯片協(xié)同工作的場景，如高功率LED 和DC-DC 轉(zhuǎn)換器?？傮w而言，F(xiàn)OWLP 更適合高集成密度和快速熱響應(yīng)的應(yīng)用，而MCM 則在高功率和多芯片集成領(lǐng)域表現(xiàn)更優(yōu)，需根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。