近年來，晶片材料、設備以及製程製程等技術的不斷突破下，在高壓、高溫、高頻應用場景中三代半導體材質優勢逐漸顯現。其中，氮化鎵從2018年開始，憑藉著在消費性產品快充電源領域的如魚得水，業界對氮化鎵關注度不斷升溫，甚至將7月31日定為世界氮化鎵日。

接下來就讓我們一起來探討氮化鎵材質的特性如何？氮化鎵市場的發展方向？封裝技術需求？

氮化鎵作為寬帶隙複合半導體材料，具備禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、開關頻率高，以及抗輻射能力強等優勢。其中，開關頻率高意味著應用電路可以採用尺寸較小的被動元件；擊穿電壓高則意味著電壓耐受能力比傳統矽材料高，不會影響導通電阻性能，因此能夠降低導通損耗。種種優勢加持下，GaN 成為了更好支持電子產品輕量化的關鍵材料，是目前最具發展前景的材料。

中國氮化鎵產業發展迅速，產業鏈國產化日益完善，多家國內企業已擁有氮化鎵晶圓製造能力。隨著市場資本的不斷湧入，國內三代半導體產業政策推動下，氮化鎵應用領域、市場規模快速擴大，國內以光伏裝置、功率元件、射頻元件為主的氮化鎵市場，預估2026年市場規模達突破千億元，年複合成長率達40.1%。

5G通訊基地台是氮化鎵市場主要驅動因素之一，氮化鎵射頻裝置主要應用於無線通訊，佔比到達49%。氮化鎵材料耐高溫、高壓及承受更大電流的優勢使得射頻元件應用在5G基地台中更為合適。隨著國內5G基地台覆蓋率不斷上升，對氮化鎵射頻元件需求將更大。

隨著智慧終端設備的不斷普及，設備的充電技術與其電池效能成為產品市場競爭主要賣點。業界一直在努力增加充電器的功率讓充電時間更短，縮小電源適配器的尺寸使其更加便捷，現代充電器本身就是“計算機”，根據連接的設備，可判斷要輸送的電流量，氮化鎵使這個過程變得更加快捷，與矽充電器相比氮化鎵可以快速確定要輸送的電流量，並在更長的時間內通過高功率；矽充電器通常體積很大，主要是因為它們會產生大量熱量，並且必須將組件放置在一定距離以便更快的冷卻。氮化鎵充電器的尺寸比矽充電器更小巧，長時間提供大電流而不會過熱。由於以上特性，氮化鎵是充電器和行動電源的絕佳材料選擇，智慧行動裝置的領導者——蘋果，也積極向氮化鎵進軍。

目前第三代半導體材料已經開始在新能源汽車領域應用，但主要是碳化矽實現了產業落地，氮化鎵在新能源汽車領域的嘗試仍限於起步階段，未來新能源汽車數量不斷增長，氮化鎵在車用充電器、DC-DC轉換器等領域潛在市場空間龐大。

生態環境是人類賴以生存生存的保障，生活垃圾處理成為世界性難題，使用等離子氣化技術處理垃圾經濟環保，氮化鎵材料可以幫助等離子氣化技術產業化。

對於氮化鎵產品的封裝，主要有4種封裝解決方案。電晶體封裝，在其設計中包含一個或多個HEMT(High-electron mobility transistor)；系統級封裝(SiP)，同一包封體中封裝不同功能的晶片；系統晶片封裝(SoC)，將不同功能晶片透過晶圓級重構，在性能上更加突出；模組化封裝，將多個功率封裝個體整合在一個模組包中（截至2021年，市場上可供選擇的氮化鎵模組並不多）。常見的封裝類型如下：

TO類封裝：

表面貼裝類封裝：

基板類封裝：

嵌入式封裝：

GaN晶圓硬度強、鍍層硬、材質脆材質特點，與矽晶圓相比在封裝過程中對溫度、封裝應力更為敏感，晶片裂縫、界面分層是封裝過程最易出現的問題。同時，GaN產品的高壓特性，在封裝設計過程對爬電距離的設計要求也與矽基IC有明顯的差異。

華天科技，作為全球領先的積體電路封測服務供應商，積極佈局三代半導體封裝技術研發，在氮化鎵材質封裝領域，透過不斷材料性能研究、試驗實踐，從結構設計、材料選擇、製程等不同階段，築起多維度技術護城河，形成成熟、穩定、高可靠性的氮化鎵封裝設計生產能力，為國內外多家客戶提供氮化鎵產品封測業務，累計出貨量超過億顆。

從晶圓材質上，目前用於GaN外延生長的基板材料主要有Si、藍寶石、SiC、Zn和GaN，其中Si、藍寶石、SiC三種相對多些，尤其是Si具有成本優勢應用最廣泛。儘管GaN與Si材料之間的晶格失配和熱失配使得在Si基板上外延生長高品質的GaN材料及其異質結比較困難，但運用AlGaN緩衝層、AlGaN/GaN或AlN/ GaN等超晶結構及低溫AlN插入層等技術已能較為有效地控制由晶格及熱失配帶來的外延層中出現的如位錯、裂化、晶圓翹曲等問題(說明對溫度比較敏感）。

高效能、高可靠性、低成本是積體電路產品市場核心競爭力，華天科技以框架類封裝為氮化鎵產品突破口，依據晶片材質特性，率先在業界建立氮化鎵產品封裝製程標準。建立了氮化鎵產品專用導入流程，保障產品開發導入一次通過，協助客戶新品快速發表。產業鏈上下游連動，積極探究框架設計結構差異對晶片性能帶來的提升，模擬驗證框架結構、對比驗證框架表層處理工藝，從設計端提升產品性能、可靠性，優化材料成本。

封裝製程是積體電路品質的核心管控要素之一，針對氮化鎵晶片材質特徵，華天科技對封裝各環節進行製程方案及設備參數的驗證，管控產品研磨製程生產厚度、晶圓切割製程刀具規格以及進刀參數、封裝材料CTE性能選擇、膠層塗覆厚度、黏接材料烘烤時間及溫度等措施，都是避免氮化鎵產品品質問題的核心。

晶片裂縫是氮化鎵產品封裝最常見的失效現象，如何快速、精確的辨識剔除異常產品，是提高產品封測良率、保障產品正常使用的保障。華天科技率先制定氮化鎵產品裂紋、分層檢驗標準，投入SAM、AVI等高精度、自動化設備，確保異常產品不流通、不外溢。

在氮化鎵晶片封裝量產過程中，技術團隊不斷探究積累，解決了GaN材料在封裝過程中極易產生的晶片裂解等關鍵性技術，總結制定出GaN-on-Si產品Creepage distances（爬電距離）的Design rule。 GaN-on-Si產品封裝製程關鍵製程技術（重點解決GaN材料在封裝過程中晶片裂紋品質異常）的突破並用於量產，透過產業協調，率先在業界量產封裝8inch GaN-on-Si wafer 。

以客戶為中心，以市場為導向。面對競爭激烈的氮化鎵市場以及多樣化的客戶需求，在公司的全力支持下，在無數華天人的不懈奮鬥下，在科學嚴謹的研發思路指導下，借助自身完善的模擬仿真、設計能力，不斷優化材料選擇、結構設計，夯實製程能力（減薄、激光開槽、機械劃片、芯片粘接、過程烘烤等）、總結DOE（DESIGN OF EXPERIMENT）結果，確保每一顆產品可靠性。積體電路封測Turnkey業務模式，大幅縮短了客戶新品發布周期，協助國內外氮化鎵廠商產品迭代更新，在激烈的市場競爭中占得先機。

(半導體材料與製程設備)