氮化镓何方神圣？要从2014年诺贝尔奖物理奖说起，得主是日本学者赤崎勇、天野浩与中村修二三位学者，他们的成果就是发明了氮化镓(GaN) 蓝光LED。这项技术不仅彻底改变了LED行业，更是为第三代半导体氮化镓的市场应用掀开了新的篇章。特别是随着美国于2002年制定的宽禁带半导体技术创新（wide band gap semiconductor technology initiative，WBGSTI）计划，使得GaN基射频器件在军事方面的研发及应用实现了突飞猛进的发展。
GaN被大规模的应用于雷达、智能武器、电子对抗和通信系统等。根据Yole最新的预测，GaN基HEMT功率器件将在2023-2027年间呈现爆发式增长，特别是在快充电源、无线充电、新能源汽车、大数据中心以及功率因素校正等领域获得广泛应用。大家最熟悉的手机快充技术就是采用了GaN技术。
图1 第一代，第二代，第三代半导体对比图
图2 不同半导体材料性能对比
射频简称RF（Radio Frequency），射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波，可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。而射频芯片起到的功能就是将数字信号与无线电信号相互转换，起到沟通数字信号与无线电信号的接受，转换与发射。
晶圆级扇出封装在艾邦半导体公众号中已经有大量介绍，此处略过。本文主要引用德国弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所于2020年发表的一篇文章为基础进行详细介绍。
氮化镓芯片的封装传统的有两种形式：陶瓷封装形式的射频芯片及塑封框架模式射频芯片。陶瓷封装用于高功率的应用，其中较便宜的塑封框架射频芯片用于低功率的最高15 W和频率25 GHz的应用中。而更进一步当应用于5G或高灵敏雷达时，就需要用到更短互连长度，且将硅芯片与GaN 芯片以及无源部件进行相连的晶圆级扇出封装技术。
图3 左图为：陶瓷封装形式的射频芯片 右图为：塑封框架模式射频芯片
GaN晶圆级扇出封装与硅基芯片的晶圆级扇出封装技术相比，两者的相同处在于都需要采用重布线工艺（RDL），RDL工艺在艾邦半导体公众号中也有介绍。不同之处在于，氮化镓芯片通常非常薄，厚度在100um范围内，而且在正面有脆弱的空气桥结构。而与普通硅基芯片相比，GaN芯片的背面的金属层必须完好保护不能破坏，因此不能直接应用常规FOWLP中的背面减薄技术。当然在GaN晶圆级扇出封装时设计及制备时还需要考虑几个点：
那么如何保护背面金属层呢？可以参考图4的设计方案，塑封前在GaN微波芯片背面的金层上贴附铜散热器，这样在后续制备RDL时采用背面减薄工艺时就不会损伤到背面的金层。大家可能注意到airbridge（空气桥）的设计，微波器件为了提高器件的最大震荡频率和功率，常把器件做成多栅结构，多栅结构的多个源端或漏端在形成统一的源端或漏端的互连过程会产生金属连线交叠。由电容理论可知，金属线相互交叉或重叠会产生寄生电容，寄生电容大小与填充介质的介电常数成正比，由于空气的介电常数最小，选其作为介质寄生电容最小，以空气为填充介质的连接方式就是空气桥。
图4 GaN微波芯片晶圆级扇出封装设计
图5为射频芯片晶圆级扇出封装工艺流程， 第一步在载具上铺热剥离胶带，然后将芯粒正面朝下放置，芯粒背面朝上，并贴附散热层。接着采用塑封工艺将载具上的多个芯片进行塑封后将载具取下。背面减薄工艺将多余塑封层以及部分的散热层进行打磨并完全露出散热层。然后采用RDL工艺进行重新布线和植球。
图5 射频芯片晶圆级扇出封装工艺流程
我们可以看看最终成品的样子。图6为GaN微波DIE的实物照片，图7为RDL层设计图，最终的成品如图8所示。可以看到由于芯片将于高温下持续运行，最终的产品上有一个与芯片尺寸不太相匹配的一个巨大的铝制散热块。
图6 GaN微波芯片
图7 GaN 微波芯片及RDL层设计
图8 GaN微波芯片最终产品，巨大的铝制散热块
那最终散热效果如何？图9为芯片工作时温度分布模拟图，可以看到芯片大部分温度在56℃到62℃之间，散热块承接了大量热量也达到了56℃的高温，而芯片结构上最高温甚至可达195℃。大家可能会觉得195℃肯定不能满足要求，但是千万不要用硅基芯片的标准来衡量，该GaN的最高温的Spec Limit是250℃，意味着只要工作时小于250℃都是可以符合要求的。
图9 芯片工作时温度分布模拟图
最后聊聊国内做GaN射频芯片的厂商，国内在GaN芯片领域由于不受制程卡脖子技术的困扰，因此相关厂家较多。
具体细分氮化镓GaN产业链可划分为上游材料、中游器件和模组、下游系统和应用几大环节，产业链与碳化硅类似。
GaN材料包括衬底制备和外延工艺环节，衬底一般为外延材料的同质材料或适配的异质材料制成的晶圆片，外延是指在衬底上生长新单晶薄膜的过程，是半导体器件制造的基础原材料。
射频MMIC主要应用在通讯和雷达领域，市场化程度还不高。反观在传统功率器件及快充领域，国产厂家市场占有率较高。比如大家熟悉的三安光电、航微电子、苏州能讯、稼半导体、杭州士兰微以及中电国基南方、55所、13所、海特高新、优镓科技等等。
作者：Semicon Solutions & 树先生
参考文献及网址：
- 1. Fan-out Wafer Level Packaging of GaN Components for RF Applications
- 2. 厦门火炬高新区、科芯大讲堂
- 3. 《半导体芯科技》杂志12/1月刊
- 4. https://www.sohu.com/a/642179033_121266081
- 5. https://zhuanlan.zhihu.com/p/570232271
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：先进封装之氮化镓射频芯片晶圆级扇出封装