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摘要：相对于传统的硅半导体由于自身实际发展的局限性和摩尔定律对其的限制，急需寻找下一代半导体，针对化合物半导体来讲，其具备更大的禁带宽度和电子迁移率，在高温以及高频和大功率环境下表现出的工作性能良好，刚好和未来半导体发展需求相符合。本文主要就结合化合物半导体特性及封装工艺控制相关方面进行分析和探讨。
关键词：化合物半导体；特性；封装工艺控制
1化合物半导体特性
1.1砷化镓（GaAs）半导体特性
GaAs是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。
GaAs具有电子迁移率高（是硅的5~6倍）；禁带宽度大（它为1.43eV，硅为1.12eV），工作温度可以比硅高；为直接带隙，光电特性好，可作发光与激光器件；容易制成半绝缘材料（电阻率107~109Ωcm）；本征载流子浓度低；耐热、抗辐射性能好；对磁场敏感；易拉制出单晶；GaAs比硅更不会受到自然辐射的干扰，不易产生错误信号。
GaAs资源稀缺，价格昂贵，约为硅材料的10倍；砷化物有毒物质，对环境会造成污染；GaAs的毒性至今仍没有被很完整地研究。当要做晶圆抛光制程（磨GaAs晶圆使表面微粒变小）时，表面的区域会和水起反应，释放或分解出少许的As。另外还存在机械强度较弱，易碎制备困难的问题；而且砷材料是一种易挥发物质，在一定条件下容易分解，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比。
1.2氮化镓（GaN）半导体特性
GaN和SiC同属于第三代宽禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等相比，其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度；较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效；
电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。
在射频领域，都会有GaN的身影，作为重要的升级换代技术，在与GaAs的较量中显示出绝对的3大物理特性优势：
（1）GaN器件提供的功率密度比GaAs器件高十倍：由于GaN器件的功率密度较高，因此可以提供更大的带宽、更高的放大器增益，并且由于器件尺寸的减少，还可提高效率。
（2）GaN场效应管器件的工作电压比同类GaAs器件高五倍：由于GaN场效应管器件可在更高电压下工作，因此在窄带放大器设计上，设计人员可以更加方便地实施阻抗匹配。
（3）GaN场效应管器件提供的电流比GaAs场效应管高二倍，因此GaN场效应器件的本征带宽能力更高。
1.3碳化硅（SiC）半导体特性
SiC是一种由Si（硅）和C（碳）构成的化合物半导体材料。与普通硅相比，采用SiC的元器件有如下特性：高压特性、SiC器件是同等硅器件耐压的10倍、SiC肖特基管耐压可达2400V、SiC场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。
SiC的临界击穿场强是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出高耐压功率器件。高耐压功率器件的导通电阻主要来源于漂移层电阻，因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。SiC材料能够以高频器件结构的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和MOSFET）去实现高耐压，从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性。另外，带隙较宽，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高温下也可以稳定工作。SiC器件具有出色的特性,能够实现高耐压、低功耗、高频动作和高温动作。使用SiC的功率半导体能够实现大幅节能和安装产品的小型化、轻量化。
2封装工艺控制
2.1环保、安全要求
GaAs对环境有着很大的污染，因此不能将其随意进行排放，在封装中减博划片存在水污染问题，需要专业的设备对废水进行回收、处理；当加热时，GaAs会分解，释放出有毒的氧化砷烟雾；加工人员需要定期进行砷含量检测。GaAs包含砷元素，做为有毒材料对待，报废产品应该放置于合适的容器中。GaAs的废弃物和破片，封装不良品等，都需作为固体有毒物品管理。
2.2激光切割工艺应用
相对于化合物半导体晶圆，在封装当中一般需要采用激光全切割工艺，采用激光加工就可以对加工对象实现完全切割的一种方法，该工艺可以对化合物半导体和背面附金属膜的晶圆、金属（铜、钼）等有效，全切割是用激光照射图案面1次或多次，切入胶膜。此方法可实现高速、高质量加工，而且能够将激光束直径控制在10μm以下，因此可大幅缩小切割道。
在半导体封装行业内激光切割工艺已成熟量产应用，针对晶圆来讲有相应的要求：（1）拥有特定的图案便于CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件，可以称为CCD图像传感器）的精准定位；（2）划片槽宽度大于等于20μm，在激光扫描和机台定位精度内。（3）正面激光加工时，晶圆表面不能有TEG（Test Element Group,测试元件组）/金属层。（4）背面激光加工时，晶圆背面需贴附改质专用贴膜。目前大部分半导体材料（如Si、SiC、GaN、GaAs等）或脆性材料（如玻璃、蓝宝石、钽酸锂等）均已用此技术方案进行生产加工：将晶圆背面贴上特质膜，使用激光在晶圆正面划片槽内进行划片，有全切割和半切割两种方式。
2.3工艺控制要求
（1）GaAs比硅片脆而且硬,断裂韧度GaAs为0.31MPa/m，Si为0.82MPa/m；封装过程需预防芯片破裂；由于GaAs和GaN器件目前都配备镀金焊盘，建议使用金焊线进行互连；焊线参数需DOE验证优化；焊线时额外的力度或能量也会导致焊盘上的弹坑、裂纹。为了预防芯片破裂，封装粘片时需特别控制芯片背面不能出现顶针印迹，通常将钨钢顶针替换为电木顶针；并将顶起高度、速度参数优化，制定芯片背面顶针印迹控制标准在显微镜下检查和监控，保证芯片背面质量符合要求。（2）GaAs不耐高温，因为芯片温度不能超过320℃；封装过程需注意控制烘烤及加工温度控制。（3）GaAs元器件对静电非常敏感，在封装过程中要注意设备及人员的静电控制。这需要封装测试厂通过ANSI/ESDS20.20标准的认证，设施、设备、人员等符合产品的静电等级要求，此标准使用范围包括北美、欧洲、亚洲，属于ESD业内最权威的标准。（4）多数GaAs芯片技术都是平坦的表面芯片；但是，特定的应用需要空气桥金属技术。空气桥容易被压伤。通常封装厂针对此类芯片粘片时，在芯片拾取和芯片安放等操作的时候，需要配备专用治具，不允许触碰芯片表面。
2.4封装工艺、材料选用
为了实现高温功率器件的应用，封装成为了器件应用的瓶颈，传统电子器件的封装材料很难满足SiC器件封装的要求。例如塑粉的使用温度一般不超过180℃，而SiC功率器件可工作在300℃~600℃的恶劣环境中，而一般的气密性封装所使用的材料也难以达到这样的高温要求。因此必须研究探索新的封装材料对SiC器件进行气密性封装。
SiC器件封装的材料需要具有良好的导热性、具有优良的绝缘特性、热膨胀系数小，与SiC的热膨胀系数匹配、耐高温，在空气氛围300℃以上高温环境中保持稳定。
因此，封装材料选择时，粘片工艺的选择、粘片材料的导热性能是影响产品最终使用的关键。
结语
化合物半导体在当前的照明技术以及光电子、汽车电子等方面有着非常普遍的应用，由于其具有良好的高频以及高压特性，在针对固态光源以及微波射频和电子技术方面有着非常重要的作用。化合物半导体在未来的发展中，随着技术的成熟，其地位也越来越显著，是半导体行业整体发展的主要方向。
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