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双雄逐鹿第三代半导体,More Moore之路

2019-06-10
eye 62
文章创建人 拍明芯城


超越摩尔定律


“摩尔定律”在过去的几十年被事实证明为集成电路的黄金定律。“摩尔定律”由戈登·摩尔(Gorden Moore)提出,其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。根据ITRS的的观点,传统的硅晶体管微缩至6纳米已达极限。以硅材料为根基的摩尔定律即将失效,集成电路将如何发展?

一、超越摩尔定律,SiP是重要路径之一。

引用ITRS对SiP的定义:SiP是一种新的封装技术,将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。SiP是“System in Package”的缩写,意思为:系统级封装,一种设计或产品将不同的半导体器件整合使用的方式,如将存储器与SoC(System on Chip, 系统级芯片)封装在同一单芯片中。

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SiP与SoC的比较(来源:IC封装与技术)


SiP技术已经得到广泛应用,从最初的手机、智能手表、智能眼镜等3C产品,逐渐扩展到医疗、汽车、军工以及航空航天等领域。例如iPhone X、Apple Watch、Google Glass、PillCam(胶囊内窥镜)等产品都得益于SiP技的发展。

二、超越摩尔定律,3D封装是技术路径之一。

3D三维)是“3 Dimensions”的简称,3D封装是一种集成多种先进技术的立体封装。而晶圆级封装(WLP,Wafer Level Package)、硅通孔技术(TSV,Through Silicon Via)、2.5D Interposer、3D IC、Fan-Out等技术的产业化,极大提升了集成电路封装的工艺和水平。

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先进封装技术平台与工艺(来源:芯思想)


2018年12月11日,英特尔首次发布全新的3D混合封装“Foveros”,Foveros是一种3D芯片封装技术,Intel CPU处理器引入3D堆叠设计,可以实现芯片上堆叠芯片,整合不同工艺、结构、用途的芯片,可以大大提高芯片设计的灵活性,便于实现更丰富、更适合的功能特性,获得最高性能或者最低能耗。2019年4月3日,Intel正式发布Agilex FPGA,Agilex FPGA是第一款集成了Intel几乎所有最新创新技术的FPGA产品,包括:10nm制造工艺、异构3D SiP立体封装、PCIe 5.0总线、DDR5/HBM/傲腾DC持久性内存、eASIC设备One API统一开发接口、CXL缓存和内存一致性高速互连总线(面向未来至强可扩展处理器)。

2019年3月19日,中芯长电发布世界首个超宽频双极化的5G毫米波天线芯片晶圆级集成封装SmartAiP(Smart Antenna in Package)工艺技术,这是SmartAiP3D-SiP工艺平台首次在具体市场领域得到应用。SmartAiP通过超高的垂直铜柱互连提供更强三维(3D)集成功能,加上成熟的多层双面再布线(RDL)技术,结合晶圆级精准的多层天线结构、芯片倒装及表面被动组件,使得SmartAiP实现了5G天线与射频前端芯片模块化和微型化的高度集成加工,具有集成度高、散热性好、工艺简练的特点。

各大芯片原厂和Foundry都在开发或应用三维(3D)封装技术。下图是近年来的高性能3D TSV产品路线图,我们可以看到越来越多的CPU、GPU、存储器已经使用了3D TSV技术。除了是由于TSV技术的不断成熟,也离不开云计算、物联网、人工智能等领域的巨大需求驱动。

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高性能3D TSV产品路线图(来源:芯思想)


三、超越摩尔定律,新材料是突破路径之一。

目前市面上超过99%的集成电路都是以第一代元素半导体材料之一,硅(Si)材料制作;锗(Ge)材料在20世纪50年代有过高光时刻,广泛应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但到了60年代后期因耐高温和抗辐射性能较差,工艺更难、成本更高逐渐被硅材料取代。

第二代化合物半导体材料(GaAs、InP等)是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于光接收器(PIN)、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)及太阳能电池等产品,对国防卫星通讯、光通信和航天领域研究具有重要意义。但GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,会污染环境,InP甚至是可疑致癌物质,这些缺点使得其应用颇受局限。

第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN等),因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV)而得名。第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构,广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造,具有很大的发展潜力。目前第三代半导体材料已逐渐渗透5G、新能源汽车、绿色照明等新兴领域,被认为是半导体行业的重要发展方向。


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半导体材料发展及特性比较(来源:满天星)


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Si、GaAs、GaN、SiC等物理特性比较(来源:光大证券研究所)



第三代半导体材料市场发展趋势


2018年,全球第三代半导体材料市场规模为4.19亿美元(若汇率6.85,约合28.7亿人民币),同比增长42.6%。而我国第三代半导体材料市场总体规模已达5.97亿元人民币,占全球的20.8%,同比增长率是47.3%,究其深层原因,是得益于5G、新能源汽车、绿色照明等新兴行业的蓬勃发展和政策大力扶持的双重驱动。预计未来三年中国第三代半导体材料市场仍将保持20%以上的平均增速,到2021年将达到11.9亿元。




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第三代半导体材料市场规模(来源:赛迪顾问)

从全球第三代半导体材料和器件的研究来看,目前发展成熟的是SiC和GaN半导体材料,而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步。因此碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)被称为第三代半导体材料的双雄。第三代半导体材料及相关器件芯片,具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点,广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、新一代移动通信、消费类电子等领域,被视为支撑能源、交通、信息、国防等产业发展的核心技术,已成为全球各国半导体行业的重点研究方向。

第三代半导体材料产业发展三大趋势:

一是技术趋势:大尺寸和高质量SiC生长技术是未来发展的趋势、同质外延依然是GaN器件的技术改进方向,所以高质量GaN衬底的技术研发还将继续;

二是应用趋势:半导体照明、激光器和探测器、军事领域以及5G及新能源汽车代表的新兴领域将成为未来第三代半导体材料主要的应用领域;

三是价格及成本趋势:未来6英寸SiC衬底预计将降至5000元/片以下、GaN衬底价格有望降至500美元/片左右,并且随着衬底和外延片尺寸的增加和生产规模的扩大,衬底和外延片的成本将有所下降,毛利率会更高。



第三代半导体器件双足鼎立之势


目前,硅是半导体器件的主流,碳化硅和氮化镓是补充方案, 在硅器件达不到目标性能和指标时,碳化硅和氮化镓就可以发挥作用,例如碳化硅主要定位成高功率、高电压领域 ,从600V~3.3kV是碳化硅器件比较适合应用的场景。氮化镓则定位中央的低压产品,大概是100~600V左右。氮化镓的产品还有一个特性是能够在高频下无损耗地进行开关,该特性能更好的适用于高频LED和电源类产品。未来很长一段时间内硅、碳化硅和GaN的市场将同时发展。


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硅、碳化硅和氮化镓的应用定位(来源:英飞凌)


一、碳化硅SiC

以碳化硅来说,目前全球碳化硅产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,居于领导地位,占有全球碳化硅产量的70-80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

近年来中国已初步建立相对完整的碳化硅产业链生态,包括有单晶衬底企业山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能、中电科装备;外延片企业瀚天天成、东莞天域半导体、国民天成、中电科13所、中电科55所;模块、器件制造企业安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体等;且部分厂商已取得阶段性进展。

碳化硅(SiC)是一种宽带隙材料,与硅相比,具有许多优点,例如,工作温度更高,散热性能得到改善,开关和导通损耗更低。 不过,宽带隙材料比硅基材料的量产难度更高。

碳化硅在不同领域的应用各有优点:

1、SiC材料应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;

2、SiC材料应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;

3、SiC材料应用在家电领域,可节能50%;

4、SiC材料应用在风力发电领域,可提高效率20%;

5、SiC材料应用在太阳能领域,可降低光电转换损失25%以上;

6、SiC材料应用在工业电机领域,可节能30%-50%;

7、SiC材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失降低60%,同时供电效率提高40%以上;

8、SiC材料应用在大数据领域,可帮助数据中心能耗大幅降低;

9、SiC材料应用在通信领域,可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;

10、SiC材料可使航空航天领域,可使设备的损耗减小30%-50%,工作频率提高3倍,电感电容体积缩小3倍,散热器重量大幅降低。


2004年由Ranbir Singh博士创立的GeneSiC Semiconductor Inc(以下简称“GeneSiC”)专注于研发、制造、销售SiC功率半导体器件,以优质、高性能和耐高温的产品特点被广泛应用于全球工业和国防等领域。

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GeneSiC授权书

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2019年3月11日,GeneSiC与拍明芯城达成战略合作,并签署了授权书。

拍明芯城将充分利用电子产业互联网平台优势,帮助GeneSiC利用互联网渠道推广,逐步打开市场和提升品牌影响力。双方可携手为全球的中小微客户提供以“GeneSiC”品牌器件、模块或方案为核心的高效服务。


二、氮化镓GaN

氮化镓是氮和镓的化合物,此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件,GaN 器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作,而且GaN在电源转换效率和功率密度上能实现性能的飞跃。另外,氮化镓器件可以在1~110GHz 范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段,因此被广泛应用于微波器件氮化镓器件还拥有激发蓝光的独特性质,在光学存储、激光打印、高亮度LED 以及无线基站等应用领域优势明显,所以已被广泛应用于高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管等光电子领域。

目前,整个GaN 功率半导体产业处于起步阶段,各国政策都在大力推进该产业的发展。国际半导体大厂也纷纷将目光投向GaN 功率半导体领域,关于GaN 器件厂商的收购、合作不断发生。

从GaN专利技术来源及技术市场分布来看,氮化镓材料的大部分专利掌握在四个国家手中,其专利数量占据了全球专利总量的90%之多,分别是日本(38%)、美国(21%)、中国(16%)、韩国(15%)。下图排名前15的专利权人中,日本机构有11家,中国的中科院(第6位)和美国的加州大学(第15位)也进入前15位。除了中美的专利权人是科研单位/院校,日韩的专利权人均为全球知名企业。

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GaN领域TOP 15专利权人(来源:中科院文献情报中心)

下图GaN领域高价值专利TOP 10,美国Cree实力拔群,拥有8项,德国OSRAM和日本Nichia各占一名中国进入GaN领域时间较晚,但中国科研机构和企业进入全球氮化镓领域专利活跃申请人越来越多,专利申请量近年来高速增长,对海外专利布局也越来越重视。

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GaN领域高价值专利(来源:中科院文献情报中心)

尤其是在电力工程行业的应用,氮化镓(GaN)实现了以往硅 MOSFET 从未达到的高速度、高效率和更高功率密度。GaN 固有的较低栅极和输出电容支持以兆赫兹级的开关频率运行,同时降低栅极和开关损耗,从而提高效率。不同于硅,GaN不需要体二极管,因而消除了反向恢复损耗,并进一步提高了效率、减少了开关节点振铃和 EMI。 


镓能半导体(佛山)有限公司(以下简称“镓能”)自2016年成立以来,一直专注于氮化镓(第三代半导体材料)功率器件的事业,在IPM、服务器电源、电源适配器、快充等应用领域陆续推出了更高的能量转换、更高的电源密度的解决方案。以系统应用端需求驱动芯片研发,已经在白色家电和新能源领域取得了显著的研发成果。例如与美的空调IPM团队紧密合作下,第三代半导体氮化镓功率器件芯片研发和产业化取得国际领先的突破性进展:带驱动IC的IPM专用第三代半导体氮化镓功率器件,将直接替换IGBT用于美的空调IPM,能够简单快捷地研发出新型高能效高功率密度的IPM。公司还成功研发了1500V的漏源(drain-to-source)击穿电压(breakdown voltage)第三代半导体氮化镓功率器件,填补氮化镓芯片650V-1500V高压应用的空缺,将用在大型光伏电站直接上高压电网逆变器和其他高压家电和工业电源项目。

镓能自主研发的氮化镓功率器件,共6系列,封装齐全(包括LGA封装、DFN封装、SO封装和TO 4种封装),19种产品,产品包括氮化镓功率器件系列、测试评估板系列、电源模块、超小型快充适配器、服务器电源、无线充电功率放大和接收器等,成为国内首家第三代半导体材料(氮化镓)功率器件种类最全的供应商。第三代半导体氮化镓功率器件不仅性能参数远优于硅功率器件,其平面结构亦给封装架构和优化系统应用的集成带来革命性的改变。在同等的功率下,其封装成的器件体积可以越做越小,即功率密度越来越高。相对应于系统应用,氮化镓功率器可以使电源产品的体积做得更小,电能的转换效率更高,总体成本更低。

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2019年5月8日,镓能与拍明芯城达成合作后强势入驻,拍明芯城将充分利用其电子产业互联网平台优势,帮助镓能利用互联网渠道推广和销售产品,逐步拓展GaN产品的应用和提升品牌影响力。目前“GANPOWER”品牌的GaN器件、模块或方案已在商城全面上架。


拍明芯城是一家不赚差价的撮合式元器件交易平台,始终保持开放、透明,确保商品正品可溯源,已广受原厂和中小微客户信赖。拍明芯城作为链接原厂与中小微客户的桥梁,未来会与越来越多的原厂建立合作,一起掘金全球最大的元器件需求市场——中国



责任编辑:Waedon

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