在新能源汽車、5G通訊、光伏儲(chǔ)能等終端應(yīng)用的發(fā)展下，SiC/GaN等第三代半導(dǎo)體材料水漲船高，成為時(shí)下最火熱的發(fā)展領(lǐng)域之一。為全面梳理第三代半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的瓶頸以及技術(shù)突破的方向，TrendForce集邦咨詢旗下化合物半導(dǎo)體市場、全球半導(dǎo)體觀察于2022年8月9日，在深圳福田JW萬豪酒店舉辦2022集邦咨詢第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會(huì)。
會(huì)議高朋滿座，來自科研院校、企事業(yè)單位、媒體界眾多菁英共聚一堂，共商行業(yè)未來。
會(huì)議伊始，集邦咨詢總經(jīng)理樊曉莉發(fā)表致辭，她向所有參會(huì)嘉賓表示歡迎和感謝，并表達(dá)了對(duì)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的美好祝愿。
隨后，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的行業(yè)專家與集邦咨詢分析師相繼發(fā)表精彩演講，演講精華匯總?cè)缦隆?/p>
Wolfspeed
終端應(yīng)用市場對(duì)于高效率、高功率密度、節(jié)能省耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求日益增強(qiáng)，與此同時(shí)，各國能效標(biāo)準(zhǔn)也不斷演進(jìn)，在此背景下，SiC憑借耐高溫、開關(guān)更快、導(dǎo)熱更好、低阻抗、更穩(wěn)定等出色特性，正在不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。
以電動(dòng)汽車的22kW OBC應(yīng)用為例，SiC器件有助于減少30%的功率損耗、縮短充電時(shí)間，并將功率密度提升50%，帶動(dòng)系統(tǒng)效率的提升及系統(tǒng)成本的下降。
Wolfspeed 中國區(qū)銷售與市場副總裁 張三嶺
在能源效率新時(shí)代，SiC開始加速滲透電動(dòng)汽車、光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)車充電樁、PFC/開關(guān)電源、軌道交通、變頻器等應(yīng)用場景，接下來將逐步打開更大的發(fā)展空間。
為應(yīng)對(duì)不斷增長的SiC市場需求，已占據(jù)全球SiC材料市場最大份額（＞60%）的Wolfspeed，也在加速碳化硅器件的研發(fā)和生產(chǎn)。
今年4月，Wolfspeed全球最大的首座8英寸（200mm）SiC工廠正式開業(yè)，該工廠預(yù)計(jì)2024年達(dá)產(chǎn)，屆時(shí)產(chǎn)能將達(dá)2017年的30倍。市場拓展方面，Wolfspeed已與多家器件廠商、車企簽訂了襯底、器件相關(guān)的長期供貨協(xié)議，SiC車用等業(yè)務(wù)規(guī)模穩(wěn)步擴(kuò)大。
國星光電
電子電力元器件在工作過程中可能出現(xiàn)可靠性失效的問題，而巨量的實(shí)例總結(jié)發(fā)現(xiàn)80%以上的元器件失效的根本原因就是“熱問題”，因此熱管理尤為關(guān)鍵。
國星光電通過數(shù)字化的仿真技術(shù)開展熱管理分析，快速定位熱點(diǎn)，提前發(fā)現(xiàn)可靠性失效，方案調(diào)整成本低，效率高，并通過仿真技術(shù)的多學(xué)科優(yōu)化指引設(shè)計(jì)開發(fā)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升開發(fā)質(zhì)量和效率。
國星光電 研究院研發(fā)經(jīng)理、高級(jí)工程師 成年斌
依托深厚的半導(dǎo)體器件封測經(jīng)驗(yàn)，國星光電在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域積極進(jìn)行技術(shù)、產(chǎn)品和產(chǎn)線的布局，已開始向該領(lǐng)域的客戶提供高品質(zhì)、高可靠性的封測產(chǎn)品，包括SiC-MOSFE、SiC-SBD功率分立器件、SiC功率模塊以及GaN器件等不同系列的產(chǎn)品。
從應(yīng)用場景來看，國星光電的SiC產(chǎn)品目前主要面向汽車充電樁、UPS不間斷電源、電力儲(chǔ)能傳輸?shù)裙I(yè)級(jí)領(lǐng)域，下一步將逐步向車規(guī)級(jí)領(lǐng)域靠攏。GaN功率器件則針對(duì)潛在規(guī)模約80億美元的快充市場開展研究工作，同時(shí)前瞻布局智能IC控制領(lǐng)域。
英諾賽科
數(shù)字化浪潮推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，但數(shù)據(jù)中心的能耗和碳排放貫穿其整個(gè)生命周期，其中CPUs和GPUs需要更大的功率供電。鄒艷波表示，預(yù)計(jì)2030年數(shù)據(jù)中心的耗電量將達(dá)3000TWhr，數(shù)據(jù)中心在節(jié)能方面存在較大的提升空間。
英諾賽科 產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān) 鄒艷波
針對(duì)這一現(xiàn)狀，英諾賽科基于GaN開發(fā)了下一代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)。鄒艷波指出，現(xiàn)有的100V-650V GaN技術(shù)比Si具有非常明顯的優(yōu)勢，目前在應(yīng)用上處于井噴初期；30-40V GaN同樣展示出性能的優(yōu)勢，吸引著業(yè)界的關(guān)注。
他指出，英諾賽科可以提供全鏈路的GaN的數(shù)據(jù)中心供電解決方案，使數(shù)據(jù)中心的供電更高效，更高的功率密度，更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，助力數(shù)字中心實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。同時(shí)，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域英諾賽科推出了三個(gè)新產(chǎn)品：INN040LA015A、INN100W032A、INN650D080B。
據(jù)悉，三款產(chǎn)品均為E-mode器件，耐壓值分別為30V、100V、650V，面向通信基站、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、戶外電源、電動(dòng)工具、工業(yè)電源等不同的應(yīng)用場景，具有高效率、高頻、高可靠性等特征，可以助力碳達(dá)峰，碳中和。
廈門大學(xué)
雙碳目標(biāo)背景下，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建面臨諸多挑戰(zhàn)，而基于電力電子技術(shù)的柔性交直流輸電裝置正在成為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)手段。邱宇峰指出，電力電子設(shè)備在新型電力系統(tǒng)中將成為“剛需”，各類電力電子設(shè)備將在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的各個(gè)層面發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。
廈門大學(xué)講座教授、國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長 邱宇峰
但硅基器件固有的耐壓低、電流密度低、頻率低、開關(guān)速度低等弱點(diǎn)，導(dǎo)致裝置體積大、重量高、功率密度低，限制了電力電子裝備的普遍應(yīng)用。
與之相比，SiC器件的優(yōu)勢在于高壓（達(dá)數(shù)萬伏）、高溫（大于500℃），可突破硅器件在電壓（數(shù)kV）和溫度（小于200℃）等方面的局限性，是制備高電壓、大功率器件的新型戰(zhàn)略性材料，高壓大功率SiC器件將給電力系統(tǒng)帶來深刻變革。
但邱宇峰也指出，當(dāng)前碳化硅器件的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)探索階段，面向電網(wǎng)應(yīng)用的碳化硅器件還需要在大尺寸高質(zhì)量襯底外延材料，芯片電流密度，高壓絕緣封裝材料和應(yīng)用等方面進(jìn)一步開展研究。
泰科天潤
高遠(yuǎn)介紹，目前，國產(chǎn)碳化硅芯片項(xiàng)目面臨的問題主要有：
1、資金和時(shí)間。一座晶圓廠的建設(shè)成本包括廠房建設(shè)、設(shè)備購買及維護(hù)、人工、折舊費(fèi)等，成本非常高，需要持續(xù)投入。
2、6寸、8寸的選擇。短期內(nèi)仍以6寸為主，可以謹(jǐn)慎布局8寸技術(shù)，未來瓶頸在國產(chǎn)8寸襯底供應(yīng)。
3、人才稀缺和成體系發(fā)展。國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)布局很多，但人才供不應(yīng)求。同時(shí)一家碳化硅器件廠商需要其內(nèi)部各部門、上下游各環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)展才能不斷前進(jìn)，這一點(diǎn)往往沒有引起足夠的重視。
4、發(fā)展模式。半導(dǎo)體行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的特點(diǎn)還是有明顯的區(qū)別的，不考慮賽道特點(diǎn)，直接照搬互聯(lián)網(wǎng)的手段，大概率會(huì)水土不服的。
5、芯片制造工藝待突破。碳化硅是新材料，需要開發(fā)新工藝，也是現(xiàn)階段碳化硅器件的瓶頸，也是碳化硅器件廠商的核心競爭力所在。
6、二極管已成紅海市場。碳化硅二極管成為國產(chǎn)化的突破口，但隨著價(jià)格的不斷下降，導(dǎo)致新進(jìn)玩家門檻越來越高。
7、主驅(qū)逆變器應(yīng)用。碳化硅在主逆變器上的應(yīng)用是碳化硅器件的主戰(zhàn)場，國產(chǎn)器件需要在工業(yè)領(lǐng)域、OBC、車載DC-DC充分驗(yàn)證后才能放心上主驅(qū)逆變器，預(yù)計(jì)還需要3-5年時(shí)間。
泰科天潤 應(yīng)用測試中心主任 高遠(yuǎn)
最后，高遠(yuǎn)指出，事實(shí)上，國產(chǎn)碳化硅器件任重而道遠(yuǎn)，所面臨的問題并不止以上7個(gè)。
此外，當(dāng)下國際局勢充滿不確定性，國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈仍需修煉內(nèi)功，成為一名優(yōu)秀的長跑者，才能迎接未來將會(huì)出現(xiàn)的各類問題。
晶能光電
Micro LED將在AR/VR、抬頭顯示、車用照明和顯示、消費(fèi)電子、高端電視等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并正在開啟一個(gè)千億級(jí)的市場。
晶能光電 外延工藝經(jīng)理 周名兵
目前Micro LED仍面臨著關(guān)鍵技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)，包括紅光光效、巨量轉(zhuǎn)移、晶圓鍵合、及全彩化工藝，迫切需要提升良率，并優(yōu)化檢測和修復(fù)技術(shù)。
微米級(jí)的Micro LED產(chǎn)業(yè)化需要采用類IC制程以實(shí)現(xiàn)高良率和低成本。八英寸及以上的硅襯底GaN方案是兼容Micro LED和類IC制程的重要途徑。晶能光電具有國際領(lǐng)先的硅襯底LED技術(shù)，并已成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
公司的硅襯底LED生產(chǎn)覆蓋外延、芯片、器件、模組全鏈條，開發(fā)了高光效、高良率、大尺寸的近紫外、紅、綠、藍(lán)硅襯底GaN基LED外延片，并成功制備了三基色GaN Micro LED顯示陣列。
晶能光電能夠提供完整的硅襯底LED解決方案，期待和行業(yè)同仁密切合作，共同推動(dòng)Micro LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
AIXTRON
在全球電力電子系統(tǒng)革新的大趨勢推動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體在未來市場中有非常大的應(yīng)用場景，GaN和SiC器件正在加速滲透進(jìn)各級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域。
愛思強(qiáng) 工藝經(jīng)理 陳偉
為了實(shí)現(xiàn)器件的優(yōu)良性能，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)劃生產(chǎn)的需求，AIXTRON公司為市場量身定制了用于SiC外延的AIX G5 WWC和用于GaN外延的AIX G5+ C批量生產(chǎn)解決方案。
這兩個(gè)機(jī)型都是基于全球量產(chǎn)客戶驗(yàn)證的AIXTRON行星式反應(yīng)器平臺(tái)，配合全自動(dòng)化卡匣式（C2C，SMIF可選）晶圓傳輸系統(tǒng)，目前標(biāo)準(zhǔn)配置為8×6英寸，并可以實(shí)現(xiàn)4/6/8英寸自由切換，目前愛思強(qiáng)也已經(jīng)向市場推出8英寸的SiC量產(chǎn)設(shè)備。
中國市場一直是全球外延設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)力量，未來愛思強(qiáng)還將持續(xù)提供更多的大規(guī)模量產(chǎn)的新技術(shù)與新設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)第三代半導(dǎo)體市場的持續(xù)健康發(fā)展。
賀利氏
汽車、工業(yè)、軌道運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域?qū)iC電力電子模塊的功率、工作溫度及可靠性能各方面的要求越來越高，從上游材料來看，傳統(tǒng)的封裝材料已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用極限。
在此背景下，賀利氏Die Top System（DTS?）新型材料系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該材料系統(tǒng)很好地結(jié)合了銅鍵合線和燒結(jié)工藝，成功突破了現(xiàn)有封裝材料的極限，是SiC電力電子器件封裝互聯(lián)的創(chuàng)新解決方案，尤其是電動(dòng)汽車高功率電力電子領(lǐng)域。
賀利氏 電子功率市場經(jīng)理 董侃
DTS?系統(tǒng)具有四大特點(diǎn)：鍵合功能的銅箔表面、預(yù)敷mAgic燒結(jié)漿料、燒結(jié)前可選用膠粘劑來固定DTS?、匹配的銅鍵合線，相比傳統(tǒng)材料，靈活性更強(qiáng)，優(yōu)勢凸顯。
一方面，DTS?系統(tǒng)可以將電力電子模塊的使用壽命延長50多倍，并確保芯片的載流容量提高50%以上；同時(shí)，該系統(tǒng)還能使結(jié)溫超過200°C。因此，DTS?可大幅降低功率降額，或者在確保電流相同的情況下縮小芯片尺寸，從而降低電力成本。
另一方面，DTS?系統(tǒng)能顯著提高芯片連接的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，以及芯片連接的可靠性，并對(duì)整個(gè)模塊的性能進(jìn)行優(yōu)化。此外，DTS?系統(tǒng)還能簡化工業(yè)化生產(chǎn)，很大程度提高盈利能力，加快新一代電力電子模塊的上市步伐。
基本半導(dǎo)體
碳化硅目前主要應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、光伏發(fā)電、工業(yè)電源等領(lǐng)域，其中尤以新能源汽車為典型應(yīng)用。
據(jù)悉，電動(dòng)汽車中需要使用碳化硅器件的裝置包括汽車空調(diào)、DC/AC主逆變器、OBC車載充電器、DC/DC變換器。目前，知名車企紛紛布局碳化硅，采用碳化硅器件的電驅(qū)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)體積節(jié)省40%、重量減輕30%、效率提升10%。
基本半導(dǎo)體 技術(shù)營銷副總監(jiān) 劉誠
據(jù)悉，基本半導(dǎo)體于2018年開始布局汽車級(jí)碳化硅模塊研發(fā)和制造，現(xiàn)推出了Pcore6、Pcore2、Pcell三個(gè)系列產(chǎn)品，并獲得多個(gè)車型的定點(diǎn)。2021年通線的汽車級(jí)碳化硅功率模塊封裝產(chǎn)線已進(jìn)入量產(chǎn)階段。
光伏方面，隨著光伏行業(yè)邁入大電流時(shí)代，碳化硅的性能優(yōu)勢凸顯。據(jù)悉，采用碳化硅后，光伏逆變器系統(tǒng)可以提高轉(zhuǎn)化效率、降低能量損耗、增加功率密度，同時(shí)顯著提高循環(huán)設(shè)備的使用壽命，降低系統(tǒng)體積，節(jié)約系統(tǒng)成本。
充電樁方面，30kW及以下電源模塊主要使用SiC JBS；60kW及以上電源模塊主要使用SiC MOSFET。
集邦咨詢
在全球疫情反復(fù)、國際沖突等客觀因素的影響下，消費(fèi)電子等終端市場需求有所下滑，但應(yīng)用于功率元件的第三代半導(dǎo)體在各領(lǐng)域的滲透率仍然呈現(xiàn)持續(xù)攀升之勢，其中，800V汽車電驅(qū)系統(tǒng)、高壓快充樁、消費(fèi)電子適配器、數(shù)據(jù)中心及通訊基站電源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，推升了2022年SiC/GaN功率半導(dǎo)體市場需求。
集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師 龔瑞驕
根據(jù)TrendForce集邦咨詢最新報(bào)告《2022第三代半導(dǎo)體功率應(yīng)用市場報(bào)告》顯示，隨著越來越多車企開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)入SiC技術(shù)，預(yù)估2022年車用SiC功率元件市場規(guī)模將達(dá)到10.7億美元，至2026年將攀升至39.4億美元。
GaN方面，基于Si襯底構(gòu)建的GaN功率元件已成為業(yè)界主流，但至今仍受限于中、低壓應(yīng)用場景，因此業(yè)界持續(xù)嘗試以GaN-on-Sapphire、GaN-on-GaN以及GaN-on-QST等其他結(jié)構(gòu)來解決這一問題。
結(jié)語
突破材料瓶頸和工藝技術(shù)瓶頸需要一定的時(shí)間。但可以期待的是，在全球、全產(chǎn)業(yè)鏈的共同推動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體將在技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用等方面持續(xù)發(fā)力。（文：集邦咨詢）
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