2022集邦咨詢第三代半導體前沿趨勢研討會圓滿落幕

作者 | 發布日期 2023 年 08 月 07 日 16:23 | 分類 研討會

在新能源汽車、5G通訊、光伏儲能等終端應用的發展下,SiC/GaN等第三代半導體材料水漲船高,成為時下最火熱的發展領域之一。為全面梳理第三代半導體行業的發展現狀、面臨的瓶頸以及技術突破的方向,TrendForce集邦咨詢旗下化合物半導體市場、全球半導體觀察于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體前沿趨勢研討會。

會議高朋滿座,來自科研院校、企事業單位、媒體界眾多菁英共聚一堂,共商行業未來。

會議伊始,集邦咨詢總經理樊曉莉發表致辭,她向所有參會嘉賓表示歡迎和感謝,并表達了對的第三代半導體產業發展的美好祝愿。

隨后,第三代半導體領域的行業專家與集邦咨詢分析師相繼發表精彩演講,演講精華匯總如下。

Wolfspeed

終端應用市場對于高效率、高功率密度、節能省耗的系統設計需求日益增強,與此同時,各國能效標準也不斷演進,在此背景下,SiC憑借耐高溫、開關更快、導熱更好、低阻抗、更穩定等出色特性,正在不同的應用領域發光發熱。

以電動汽車的22kW OBC應用為例,SiC器件有助于減少30%的功率損耗、縮短充電時間,并將功率密度提升50%,帶動系統效率的提升及系統成本的下降。

Wolfspeed 中國區銷售與市場副總裁 張三嶺

在能源效率新時代,SiC開始加速滲透電動汽車、光伏儲能、電動車充電樁、PFC/開關電源、軌道交通、變頻器等應用場景,接下來將逐步打開更大的發展空間。

為應對不斷增長的SiC市場需求,已占據全球SiC材料市場最大份額(>60%)的Wolfspeed,也在加速碳化硅器件的研發和生產。

今年4月,Wolfspeed全球最大的首座8英寸(200mm)SiC工廠正式開業,該工廠預計2024年達產,屆時產能將達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、器件相關的長期供貨協議,SiC車用等業務規模穩步擴大。

國星光電

電子電力元器件在工作過程中可能出現可靠性失效的問題,而巨量的實例總結發現80%以上的元器件失效的根本原因就是“熱問題”,因此熱管理尤為關鍵。

國星光電通過數字化的仿真技術開展熱管理分析,快速定位熱點,提前發現可靠性失效,方案調整成本低,效率高,并通過仿真技術的多學科優化指引設計開發人員優化設計,提升開發質量和效率。

國星光電 研究院研發經理、高級工程師 成年斌

依托深厚的半導體器件封測經驗,國星光電在第三代半導體領域積極進行技術、產品和產線的布局,已開始向該領域的客戶提供高品質、高可靠性的封測產品,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品。

從應用場景來看,國星光電的SiC產品目前主要面向汽車充電樁、UPS不間斷電源、電力儲能傳輸等工業級領域,下一步將逐步向車規級領域靠攏。GaN功率器件則針對潛在規模約80億美元的快充市場開展研究工作,同時前瞻布局智能IC控制領域。

英諾賽科

數字化浪潮推動著數據中心的蓬勃發展,但數據中心的能耗和碳排放貫穿其整個生命周期,其中CPUs和GPUs需要更大的功率供電。鄒艷波表示,預計2030年數據中心的耗電量將達3000TWhr,數據中心在節能方面存在較大的提升空間。

英諾賽科 產品應用總監 鄒艷波

針對這一現狀,英諾賽科基于GaN開發了下一代數據中心供電系統。鄒艷波指出,現有的100V-650V GaN技術比Si具有非常明顯的優勢,目前在應用上處于井噴初期;30-40V GaN同樣展示出性能的優勢,吸引著業界的關注。

他指出,英諾賽科可以提供全鏈路的GaN的數據中心供電解決方案,使數據中心的供電更高效,更高的功率密度,更高的動態響應,助力數字中心實現綠色低碳發展。同時,針對不同應用領域英諾賽科推出了三個新產品:INN040LA015A、INN100W032A、INN650D080B。

據悉,三款產品均為E-mode器件,耐壓值分別為30V、100V、650V,面向通信基站、電機驅動、戶外電源、電動工具、工業電源等不同的應用場景,具有高效率、高頻、高可靠性等特征,可以助力碳達峰,碳中和。

廈門大學

雙碳目標背景下,新型電力系統的構建面臨諸多挑戰,而基于電力電子技術的柔性交直流輸電裝置正在成為應對挑戰的關鍵技術手段。邱宇峰指出,電力電子設備在新型電力系統中將成為“剛需”,各類電力電子設備將在以新能源為主體的新型電力系統的各個層面發揮關鍵支撐作用。

廈門大學講座教授、國網全球能源互聯網研究院原院長 邱宇峰

但硅基器件固有的耐壓低、電流密度低、頻率低、開關速度低等弱點,導致裝置體積大、重量高、功率密度低,限制了電力電子裝備的普遍應用。

與之相比,SiC器件的優勢在于高壓(達數萬伏)、高溫(大于500℃),可突破硅器件在電壓(數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略性材料,高壓大功率SiC器件將給電力系統帶來深刻變革。

但邱宇峰也指出,當前碳化硅器件的應用尚處于試驗探索階段,面向電網應用的碳化硅器件還需要在大尺寸高質量襯底外延材料,芯片電流密度,高壓絕緣封裝材料和應用等方面進一步開展研究。

泰科天潤

高遠介紹,目前,國產碳化硅芯片項目面臨的問題主要有:

1、資金和時間。一座晶圓廠的建設成本包括廠房建設、設備購買及維護、人工、折舊費等,成本非常高,需要持續投入。

2、6寸、8寸的選擇。短期內仍以6寸為主,可以謹慎布局8寸技術,未來瓶頸在國產8寸襯底供應。

3、人才稀缺和成體系發展。國內碳化硅產業布局很多,但人才供不應求。同時一家碳化硅器件廠商需要其內部各部門、上下游各環節協同發展才能不斷前進,這一點往往沒有引起足夠的重視。

4、發展模式。半導體行業與互聯網行業的特點還是有明顯的區別的,不考慮賽道特點,直接照搬互聯網的手段,大概率會水土不服的。

5、芯片制造工藝待突破。碳化硅是新材料,需要開發新工藝,也是現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化的突破口,但隨著價格的不斷下降,導致新進玩家門檻越來越高。

7、主驅逆變器應用。碳化硅在主逆變器上的應用是碳化硅器件的主戰場,國產器件需要在工業領域、OBC、車載DC-DC充分驗證后才能放心上主驅逆變器,預計還需要3-5年時間。

泰科天潤 應用測試中心主任 高遠

最后,高遠指出,事實上,國產碳化硅器件任重而道遠,所面臨的問題并不止以上7個。

此外,當下國際局勢充滿不確定性,國產碳化硅產業鏈仍需修煉內功,成為一名優秀的長跑者,才能迎接未來將會出現的各類問題。

晶能光電

Micro LED將在AR/VR、抬頭顯示、車用照明和顯示、消費電子、高端電視等領域得到廣泛應用,并正在開啟一個千億級的市場。

晶能光電 外延工藝經理 周名兵

目前Micro LED仍面臨著關鍵技術和成本的挑戰,包括紅光光效、巨量轉移、晶圓鍵合、及全彩化工藝,迫切需要提升良率,并優化檢測和修復技術。

微米級的Micro LED產業化需要采用類IC制程以實現高良率和低成本。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先的硅襯底LED技術,并已成功實現產業化。

公司的硅襯底LED生產覆蓋外延、芯片、器件、模組全鏈條,開發了高光效、高良率、大尺寸的近紫外、紅、綠、藍硅襯底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,期待和行業同仁密切合作,共同推動Micro LED產業的發展。

AIXTRON

在全球電力電子系統革新的大趨勢推動下,第三代半導體在未來市場中有非常大的應用場景,GaN和SiC器件正在加速滲透進各級應用領域。

愛思強 工藝經理 陳偉

為了實現器件的優良性能,并實現大規劃生產的需求,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批量生產解決方案。

這兩個機型都是基于全球量產客戶驗證的AIXTRON行星式反應器平臺,配合全自動化卡匣式(C2C,SMIF可選)晶圓傳輸系統,目前標準配置為8×6英寸,并可以實現4/6/8英寸自由切換,目前愛思強也已經向市場推出8英寸的SiC量產設備。

中國市場一直是全球外延設備的主要驅動力量,未來愛思強還將持續提供更多的大規模量產的新技術與新設備,進一步促進第三代半導體市場的持續健康發展。

賀利氏

汽車、工業、軌道運輸等應用領域對SiC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,傳統的封裝材料已經達到了應用極限。

在此背景下,賀利氏Die Top System(DTS?)新型材料系統應運而生,該材料系統很好地結合了銅鍵合線和燒結工藝,成功突破了現有封裝材料的極限,是SiC電力電子器件封裝互聯的創新解決方案,尤其是電動汽車高功率電力電子領域。

賀利氏 電子功率市場經理 董侃

DTS?系統具有四大特點:鍵合功能的銅箔表面、預敷mAgic燒結漿料、燒結前可選用膠粘劑來固定DTS?、匹配的銅鍵合線,相比傳統材料,靈活性更強,優勢凸顯。

一方面,DTS?系統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,該系統還能使結溫超過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?系統能顯著提高芯片連接的導電性、導熱性,以及芯片連接的可靠性,并對整個模塊的性能進行優化。此外,DTS?系統還能簡化工業化生產,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。

基本半導體

碳化硅目前主要應用于新能源汽車、軌道交通、光伏發電、工業電源等領域,其中尤以新能源汽車為典型應用。

據悉,電動汽車中需要使用碳化硅器件的裝置包括汽車空調、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系統,可實現體積節省40%、重量減輕30%、效率提升10%。

基本半導體 技術營銷副總監 劉誠

據悉,基本半導體于2018年開始布局汽車級碳化硅模塊研發和制造,現推出了Pcore6、Pcore2、Pcell三個系列產品,并獲得多個車型的定點。2021年通線的汽車級碳化硅功率模塊封裝產線已進入量產階段。

光伏方面,隨著光伏行業邁入大電流時代,碳化硅的性能優勢凸顯。據悉,采用碳化硅后,光伏逆變器系統可以提高轉化效率、降低能量損耗、增加功率密度,同時顯著提高循環設備的使用壽命,降低系統體積,節約系統成本。

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、國際沖突等客觀因素的影響下,消費電子等終端市場需求有所下滑,但應用于功率元件的第三代半導體在各領域的滲透率仍然呈現持續攀升之勢,其中,800V汽車電驅系統、高壓快充樁、消費電子適配器、數據中心及通訊基站電源等領域的快速發展,推升了2022年SiC/GaN功率半導體市場需求。

集邦咨詢化合物半導體分析師 龔瑞驕

根據TrendForce集邦咨詢最新報告《2022第三代半導體功率應用市場報告》顯示,隨著越來越多車企開始在電驅系統中導入SiC技術,預估2022年車用SiC功率元件市場規模將達到10.7億美元,至2026年將攀升至39.4億美元。

GaN方面,基于Si襯底構建的GaN功率元件已成為業界主流,但至今仍受限于中、低壓應用場景,因此業界持續嘗試以GaN-on-Sapphire、GaN-on-GaN以及GaN-on-QST等其他結構來解決這一問題。

結語

突破材料瓶頸和工藝技術瓶頸需要一定的時間。但可以期待的是,在全球、全產業鏈的共同推動下,第三代半導體將在技術、產品、應用等方面持續發力。(文:集邦咨詢)

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