超越摩爾定律

“摩爾定律”在過去的幾十年被事實證明為集成電路的黃金定律。“摩爾定律”由戈登·摩爾(Gorden Moore)提出，其核心內(nèi)容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元件數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。根據(jù)ITRS的的觀點，傳統(tǒng)的硅晶體管微縮至6納米已達極限。以硅材料為根基的摩爾定律即將失效，集成電路將如何發(fā)展?

一、超越摩爾定律，SiP是重要路徑之一。

引用ITRS對SiP的定義：SiP是一種新的封裝技術，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。SiP是“System in Package”的縮寫，意思為：系統(tǒng)級封裝，一種設計或產(chǎn)品將不同的半導體器件整合使用的方式，如將存儲器與SoC(System on Chip, 系統(tǒng)級芯片)封裝在同一單芯片中。

SiP與SoC的比較(來源：IC封裝與技術)

SiP技術已經(jīng)得到廣泛應用，從最初的手機、智能手表、智能眼鏡等3C產(chǎn)品，逐漸擴展到醫(yī)療、汽車、軍工以及航空航天等領域。例如iPhone X、Apple Watch、Google Glass、PillCam(膠囊內(nèi)窺鏡)等產(chǎn)品都得益于SiP技的發(fā)展。

二、超越摩爾定律，3D封裝是技術路徑之一。

3D(三維)是“3 Dimensions”的簡稱，3D封裝是一種集成多種先進技術的立體封裝。而晶圓級封裝(WLP，Wafer Level Package)、硅通孔技術(TSV，Through Silicon Via)、2.5D Interposer、3D IC、Fan-Out等技術的產(chǎn)業(yè)化，極大提升了集成電路封裝的工藝和水平。

先進封裝技術平臺與工藝(來源：芯思想)

2018年12月11日，英特爾首次發(fā)布全新的3D混合封裝“Foveros”，F(xiàn)overos是一種3D芯片封裝技術，Intel CPU處理器引入3D堆疊設計，可以實現(xiàn)芯片上堆疊芯片，整合不同工藝、結(jié)構、用途的芯片，可以大大提高芯片設計的靈活性，便于實現(xiàn)更豐富、更適合的功能特性，獲得最高性能或者最低能耗。2019年4月3日，Intel正式發(fā)布Agilex FPGA，Agilex FPGA是第一款集成了Intel幾乎所有最新創(chuàng)新技術的FPGA產(chǎn)品，包括：10nm制造工藝、異構3D SiP立體封裝、PCIe 5.0總線、DDR5/HBM/傲騰DC持久性內(nèi)存、eASIC設備One API統(tǒng)一開發(fā)接口、CXL緩存和內(nèi)存一致性高速互連總線(面向未來至強可擴展處理器)。

2019年3月19日，中芯長電發(fā)布世界首個超寬頻雙極化的5G毫米波天線芯片晶圓級集成封裝SmartAiP(Smart Antenna in Package)工藝技術，這是SmartAiP3D-SiP工藝平臺首次在具體市場領域得到應用。SmartAiP通過超高的垂直銅柱互連提供更強三維(3D)集成功能，加上成熟的多層雙面再布線(RDL)技術，結(jié)合晶圓級精準的多層天線結(jié)構、芯片倒裝及表面被動組件，使得SmartAiP實現(xiàn)了5G天線與射頻前端芯片模塊化和微型化的高度集成加工，具有集成度高、散熱性好、工藝簡練的特點。

各大芯片原廠和Foundry都在開發(fā)或應用三維(3D)封裝技術。下圖是近年來的高性能3D TSV產(chǎn)品路線圖，我們可以看到越來越多的CPU、GPU、存儲器已經(jīng)使用了3D TSV技術。除了是由于TSV技術的不斷成熟，也離不開云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領域的巨大需求驅(qū)動。

高性能3D TSV產(chǎn)品路線圖(來源：芯思想)

三、超越摩爾定律，新材料是突破路徑之一。

目前市面上超過99%的集成電路都是以第一代元素半導體材料之一，硅(Si)材料制作;鍺(Ge)材料在20世紀50年代有過高光時刻，廣泛應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但到了60年代后期因耐高溫和抗輻射性能較差，工藝更難、成本更高逐漸被硅材料取代。

第二代化合物半導體材料(GaAs、InP等)是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應用于光接收器(PIN)、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)及太陽能電池等產(chǎn)品，對國防衛(wèi)星通訊、光通信和航天領域研究具有重要意義。但GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，會污染環(huán)境，InP甚至是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點使得其應用頗受局限。

第三代寬禁帶半導體材料(SiC、GaN等)，因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3電子伏特(eV)而得名。第三代半導體材料具有優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構，廣泛用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳暗谌雽w材料已逐漸滲透5G、新能源汽車、綠色照明等新興領域，被認為是半導體行業(yè)的重要發(fā)展方向。

半導體材料發(fā)展及特性比較(來源：滿天星)

Si、GaAs、GaN、SiC等物理特性比較(來源：光大證券研究所)

第三代半導體材料市場發(fā)展趨勢

2018年，全球第三代半導體材料市場規(guī)模為4.19億美元(若匯率6.85，約合28.7億人民幣)，同比增長42.6%。而我國第三代半導體材料市場總體規(guī)模已達5.97億元人民幣，占全球的20.8%，同比增長率是47.3%，究其深層原因，是得益于5G、新能源汽車、綠色照明等新興行業(yè)的蓬勃發(fā)展和政策大力扶持的雙重驅(qū)動。預計未來三年中國第三代半導體材料市場仍將保持20%以上的平均增速，到2021年將達到11.9億元。

第三代半導體材料市場規(guī)模(來源：賽迪顧問)

從全球第三代半導體材料和器件的研究來看，目前發(fā)展成熟的是SiC和GaN半導體材料，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步。因此碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)被稱為第三代半導體材料的雙雄。第三代半導體材料及相關器件芯片，具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移率高、熱導率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強等優(yōu)點，廣泛應用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、新一代移動通信、消費類電子等領域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術，已成為全球各國半導體行業(yè)的重點研究方向。

第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展三大趨勢：

一是技術趨勢：大尺寸和高質(zhì)量SiC生長技術是未來發(fā)展的趨勢、同質(zhì)外延依然是GaN器件的技術改進方向，所以高質(zhì)量GaN襯底的技術研發(fā)還將繼續(xù);

二是應用趨勢：半導體照明、激光器和探測器、軍事領域以及5G及新能源汽車代表的新興領域?qū)⒊蔀槲磥淼谌雽w材料主要的應用領域;

三是價格及成本趨勢：未來6英寸SiC襯底預計將降至5000元/片以下、GaN襯底價格有望降至500美元/片左右，并且隨著襯底和外延片尺寸的增加和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，襯底和外延片的成本將有所下降，毛利率會更高。

第三代半導體器件雙足鼎立之勢

目前，硅是半導體器件的主流，碳化硅和氮化鎵是補充方案， 在硅器件達不到目標性能和指標時，碳化硅和氮化鎵就可以發(fā)揮作用，例如碳化硅主要定位成高功率、高電壓領域 ，從600V～3.3kV是碳化硅器件比較適合應用的場景。氮化鎵則定位中央的低壓產(chǎn)品，大概是100～600V左右。氮化鎵的產(chǎn)品還有一個特性是能夠在高頻下無損耗地進行開關，該特性能更好的適用于高頻LED和電源類產(chǎn)品。未來很長一段時間內(nèi)硅、碳化硅和GaN的市場將同時發(fā)展。

硅、碳化硅和氮化鎵的應用定位(來源：英飛凌)

一、碳化硅SiC

以碳化硅來說，目前全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，居于領導地位，占有全球碳化硅產(chǎn)量的70-80%;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權;日本是設備和模塊開發(fā)方面的絕對領先者。

近年來中國已初步建立相對完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，包括有單晶襯底企業(yè)山東天岳、天科合達、河北同光、中科節(jié)能、中電科裝備;外延片企業(yè)瀚天天成、東莞天域半導體、國民天成、中電科13所、中電科55所;模塊、器件制造企業(yè)安集成、海威華芯、泰科天潤、中車時代、世紀金光、芯光潤澤、深圳基本、國揚電子、士蘭微、揚杰科技、瞻芯電子、天津中環(huán)、江蘇華功、大連芯冠、聚力成半導體等;且部分廠商已取得階段性進展。

碳化硅(SiC)是一種寬帶隙材料，與硅相比，具有許多優(yōu)點，例如，工作溫度更高，散熱性能得到改善，開關和導通損耗更低。 不過，寬帶隙材料比硅基材料的量產(chǎn)難度更高。

碳化硅在不同領域的應用各有優(yōu)點：

1、SiC材料應用在高鐵領域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積;

2、SiC材料應用在新能源汽車領域，可降低能耗20%;

3、SiC材料應用在家電領域，可節(jié)能50%;

4、SiC材料應用在風力發(fā)電領域，可提高效率20%;

5、SiC材料應用在太陽能領域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上;

6、SiC材料應用在工業(yè)電機領域，可節(jié)能30%-50%;

7、SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領域，可使電力損失降低60%，同時供電效率提高40%以上;

8、SiC材料應用在大數(shù)據(jù)領域，可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低;

9、SiC材料應用在通信領域，可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性;

10、SiC材料可使航空航天領域，可使設備的損耗減小30%-50%，工作頻率提高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。

2004年由Ranbir Singh博士創(chuàng)立的GeneSiC Semiconductor Inc(以下簡稱“GeneSiC”)專注于研發(fā)、制造、銷售SiC功率半導體器件，以優(yōu)質(zhì)、高性能和耐高溫的產(chǎn)品特點被廣泛應用于全球工業(yè)和國防等領域。

GeneSiC授權書

2019年3月11日，GeneSiC與拍明芯城達成戰(zhàn)略合作，并簽署了授權書。

拍明芯城將充分利用電子產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺優(yōu)勢，幫助GeneSiC利用互聯(lián)網(wǎng)渠道推廣，逐步打開市場和提升品牌影響力。雙方可攜手為全球的中小微客戶提供以“GeneSiC”品牌器件、模塊或方案為核心的高效服務。

二、氮化鎵GaN

氮化鎵是氮和鎵的化合物，此化合物結(jié)構類似纖鋅礦，硬度很高。相對于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN 器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作，而且GaN在電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度上能實現(xiàn)性能的飛躍。另外，氮化鎵器件可以在1~110GHz 范圍的高頻波段應用，這覆蓋了移動通信、無線網(wǎng)絡、點到點和點到多點微波通信、雷達應用等波段，因此被廣泛應用于微波器件。氮化鎵器件還擁有激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)，在光學存儲、激光打印、高亮度LED 以及無線基站等應用領域優(yōu)勢明顯，所以已被廣泛應用于高亮度LED、藍光激光器和功率晶體管等光電子領域。

目前，整個GaN 功率半導體產(chǎn)業(yè)處于起步階段，各國政策都在大力推進該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國際半導體大廠也紛紛將目光投向GaN 功率半導體領域，關于GaN 器件廠商的收購、合作不斷發(fā)生。

從GaN專利技術來源及技術市場分布來看，氮化鎵材料的大部分專利掌握在四個國家手中，其專利數(shù)量占據(jù)了全球?qū)＠偭康?0%之多，分別是日本(38%)、美國(21%)、中國(16%)、韓國(15%)。下圖排名前15的專利權人中，日本機構有11家，中國的中科院(第6位)和美國的加州大學(第15位)也進入前15位。除了中美的專利權人是科研單位/院校，日韓的專利權人均為全球知名企業(yè)。

GaN領域TOP 15專利權人(來源:中科院文獻情報中心)

下圖GaN領域高價值專利TOP 10，美國Cree實力拔群，擁有8項，德國OSRAM和日本Nichia各占一名。中國進入GaN領域時間較晚，但中國科研機構和企業(yè)進入全球氮化鎵領域?qū)＠钴S申請人越來越多，專利申請量近年來高速增長，對海外專利布局也越來越重視。

GaN領域高價值專利(來源:中科院文獻情報中心)

尤其是在電力工程行業(yè)的應用，氮化鎵(GaN)實現(xiàn)了以往硅 MOSFET 從未達到的高速度、高效率和更高功率密度。GaN 固有的較低柵極和輸出電容支持以兆赫茲級的開關頻率運行，同時降低柵極和開關損耗，從而提高效率。不同于硅，GaN不需要體二極管，因而消除了反向恢復損耗，并進一步提高了效率、減少了開關節(jié)點振鈴和 EMI。

鎵能半導體(佛山)有限公司(以下簡稱“鎵能”)自2016年成立以來，一直專注于氮化鎵(第三代半導體材料)功率器件的事業(yè)，在IPM、服務器電源、電源適配器、快充等應用領域陸續(xù)推出了更高的能量轉(zhuǎn)換、更高的電源密度的解決方案。以系統(tǒng)應用端需求驅(qū)動芯片研發(fā)，已經(jīng)在白色家電和新能源領域取得了顯著的研發(fā)成果。例如與美的空調(diào)IPM團隊緊密合作下，第三代半導體氮化鎵功率器件芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得國際領先的突破性進展：帶驅(qū)動IC的IPM專用第三代半導體氮化鎵功率器件，將直接替換IGBT用于美的空調(diào)IPM，能夠簡單快捷地研發(fā)出新型高能效高功率密度的IPM。公司還成功研發(fā)了1500V的漏源(drain-to-source)擊穿電壓(breakdown voltage)第三代半導體氮化鎵功率器件，填補氮化鎵芯片650V-1500V高壓應用的空缺，將用在大型光伏電站直接上高壓電網(wǎng)逆變器和其他高壓家電和工業(yè)電源項目。

鎵能自主研發(fā)的氮化鎵功率器件，共6系列，封裝齊全(包括LGA封裝、DFN封裝、SO封裝和TO 4種封裝)，19種產(chǎn)品，產(chǎn)品包括氮化鎵功率器件系列、測試評估板系列、電源模塊、超小型快充適配器、服務器電源、無線充電功率放大和接收器等，成為國內(nèi)首家第三代半導體材料(氮化鎵)功率器件種類最全的供應商。第三代半導體氮化鎵功率器件不僅性能參數(shù)遠優(yōu)于硅功率器件，其平面結(jié)構亦給封裝架構和優(yōu)化系統(tǒng)應用的集成帶來革命性的改變。在同等的功率下，其封裝成的器件體積可以越做越小，即功率密度越來越高。相對應于系統(tǒng)應用，氮化鎵功率器可以使電源產(chǎn)品的體積做得更小，電能的轉(zhuǎn)換效率更高，總體成本更低。

2019年5月8日，鎵能與拍明芯城達成合作后強勢入駐，拍明芯城將充分利用其電子產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺優(yōu)勢，幫助鎵能利用互聯(lián)網(wǎng)渠道推廣和銷售產(chǎn)品，逐步拓展GaN產(chǎn)品的應用和提升品牌影響力。目前“GANPOWER”品牌的GaN器件、模塊或方案已在商城全面上架。

拍明芯城是一家不賺差價的撮合式元器件交易平臺，始終保持開放、透明，確保商品正品可溯源，已廣受原廠和中小微客戶信賴。拍明芯城作為鏈接原廠與中小微客戶的橋梁，未來會與越來越多的原廠建立合作，一起掘金全球最大的元器件需求市場——中國。