超越摩爾定律

“摩爾定律”在過(guò)去的幾十年被事實(shí)證明為集成電路的黃金定律?！澳柖伞庇筛甑恰つ?Gorden Moore)提出，其核心內(nèi)容：價(jià)格維持不變時(shí)，集成電路上可容納的元件數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。根據(jù)ITRS的的觀點(diǎn)，傳統(tǒng)的硅晶體管微縮至6納米已達(dá)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(duì)SiP的定義：SiP是一種新的封裝技術(shù)，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無(wú)源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。SiP是“System in Package”的縮寫，意思為：系統(tǒng)級(jí)封裝，一種設(shè)計(jì)或產(chǎn)品將不同的半導(dǎo)體器件整合使用的方式，如將存儲(chǔ)器與SoC(System on Chip, 系統(tǒng)級(jí)芯片)封裝在同一單芯片中。

SiP與SoC的比較(來(lái)源：IC封裝與技術(shù))

SiP技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，從最初的手機(jī)、智能手表、智能眼鏡等3C產(chǎn)品，逐漸擴(kuò)展到醫(yī)療、汽車、軍工以及航空航天等領(lǐng)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(shù)路徑之一。

3D(三維)是“3 Dimensions”的簡(jiǎn)稱，3D封裝是一種集成多種先進(jìn)技術(shù)的立體封裝。而晶圓級(jí)封裝(WLP，Wafer Level Package)、硅通孔技術(shù)(TSV，Through Silicon Via)、2.5D Interposer、3D IC、Fan-Out等技術(shù)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(jìn)封裝技術(shù)平臺(tái)與工藝(來(lái)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(shù)，Intel CPU處理器引入3D堆疊設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)芯片上堆疊芯片，整合不同工藝、結(jié)構(gòu)、用途的芯片，可以大大提高芯片設(shè)計(jì)的靈活性，便于實(shí)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(shù)的FPGA產(chǎn)品，包括：10nm制造工藝、異構(gòu)3D SiP立體封裝、PCIe 5.0總線、DDR5/HBM/傲騰DC持久性內(nèi)存、eASIC設(shè)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(lái)至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器)。

2019年3月19日，中芯長(zhǎng)電發(fā)布世界首個(gè)超寬頻雙極化的5G毫米波天線芯片晶圓級(jí)集成封裝SmartAiP(Smart Antenna in Package)工藝技術(shù)，這是SmartAiP3D-SiP工藝平臺(tái)首次在具體市場(chǎng)領(lǐng)域得到應(yīng)用。SmartAiP通過(guò)超高的垂直銅柱互連提供更強(qiáng)三維(3D)集成功能，加上成熟的多層雙面再布線(RDL)技術(shù)，結(jié)合晶圓級(jí)精準(zhǔn)的多層天線結(jié)構(gòu)、芯片倒裝及表面被動(dòng)組件，使得SmartAiP實(shí)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(jiǎn)練的特點(diǎn)。

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

高性能3D TSV產(chǎn)品路線圖(來(lái)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(guò)99%的集成電路都是以第一代元素半導(dǎo)體材料之一，硅(Si)材料制作;鍺(Ge)材料在20世紀(jì)50年代有過(guò)高光時(shí)刻，廣泛應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)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(dǎo)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(yīng)用于光接收器(PIN)、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)及太陽(yáng)能電池等產(chǎn)品，對(duì)國(guó)防衛(wèi)星通訊、光通信和航天領(lǐng)域研究具有重要意義。但GaAs、InP材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且還有毒性，會(huì)污染環(huán)境，InP甚至是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點(diǎn)使得其應(yīng)用頗受局限。

第三代寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體材料具有優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構(gòu)，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?。目前第三代半?dǎo)體材料已逐漸滲透5G、新能源汽車、綠色照明等新興領(lǐng)域，被認(rèn)為是半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展方向。

半導(dǎo)體材料發(fā)展及特性比較(來(lái)源：滿天星)

Si、GaAs、GaN、SiC等物理特性比較(來(lái)源：光大證券研究所)

第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

2018年，全球第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)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(zhǎng)42.6%。而我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)總體規(guī)模已達(dá)5.97億元人民幣，占全球的20.8%，同比增長(zhǎng)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(dòng)。預(yù)計(jì)未來(lái)三年中國(guó)第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)仍將保持20%以上的平均增速，到2021年將達(dá)到11.9億元。

第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模(來(lái)源：賽迪顧問(wèn))

從全球第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)看，目前發(fā)展成熟的是SiC和GaN半導(dǎo)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(dǎo)體材料的雙雄。第三代半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件芯片，具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子遷移率高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、新一代移動(dòng)通信、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，被視為支撐能源、交通、信息、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，已成為全球各國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展三大趨勢(shì)：

一是技術(shù)趨勢(shì)：大尺寸和高質(zhì)量SiC生長(zhǎng)技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)、同質(zhì)外延依然是GaN器件的技術(shù)改進(jìn)方向，所以高質(zhì)量GaN襯底的技術(shù)研發(fā)還將繼續(xù);

二是應(yīng)用趨勢(shì)：半導(dǎo)體照明、激光器和探測(cè)器、軍事領(lǐng)域以及5G及新能源汽車代表的新興領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥?lái)第三代半導(dǎo)體材料主要的應(yīng)用領(lǐng)域;

三是價(jià)格及成本趨勢(shì)：未來(lái)6英寸SiC襯底預(yù)計(jì)將降至5000元/片以下、GaN襯底價(jià)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(kuò)大，襯底和外延片的成本將有所下降，毛利率會(huì)更高。

第三代半導(dǎo)體器件雙足鼎立之勢(shì)

目前，硅是半導(dǎo)體器件的主流，碳化硅和氮化鎵是補(bǔ)充方案， 在硅器件達(dá)不到目標(biāo)性能和指標(biāo)時(shí)，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(lǐng)域 ，從600V～3.3kV是碳化硅器件比較適合應(yīng)用的場(chǎng)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(gè)特性是能夠在高頻下無(wú)損耗地進(jìn)行開關(guān)，該特性能更好的適用于高頻LED和電源類產(chǎn)品。未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)硅、碳化硅和GaN的市場(chǎng)將同時(shí)發(fā)展。

硅、碳化硅和氮化鎵的應(yīng)用定位(來(lái)源：英飛凌)

一、碳化硅SiC

以碳化硅來(lái)說(shuō)，目前全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，居于領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話語(yǔ)權(quán);日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。

近年來(lái)中國(guó)已初步建立相對(duì)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(dá)、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(dǎo)體、國(guó)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(rùn)、中車時(shí)代、世紀(jì)金光、芯光潤(rùn)澤、深圳基本、國(guó)揚(yáng)電子、士蘭微、揚(yáng)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(dǎo)體等;且部分廠商已取得階段性進(jìn)展。

碳化硅(SiC)是一種寬帶隙材料，與硅相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，工作溫度更高，散熱性能得到改善，開關(guān)和導(dǎo)通損耗更低。 不過(guò)，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(lǐng)域的應(yīng)用各有優(yōu)點(diǎn)：

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

2、SiC材料應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，可降低能耗20%;

3、SiC材料應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能50%;

4、SiC材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%;

5、SiC材料應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上;

6、SiC材料應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可節(jié)能30%-50%;

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

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

9、SiC材料應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號(hào)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(lǐng)域，可使設(shè)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(jiǎn)稱“GeneSiC”)專注于研發(fā)、制造、銷售SiC功率半導(dǎo)體器件，以優(yōu)質(zhì)、高性能和耐高溫的產(chǎn)品特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于全球工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域。

GeneSiC授權(quán)書

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

拍明芯城將充分利用電子產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，幫助GeneSiC利用互聯(lián)網(wǎng)渠道推廣，逐步打開市場(chǎng)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(wù)。

二、氮化鎵GaN

氮化鎵是氮和鎵的化合物，此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。相對(duì)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(shí)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(yīng)用，這覆蓋了移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)微波通信、雷達(dá)應(yīng)用等波段，因此被廣泛應(yīng)用于微波器件。氮化鎵器件還擁有激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)，在光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印、高亮度LED 以及無(wú)線基站等應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，所以已被廣泛應(yīng)用于高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管等光電子領(lǐng)域。

目前，整個(gè)GaN 功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)處于起步階段，各國(guó)政策都在大力推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國(guó)際半導(dǎo)體大廠也紛紛將目光投向GaN 功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，關(guān)于GaN 器件廠商的收購(gòu)、合作不斷發(fā)生。

從GaN專利技術(shù)來(lái)源及技術(shù)市場(chǎng)分布來(lái)看，氮化鎵材料的大部分專利掌握在四個(gè)國(guó)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(guó)(21%)、中國(guó)(16%)、韓國(guó)(15%)。下圖排名前15的專利權(quán)人中，日本機(jī)構(gòu)有11家，中國(guó)的中科院(第6位)和美國(guó)的加州大學(xué)(第15位)也進(jìn)入前15位。除了中美的專利權(quán)人是科研單位/院校，日韓的專利權(quán)人均為全球知名企業(yè)。

GaN領(lǐng)域TOP 15專利權(quán)人(來(lái)源:中科院文獻(xiàn)情報(bào)中心)

下圖GaN領(lǐng)域高價(jià)值專利TOP 10，美國(guó)Cree實(shí)力拔群，擁有8項(xiàng)，德國(guó)OSRAM和日本Nichia各占一名。中國(guó)進(jìn)入GaN領(lǐng)域時(shí)間較晚，但中國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)入全球氮化鎵領(lǐng)域?qū)＠钴S申請(qǐng)人越來(lái)越多，專利申請(qǐng)量近年來(lái)高速增長(zhǎng)，對(duì)海外專利布局也越來(lái)越重視。

GaN領(lǐng)域高價(jià)值專利(來(lái)源:中科院文獻(xiàn)情報(bào)中心)

尤其是在電力工程行業(yè)的應(yīng)用，氮化鎵(GaN)實(shí)現(xiàn)了以往硅 MOSFET 從未達(dá)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(jí)的開關(guān)頻率運(yùn)行，同時(shí)降低柵極和開關(guān)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(fù)損耗，并進(jìn)一步提高了效率、減少了開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和 EMI。

鎵能半導(dǎo)體(佛山)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“鎵能”)自2016年成立以來(lái)，一直專注于氮化鎵(第三代半導(dǎo)體材料)功率器件的事業(yè)，在IPM、服務(wù)器電源、電源適配器、快充等應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用端需求驅(qū)動(dòng)芯片研發(fā)，已經(jīng)在白色家電和新能源領(lǐng)域取得了顯著的研發(fā)成果。例如與美的空調(diào)IPM團(tuán)隊(duì)緊密合作下，第三代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性進(jìn)展：帶驅(qū)動(dòng)IC的IPM專用第三代半導(dǎo)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(jiǎn)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(dǎo)體氮化鎵功率器件，填補(bǔ)氮化鎵芯片650V-1500V高壓應(yīng)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(xiàng)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(cè)試評(píng)估板系列、電源模塊、超小型快充適配器、服務(wù)器電源、無(wú)線充電功率放大和接收器等，成為國(guó)內(nèi)首家第三代半導(dǎo)體材料(氮化鎵)功率器件種類最全的供應(yīng)商。第三代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件不僅性能參數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于硅功率器件，其平面結(jié)構(gòu)亦給封裝架構(gòu)和優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用的集成帶來(lái)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(lái)越高。相對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)應(yīng)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(dá)成合作后強(qiáng)勢(shì)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(tái)優(yōu)勢(shì)，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(yīng)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(jià)的撮合式元器件交易平臺(tái)，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(lái)會(huì)與越來(lái)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(chǎng)——中國(guó)。