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，其核心內容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元件數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。根據ITRS的的觀點，傳統的硅晶體管微縮至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先組裝到一起，實現一定功能的單個標準封裝件，形成一個系統或者子系統。SiP是“System in Package”的縮寫，意思為：系統級封裝，一種設計或產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技術已經得到廣泛應用，從最初的手機、智能手表、智能眼鏡等3C產品，逐漸擴展到醫療、汽車、軍工以及航空航天等領域。例如iPhone X、Apple Watch、Google Glass、PillCam(膠囊內窺鏡)等產品都得益于SiP技的發展。

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等技術的產業化，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，英特爾首次發布全新的3D混合封裝“Foveros”，Foveros是一種3D芯片封裝技術，Intel CPU處理器引入3D堆疊設計，可以實現芯片上堆疊芯片，整合不同工藝、結構、用途的芯片，可以大大提高芯片設計的靈活性，便于實現更豐富、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正式發布Agilex FPGA，Agilex FPGA是第一款集成了Intel幾乎所有最新創新技術的FPGA產品，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持久性內存、eASIC設備One API統一開發接口、CXL緩存和內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，結合晶圓級精準的多層天線結構、芯片倒裝及表面被動組件，使得SmartAiP實現了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都在開發或應用三維(3D)封裝技術。下圖是近年來的高性能3D TSV產品路線圖，我們可以看到越來越多的CPU、GPU、存儲器已經使用了3D TSV技術。除了是由于TSV技術的不斷成熟，也離不開云計算、物聯網、人工智能等領域的巨大需求驅動。

高性能3D TSV產品路線圖(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、毫米波器件及發光器件的優良材料，廣泛應用于光接收器(PIN)、發光二極管(LED)、激光二極管(LD)及太陽能電池等產品，對國防衛星通訊、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，會污染環境，InP甚至是可疑致癌物質，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越的性能和能帶結構，廣泛用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，具有很大的發展潛力。目前第三代半導體材料已逐漸滲透5G、新能源汽車、綠色照明等新興領域，被認為是半導體行業的重要發展方向。

半導體材料發展及特性比較(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展趨勢

2018年，全球第三代半導體材料市場規模為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的蓬勃發展和政策大力扶持的雙重驅動。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、介電常數小、抗輻射能力強等優點，廣泛應用于新能源汽車、軌道交通、智能電網、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、國防等產業發展的核心技術，已成為全球各國半導體行業的重點研究方向。

第三代半導體材料產業發展三大趨勢：

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

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將成為未來第三代半導體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規模的擴大，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品，大概是100～600V左右。氮化鎵的產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和電源類產品。未來很長一段時間內硅、碳化硅和GaN的市場將同時發展。

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，目前全球碳化硅產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，居于領導地位，占有全球碳化硅產量的70-80%;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，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業鏈生態，包括有單晶襯底企業山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能、中電科裝備;外延片企業瀚天天成、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、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難度更高。

碳化硅在不同領域的應用各有優點：

1、SiC材料應用在高鐵領域，可節能20%以上，并減小電力系統體積;

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，可節能50%;

4、SiC材料應用在風力發電領域，可提高效率20%;

5、SiC材料應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失25%以上;

6、SiC材料應用在工業電機領域，可節能30%-50%;

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

8、SiC材料應用在大數據領域，可幫助數據中心能耗大幅降低;

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博士創立的GeneSiC Semiconductor Inc(以下簡稱“GeneSiC”)專注于研發、制造、銷售SiC功率半導體器件，以優質、高性能和耐高溫的產品特點被廣泛應用于全球工業和國防等領域。

GeneSiC授權書

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

拍明芯城將充分利用電子產業互聯網平臺優勢，幫助GeneSiC利用互聯網渠道推廣，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在電源轉換效率和功率密度上能實現性能的飛躍。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藍光的獨特性質，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 功率半導體產業處于起步階段，各國政策都在大力推進該產業的發展。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，其專利數量占據了全球專利總量的90%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。

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進入全球氮化鎵領域專利活躍申請人越來越多，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的應用，氮化鎵(GaN)實現了以往硅 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，在IPM、服務器電源、電源適配器、快充等應用領域陸續推出了更高的能量轉換、更高的電源密度的解決方案。以系統應用端需求驅動芯片研發，已經在白色家電和新能源領域取得了顯著的研發成果。例如與美的空調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和產業化取得國際領先的突破性進展：帶驅動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IPM，能夠簡單快捷地研發出新型高能效高功率密度的IPM。公司還成功研發了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逆變器和其他高壓家電和工業電源項目。

鎵能自主研發的氮化鎵功率器件，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種產品，產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遠優于硅功率器件，其平面結構亦給封裝架構和優化系統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。相對應于系統應用，氮化鎵功率器可以使電源產品的體積做得更小，電能的轉換效率更高，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業互聯網平臺優勢，幫助鎵能利用互聯網渠道推廣和銷售產品，逐步拓展GaN產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。