SiC和GaN作為第三代半導(dǎo)體材料的先鋒，以其三大特性：開關(guān)頻率高、禁帶寬度大、導(dǎo)通電阻低，使得新一代通用電源在縮小容積以及提升充電速度方面都有了長足進(jìn)步。與此同時(shí)，我國電動(dòng)汽車市場發(fā)展迅速，與之配套的充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)卻尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，需不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)迭代。同時(shí)，充電樁布局仍存巨大缺口。同時(shí)，消費(fèi)電子領(lǐng)域智能快充與Type-C市場持續(xù)爆火，高品質(zhì)快充供不應(yīng)求局面亟待破解。
9月28日，由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（公號(hào)）、博聞創(chuàng)意會(huì)展（深圳）有限公司共同主辦的“2021第三代半導(dǎo)體技術(shù)及充電產(chǎn)業(yè)合作論壇”在“ELEXCON深圳國際電子展暨嵌入式系統(tǒng)展”同期舉行。論壇特別邀請(qǐng)到第三代半導(dǎo)體及充電樁、PD快充產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)專家和企業(yè)代表，共同探討第三代半導(dǎo)體技術(shù)及充電產(chǎn)業(yè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
深圳大學(xué)微電子研究院院長助理、材料學(xué)院研究員劉新科，南方科技大學(xué)研究員、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)訪問教授葉懷宇，華盛新能源科技(深圳)有限公司市場總監(jiān)萬江山、山東力冠微電子裝備有限公司銷售總監(jiān)孫軍偉、英諾賽科科技有公司高級(jí)產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理鄒艷波，深圳市國投創(chuàng)新科技有限公司副總經(jīng)理葉木林、深圳市貝思科爾軟件技術(shù)有限公司總經(jīng)理邱志國、深圳市先進(jìn)連接科技有限公司副總經(jīng)理胡博、南京芯干線科技有限公司數(shù)字電源應(yīng)用總監(jiān)周陽等嘉賓出席峰會(huì)并作論壇主題報(bào)告。并特邀南方科技大學(xué)副教授汪青，深圳大學(xué)劉新科研究員，南方科技大學(xué)葉懷宇研究員擔(dān)任嘉賓主持人。
論壇的主題報(bào)告環(huán)節(jié)，華盛新能源科技(深圳)有限公司市場總監(jiān)萬江山分享了“新能源汽車?yán)顺毕碌某潆姌懂a(chǎn)業(yè)及創(chuàng)新方案”的主題報(bào)告。他介紹，充電樁是新能源汽車行業(yè)發(fā)展的基石，隨著電動(dòng)車的不斷放量，充電樁作為配套設(shè)施必須跟上。伴隨著新能源車保有量的增長，充電樁的保有量也將增長，二者相關(guān)性系數(shù)0.9976，體現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。不管從現(xiàn)實(shí)需求，還是政策支持，充電樁都迎來了光明的前景。整體來看，今年8月新能源汽車滲透率已提升至17.8%，新能源乘用車滲透率更是接近20%。中汽協(xié)預(yù)計(jì)，按照目前的態(tài)勢(shì)發(fā)展，我國有望提前實(shí)現(xiàn)2025年新能源汽車20%市場份額的目標(biāo)。我國乃至全球新能源汽車市場前景樂觀，發(fā)展?jié)摿薮?。隨著新能源汽車的迅猛增長，與不斷增加的新能源汽車的保有量相比，充電樁建設(shè)仍顯不足，未來充電樁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展必將進(jìn)入加速增長期。
他表示，當(dāng)下車端、樁端都實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；衫玫闹绷骺斐淠Ｊ揭话愎β试?0~120KW，而要進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，未來有兩個(gè)發(fā)展方向：一、大電流直流快充；二、高電壓直流快充，通過加大電流或提升電壓，進(jìn)一步提高充電功率，達(dá)到250~350KW。采用高電壓實(shí)現(xiàn)大功率直流快充，從現(xiàn)有的400V平臺(tái)到800~1000V高壓平臺(tái)，車端與樁端都需要進(jìn)行產(chǎn)品部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與重新適配。在車端，電動(dòng)汽車的電池包、電驅(qū)動(dòng)、PTC、空調(diào)壓縮機(jī)、車載充電機(jī)等需要重新選型。目前，SiC等能夠承受更高電壓的器件及其他部件已不斷被開發(fā)，通過技術(shù)快速迭代。
他表示，當(dāng)下車端、樁端都實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；衫玫闹绷骺斐淠Ｊ揭话愎β试?0~120KW，而要進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，未來有兩個(gè)發(fā)展方向：一、大電流直流快充；二、高電壓直流快充，通過加大電流或提升電壓，進(jìn)一步提高充電功率，達(dá)到250~350KW。采用高電壓實(shí)現(xiàn)大功率直流快充，從現(xiàn)有的400V平臺(tái)到800~1000V高壓平臺(tái)，車端與樁端都需要進(jìn)行產(chǎn)品部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與重新適配。在車端，電動(dòng)汽車的電池包、電驅(qū)動(dòng)、PTC、空調(diào)壓縮機(jī)、車載充電機(jī)等需要重新選型。目前，SiC等能夠承受更高電壓的器件及其他部件已不斷被開發(fā)，通過技術(shù)快速迭代。
深圳大學(xué)微電子研究院院長助理、材料學(xué)院研究員劉新科做了題為“基于氮化鎵單晶襯底的半導(dǎo)體器件”的主題報(bào)告，首先介紹了氮化鎵單晶襯底材料的優(yōu)點(diǎn)，他表示，氮化鎵材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻照等優(yōu)越性能；切合國家 “新基建”的國家戰(zhàn)略需求，例如5G/6G、智能電動(dòng)汽車，大數(shù)據(jù)中心等，氮化鎵是支持新一代移動(dòng)通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的重點(diǎn)核心材料和電子元器件。他指出，GaN-on-GaN技術(shù)路線的獨(dú)特特點(diǎn)：1）缺陷密度極低(約103cm-2); (2)橫行器件和縱向器件的雙可能性; (3) 相同器件面積下，更大的輸出電流和更高的器件耐壓；(4) 超強(qiáng)的器件可靠性，無電流崩塌等。
隨后，報(bào)告詳細(xì)介紹了基于氮化鎵單晶襯底的垂直電力電子器件(SBDs, PNDs, FETs)；基于氮化鎵單晶襯底的水平HEMTs器件; 2D/氮化鎵單晶的（2D-on-6H）范德華異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體器件等角度，分享了最新研究成果。并指出，一種核心材料，一代關(guān)鍵技術(shù)，一代奮斗。展望未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，良率將實(shí)現(xiàn)80-90%，成本將大幅度下降，產(chǎn)業(yè)競爭也會(huì)加速，關(guān)鍵科學(xué)問題更加聚焦，產(chǎn)業(yè)一定是在中國。
隨后，報(bào)告詳細(xì)介紹了基于氮化鎵單晶襯底的垂直電力電子器件(SBDs, PNDs, FETs)；基于氮化鎵單晶襯底的水平HEMTs器件; 2D/氮化鎵單晶的（2D-on-6H）范德華異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體器件等角度，分享了最新研究成果。并指出，一種核心材料，一代關(guān)鍵技術(shù)，一代奮斗。展望未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，良率將實(shí)現(xiàn)80-90%，成本將大幅度下降，產(chǎn)業(yè)競爭也會(huì)加速，關(guān)鍵科學(xué)問題更加聚焦，產(chǎn)業(yè)一定是在中國。
第三代半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)是第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要支撐和基礎(chǔ)。其中，山東力冠是一家專門從事晶體生長設(shè)備、半導(dǎo)體工藝裝備的一家專業(yè)裝備生產(chǎn)商，其中主要產(chǎn)品有晶體生長設(shè)備（提拉爐、下降爐），半導(dǎo)體工藝設(shè)備（6"/8"氧化擴(kuò)散爐、LPCVD、PECVD），第三代半導(dǎo)體設(shè)備（PVT設(shè)備、HVPE設(shè)備、高溫氧化爐、LPCVD）會(huì)上山東力冠微電子裝備有限公司銷售總監(jiān)孫軍偉做了題為“第三代半導(dǎo)體晶體生長及相關(guān)裝備進(jìn)展”的主題報(bào)告，并介紹了各種設(shè)備新的進(jìn)展?fàn)顩r。其中，6寸碳化硅單晶生長難點(diǎn)（感應(yīng)加熱方式）：原料區(qū)和生長區(qū)的溫度需要獨(dú)立控制；腔室真空度及泄漏率難以降低背景氮雜質(zhì)濃度，導(dǎo)致?lián)诫s不可控；高溫下，保溫?fù)p耗和變形，導(dǎo)致溫場穩(wěn)定性、一致性差。山東力冠的解決方案是雙線圈分區(qū)控制，優(yōu)化密封技術(shù)，減少氮雜質(zhì)，獨(dú)特的坩堝旋轉(zhuǎn)，降低對(duì)坩堝溫場的影響。最后，她還表示山東力冠一直致力于裝備國產(chǎn)化，以前很多廠商不太信任國產(chǎn)裝備，但是隨著我們裝備工藝的不斷進(jìn)步，設(shè)備的性能指標(biāo)已經(jīng)得到企業(yè)很好驗(yàn)證，已經(jīng)應(yīng)用到眾多知名廠商產(chǎn)線，并得到了許多國際貿(mào)易訂單。
隨著市場對(duì)快充適配器功率密度的不斷追求，適配器的開關(guān)頻率逐漸提升，以縮小內(nèi)部元件體積，傳統(tǒng)的Si MOS器件，開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗已經(jīng)明顯拉低了適配器的轉(zhuǎn)換效率，器件限制不能繼續(xù)提高工作頻率，限制了磁性元件的縮小，不能進(jìn)一步提升適配器的功率密度。英諾賽科科技有公司高級(jí)產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理鄒艷波分享了All-GaN系列方案在快充領(lǐng)域的應(yīng)用。他表示，大功率快充期望功率密度進(jìn)一步提高，InnoGaN 30W~120W 功率段終端產(chǎn)品上市，更多中大功率的設(shè)備將使用GaN PD快充。同時(shí)，報(bào)告還詳細(xì)介紹了65W、120W、240WAll-GaN 創(chuàng)新解決方案，其中，65W2C1A，開關(guān)頻率：400KHZ功率密度：25W/in3；120W 單C，開關(guān)頻率：400KHZ，功率密度：38W/in3；240W 48V/5A，開關(guān)頻率：500KHZ，功率密度：41W/in3。他表示，英諾賽科是全球首條8英寸硅基氮化鎵IDM量產(chǎn)線，全球?qū)＠?00+，產(chǎn)品主要為30V-650V GaN FET，目前在珠海和深圳擁有研發(fā)生產(chǎn)基地，深圳擁有市場和應(yīng)用基地，2021年底產(chǎn)能可達(dá)1萬片晶圓/月。未來，氮化鎵的應(yīng)用將在消費(fèi)類電子、工業(yè)和汽車領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用值得期待。
作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）與硅（Si）相比，介電擊穿強(qiáng)度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導(dǎo)率更高。因此，當(dāng)用于半導(dǎo)體器件中時(shí)，碳化硅器件擁有高耐壓、高速開關(guān)、低導(dǎo)通電阻、高效率等特性，有助于降低能耗和縮小系統(tǒng)尺寸。碳化硅可以廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、逆變器、軌道交通、太陽能、風(fēng)力發(fā)電、消費(fèi)類電源等領(lǐng)域。南方科技大學(xué)研究員、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)訪問教授葉懷宇做了題為“碳化硅快充/逆變器的先進(jìn)微納金屬燒結(jié)封裝技術(shù)”的主題報(bào)告，并分享了研制的一種性能優(yōu)良的納米銅基漿料，設(shè)計(jì)并制造了兩代低電感碳化硅功率模塊（3nH和2.5nH），設(shè)計(jì)并制造了一種1 kA/10 kV半橋高壓大電流壓接式IGBT功率模塊等最新研究進(jìn)展。
在新基建政策的加持下，擁有巨大潛力的充電樁市場受到了關(guān)注，充電設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)帶來了技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，一批新技術(shù)、新模式開始加快落地和應(yīng)用。深圳市國投創(chuàng)新科技有限公司副總經(jīng)理葉木林帶來了題為“充電樁的發(fā)展及運(yùn)營趨勢(shì)”的主題報(bào)告。他表示，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了10多年的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)車的認(rèn)可度不斷提高。并且，新能源汽車產(chǎn)業(yè)由之前完全靠政策推動(dòng)，轉(zhuǎn)向了由政策和市場雙驅(qū)動(dòng)。在保有量方面，截止2020年底，全國共有新能源汽車保有量492萬輛，同比增長29.13%。新能源汽車需求量及保有量地進(jìn)一步增長，對(duì)于電動(dòng)汽車充電樁的需求量也在不斷擴(kuò)張。充電樁發(fā)展趨勢(shì)將朝著大功率超級(jí)充電，能源路由器和換電發(fā)展方向邁進(jìn)。未來充電樁不僅僅是一個(gè)充電接口，也將具備與自動(dòng)駕駛、自動(dòng)充電、自動(dòng)停車相配套的智能屬性，成為智慧城市、汽車網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)。
半導(dǎo)體器件仿真技術(shù)能有效突破器件實(shí)驗(yàn)表象，可視化器件內(nèi)部最根本的物理機(jī)制，加深對(duì)半導(dǎo)體器件物理的理解，助力于半導(dǎo)體器件架構(gòu)的優(yōu)化和制。深圳市貝思科爾軟件技術(shù)有限公司總經(jīng)理邱志國分享了第三代半導(dǎo)體器件的熱測(cè)試與仿真解決方案。報(bào)告主要介紹了基于Simcenter T3Ster/PWT的熱可靠性測(cè)試解決方案，基于Simcenter FloTHERM/FloEFD的熱仿真解決方案和貝思科爾（BasiCAE）助力第三代功率半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新進(jìn)程。
國產(chǎn)電動(dòng)汽車正在迅速發(fā)展，核心技術(shù)競爭激烈，電控模組制造是關(guān)鍵技術(shù)之一。低溫?zé)Y(jié)納米銀膏及散熱封裝互連工藝是電控模組制造的關(guān)鍵材料技術(shù)。會(huì)上，深圳市先進(jìn)連接科技有限公司副總經(jīng)理胡博帶來了題為“基于SiC器件的低溫銀燒結(jié)方案”的主題報(bào)告，具體分享了納米銀膏技術(shù)發(fā)展（有壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、雙峰納米銀顆粒、銀顆粒與銀片）、熱壓燒結(jié)應(yīng)用場景、熱壓燒結(jié)材料性能、熱壓燒結(jié)材料可靠性研究、無壓燒結(jié)材料應(yīng)用場景、無壓燒結(jié)材料性能、無壓燒結(jié)材料可靠性研究、熱壓燒結(jié)設(shè)備等內(nèi)容。
氮化鎵廣泛應(yīng)用于LED照明，并在無線應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。隨著工藝的進(jìn)步和缺陷率的不斷降低，氮化鎵在交直流電力轉(zhuǎn)換、改變電壓電平，并且以一定數(shù)量的函數(shù)確保可靠電力供應(yīng)的電子電源中的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。基于氮化鎵的開關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，性能更高，損耗更低。南京芯干線科技有限公司數(shù)字電源應(yīng)用總監(jiān)周陽做了題為“氮化鎵功率器件及在數(shù)字電源中的應(yīng)用”的主題報(bào)告。報(bào)告中介紹，從大類來看，氮化鎵的應(yīng)用可以分為消費(fèi)類，工業(yè)類及汽車類。就消費(fèi)類而言，目前氮化鎵超過一大半的應(yīng)用都在快充適配器領(lǐng)域。這是因?yàn)榭斐溥m配器要求便攜性，氮化鎵正好解決了這個(gè)痛點(diǎn)。就工業(yè)類而言，氮化鎵將在兩千瓦以下的應(yīng)用中，廣泛取代傳統(tǒng)的650V硅MOS管。這其中比較讓人垂涎的是服務(wù)器電源。因?yàn)榉?wù)器電源有海量的市場而且又有效率、散熱和體積方面的痛點(diǎn)。類似目前的快充領(lǐng)域，伴隨大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，未來氮化鎵將逐步替代硅MOS管，在服務(wù)器電源領(lǐng)域占據(jù)較大的市場份額。
為了更好的比較和說明氮化鎵在PD適配器行業(yè)的應(yīng)用，我們比較了近5年來有代表性的65W超小型適配器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有普通反激，準(zhǔn)諧振反激，有源鉗位反激，甚至三電平LLC。主開關(guān)管也涵蓋了超結(jié)硅MOS管，氮化鎵甚至碳化硅MOS管。功率密度從11到接近20瓦每立方英寸。價(jià)格分布也從20多美元一直到100美元以上。我們看到雖然氮化鎵功率器件的價(jià)格仍然高于硅超結(jié)MOS管，但從PD適配器的價(jià)格/成本而言，并非比硅更貴。相反，做的特別小巧的硅基PD適配器成本最高，價(jià)格也最為昂貴。報(bào)告還介紹了芯干線的65瓦適配器方案使用的是QR方案，130W 、180W 、200W GaN適配器解決方案（PFC+LLC）及1KW數(shù)字控制雙向儲(chǔ)能電源模塊。
為了更好的比較和說明氮化鎵在PD適配器行業(yè)的應(yīng)用，我們比較了近5年來有代表性的65W超小型適配器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有普通反激，準(zhǔn)諧振反激，有源鉗位反激，甚至三電平LLC。主開關(guān)管也涵蓋了超結(jié)硅MOS管，氮化鎵甚至碳化硅MOS管。功率密度從11到接近20瓦每立方英寸。價(jià)格分布也從20多美元一直到100美元以上。我們看到雖然氮化鎵功率器件的價(jià)格仍然高于硅超結(jié)MOS管，但從PD適配器的價(jià)格/成本而言，并非比硅更貴。相反，做的特別小巧的硅基PD適配器成本最高，價(jià)格也最為昂貴。報(bào)告還介紹了芯干線的65瓦適配器方案使用的是QR方案，130W 、180W 、200W GaN適配器解決方案（PFC+LLC）及1KW數(shù)字控制雙向儲(chǔ)能電源模塊。
欲知更多論壇內(nèi)容，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，將持續(xù)更新！
