主編 前言
2020年，我們共同經(jīng)歷了新冠肺炎疫情全球大*，近200*悄然離去，尊重生命，尊重科學(xué)，團(tuán)結(jié)抗疫成國際共識(shí)，武漢封城、長江洪水肆虐、澳洲叢林大火、非洲蝗蟲大災(zāi)、納卡地區(qū)爆發(fā)惡戰(zhàn)等都?xì)v歷在目，可以說，2020年是大災(zāi)大難的一年；但這絕不是全部，2020年，我們也共同見證了亞太15國簽署RCEP區(qū)域自貿(mào)合作，提振*經(jīng)濟(jì)信心，SpaceX實(shí)現(xiàn)*商業(yè)載人航天飛行，嫦娥五號(hào)任務(wù)取得圓滿成功，在*經(jīng)濟(jì)遭受嚴(yán)重沖擊之際中國成為*實(shí)現(xiàn)正增長的主要經(jīng)濟(jì)體。作為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇引擎的半導(dǎo)體行業(yè)，在2020年也是敢于擔(dān)當(dāng)，成績不菲：5G落地之年，5nm 5G芯片強(qiáng)勁推出，蘋果*了采用臺(tái)積電5nm工藝制程的A14 Bionic，集成118億晶體管。此后華為與三星也相繼發(fā)布了麒麟9000系及Exyons 1080。云上EDA探索落地，EDA軟件商、IC設(shè)計(jì)企業(yè)以及代工廠合作推進(jìn)，能夠適配EDA工具使用需求、擁有大規(guī)模算力自動(dòng)化智能調(diào)度以及海量的云資源提供彈性算力支持，直接提升芯片的研發(fā)周期和良率，降低芯片設(shè)計(jì)成本。3D先進(jìn)封裝技術(shù)穩(wěn)步提升，突破了摩爾定律瓶頸，在集成度、性能、功耗等方面優(yōu)勢明顯，三星在今年對(duì)外宣布了全新的X-Cube3D封裝技術(shù)已經(jīng)可以投入使用……當(dāng)然作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的后起之秀，第三代半導(dǎo)體及其他化合物半導(dǎo)體，也是備受關(guān)注和亮點(diǎn)多多，下面請(qǐng)看比利時(shí)半導(dǎo)體公司Cissoid的精彩觀點(diǎn)!
《化合物半導(dǎo)體》對(duì)Cissoid 中國總經(jīng)理羅寧勝博士的專訪
羅寧勝博士，現(xiàn)任比利時(shí)Cissoid公司中國總經(jīng)理。之前，他曾在多家歐美半導(dǎo)體公司從事半導(dǎo)體市場及業(yè)務(wù)管理工作，主要負(fù)責(zé)中國及亞太市場和業(yè)務(wù)，這些公司包括美國 Synaptics (NASDAQ：SYNA)，美國 Silicon Data, 英國 PicoChip，及美國 Innovative Micro Technology 公司。他曾經(jīng)在中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所獲得博士學(xué)位，并隨后多年在歐美作為訪問學(xué)者從事材料物理研究，其中包括在德國馬克斯普蘭克研究院在哥廷根的流體動(dòng)力學(xué)研究所從事固體表面物理研究，以及在美國路易斯維爾大學(xué)物理系從事半導(dǎo)體納米材料研究。
Q 2021年即將到來，面對(duì)新的一年，你如何看待化合物半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展變化，以及對(duì)2020年，有哪些總結(jié)和感悟？ A 繼特斯拉之后，2020年隨著比亞迪率先在國內(nèi)正式推出采用SiC MOSFETs 驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車，各大電動(dòng)汽車廠商也倍加關(guān)注SiC在電動(dòng)車上的應(yīng)用。其在OBC、DC-DC及充電樁等方面一般可采用相對(duì)低端的SiC MOSFETs，這樣在提高效率和減小體積重量的同時(shí)，以求成本相對(duì)低些。而對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，為追求盡可能高的效率和最低的熱損耗，趨于采用高端的SiC MOSFETs (即內(nèi)阻偏小的）。在電動(dòng)車電機(jī)方面，業(yè)內(nèi)普遍證實(shí)，SiC MOSFETs 對(duì)傳統(tǒng)IGBT的替代可使整體車況的能源效率提高5-10%，即在同樣的電池包條件下可提升5-10%的續(xù)航里程，而頗具吸引力。2021年將是SiC在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用的起始爆發(fā)之年，因?yàn)榻衲甑拇笠?guī)模缺貨即是征兆。 另外，GaN 近期也有很好的發(fā)展，其主要表現(xiàn)是在移動(dòng)設(shè)備的快速充電器方面。由于涉及消費(fèi)電子類應(yīng)用，其需求量將會(huì)非常大，因此GaN的出貨量將很快在數(shù)量級(jí)上大大超越SiC 器件。
Q 隨著5G，新能源汽車，大數(shù)據(jù)，AI，IoT 等技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，將會(huì)為化合物半導(dǎo)體帶來諸多機(jī)遇，你認(rèn)為化合物半導(dǎo)體面臨哪些挑戰(zhàn)與機(jī)遇？ A 化合物半導(dǎo)體（SiC和GaN）作為新型半導(dǎo)體器件要替代傳統(tǒng)Si器件，最大的挑戰(zhàn)莫過于成本的控制，即涉及生產(chǎn)良率和生產(chǎn)規(guī)模的控制。只有在不斷地提升良率且同時(shí)不斷地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模才能將成本逐步降下來，由此贏得市場上的廣泛應(yīng)用。挑戰(zhàn)也就是機(jī)遇，這也是各家化合物半導(dǎo)體廠商取勝而贏得市場份額的制高點(diǎn)。
Q 碳化硅（SiC）是非常具有發(fā)展前景的材料，特別是在電力電子和微波射頻器件應(yīng)用方面，目前受到極大關(guān)注，請(qǐng)問貴公司如何看待碳化硅的市場發(fā)展？如何推進(jìn)碳化硅材料的升級(jí)和發(fā)展？ A
隨著第三代半導(dǎo)體如SiC功率半導(dǎo)體器件的日趨成熟和普及，初期將是在應(yīng)用上簡單地替代Si器件，但在后期將會(huì)主動(dòng)發(fā)揮其性能優(yōu)勢而*出許多新型應(yīng)用，即涉足以前Si器件所不能及的應(yīng)用。例如，SiC固有的耐高溫性能與Cissoid高溫半導(dǎo)體器件就是非常好的搭配，由此將大大改變電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的格局，為設(shè)計(jì)工程師提供全新的且廣闊的拓展空間。這些典型、未來的高溫、高功率密度應(yīng)用，包括深度整合的電動(dòng)汽車動(dòng)力總成、多電和全電飛機(jī)乃至電動(dòng)飛機(jī)、移動(dòng)儲(chǔ)能充電站和充電寶，以及各種液體冷卻受到嚴(yán)重限制的電力應(yīng)用。
電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成（電機(jī)，電控和變速箱）已走向三合一，但目前僅僅是在結(jié)構(gòu)上堆疊在一起，屬于弱整合。未來在結(jié)構(gòu)上，動(dòng)力總成的深度整合是必然路徑，因?yàn)?，這樣可能使體積減少約三分之一，重量減少約三分之一，內(nèi)耗減少約三分之一，并有可能使總成本壓縮2至4倍。然而，電控部分將與電機(jī)緊密結(jié)合，深度整合使功率密度大幅提高，高溫即是所面臨的不可回避的最大挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)飛機(jī)中控制尾舵、機(jī)翼、起落架等的機(jī)械動(dòng)作都是靠經(jīng)典的液壓傳動(dòng)。液壓油作為液體，受環(huán)境影響很大并且維護(hù)成本很高，目前已趨向于部分或全部的電氣化，此即多電和全電飛機(jī)的概念。在飛機(jī)上采用電機(jī)替代液壓油路實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作，可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)，且方便冗余備份設(shè)計(jì)。然而，最大的困境是飛機(jī)上的電機(jī)和電控不允許配備水冷，且只能依靠強(qiáng)制風(fēng)冷及自然冷卻，因此，實(shí)現(xiàn)多電或全電飛機(jī)、乃至電動(dòng)飛機(jī)的電控設(shè)計(jì)，需要率先解決的重大技術(shù)難題即是高溫。
另外，有許多應(yīng)用場景，特別是隨著電動(dòng)車大規(guī)模普及，半移動(dòng)式儲(chǔ)能充電站和全移動(dòng)式充電寶將可有效地填補(bǔ)固定式充電在某些場景下的缺失。然而，對(duì)于這類移動(dòng)充電應(yīng)用，水冷機(jī)構(gòu)將不僅帶來額外重量體積的負(fù)擔(dān)，更重要的是它消耗自身攜帶的存儲(chǔ)電能，因此，電控采用自然冷卻將是佳徑，但必須妥善處理好電控系統(tǒng)熱管理的問題。
除了上述三種典型的高溫應(yīng)用外，在許多特種工業(yè)應(yīng)用中，因液體冷卻受到嚴(yán)重限制時(shí)，電控系統(tǒng)將面臨同樣的高溫挑戰(zhàn)。耐高溫的電控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以上高溫應(yīng)用的關(guān)鍵，其核心實(shí)現(xiàn)技術(shù)是SiC功率器件的高溫封裝技術(shù)和與之相匹配的高溫驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)。
SiC材料及其器件結(jié)構(gòu)有天生的耐高溫能力，在真空條件下甚至可耐達(dá)400至600℃高溫。在實(shí)際應(yīng)用中，為防止接觸空氣而產(chǎn)生氧化，SiC器件必須有封裝，且若要耐高溫，則必須采用耐高溫的封裝。結(jié)溫150℃是業(yè)界目前最高標(biāo)準(zhǔn)，175℃結(jié)溫等級(jí)剛剛開始展露，有準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化封裝可以采用，而200℃乃至更高溫的封裝對(duì)封裝材料和工藝要求十分嚴(yán)苛，而且必須根據(jù)裸片特征進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以保證導(dǎo)熱和散熱性能要求。
SiC功率器件和模塊的應(yīng)用離不開驅(qū)動(dòng)電路及其相應(yīng)的芯片。然而，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)電路芯片都是普通的硅器件，均不能耐高溫，其若能在高溫如175℃ 下工作1000小時(shí)，已經(jīng)是鳳毛麟角了。另外，耐高溫只是問題的一方面，更嚴(yán)重的是高溫時(shí)器件性能的一致性問題。普通硅器件在70℃之上性能弱化得非常之快，因此在高溫下無法應(yīng)用。歷經(jīng)二十多年創(chuàng)新研發(fā)和應(yīng)用考驗(yàn)，Cissoid公司SOI特種硅器件的耐高溫能力已達(dá)到175℃時(shí)，可連續(xù)工作15年之長，且全溫度范圍內(nèi)性能有*的一致性，是支持SiC高溫應(yīng)用的支柱。
Q 對(duì)于中國化合物半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)該如何學(xué)習(xí)國際經(jīng)驗(yàn)，加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，請(qǐng)談?wù)勀憧捶ā? A 盡管中國在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域起步較晚且落后于國外，但該領(lǐng)域非常適合于在中國實(shí)現(xiàn)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。主要原因有三，*，化合物半導(dǎo)體的工藝基本都在微米級(jí)，從材料到設(shè)備有全套國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈支持，而不會(huì)受到精細(xì)納米級(jí)制造設(shè)備（特別是光刻機(jī)）需要進(jìn)口而被嚴(yán)重限制。第二，化合物半導(dǎo)體的器件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，也不需要非常復(fù)雜的*的EDA支持，又排除了需要進(jìn)口而受到的嚴(yán)重限制。第三，中國廣闊的且巨大的應(yīng)用市場。因此，可以斷言化合物半導(dǎo)體將是中國半導(dǎo)體整體產(chǎn)業(yè)提升的重要突破口之一。 近幾年來，*對(duì)半導(dǎo)體制造業(yè)十分重視，投資也很大，相繼有幾十家晶圓廠在開工、擴(kuò)建或新建，尤其是近期有業(yè)內(nèi)人士呼吁要將微電子系統(tǒng)加工作為單獨(dú)的學(xué)科，這都是極好的現(xiàn)象。然而，縱觀國內(nèi)晶圓廠，清一色 的新廠房和新設(shè)備，投資非常大，但最最缺乏的是工藝開發(fā)領(lǐng)域的人才，以及維護(hù)工藝方面人才積累的體系。傳統(tǒng)的機(jī)械加工如車工、銑工及焊工等，都有多層級(jí)別工匠制度，與待遇和補(bǔ)貼掛鉤，以推進(jìn)和維護(hù)該職業(yè)的發(fā)展，而如此重要的微電子系統(tǒng)加工業(yè)應(yīng)該有更*的人才培養(yǎng)體系。
