2017阿里巴巴封神之战南京赛区再次开打，谁来较量！
06-18
《半导体芯科技-SiSC》，编辑部系统能效每提高1个百分点，就是对应用创新的重大挑战。
在当今低碳互联时代，英飞凌是唯一一家提供整个电力产业链能效解决方案的半导体公司。
致力于发挥第三代半导体技术在发电、输电、储能和用电等各个环节的潜力和优势，提高整个系统的能源效率。
第三代半导体已成为我国“十四五”规划的重要内容之一，成为近十年来半导体行业的热门话题。
回顾历史，我们很早以前就开始受益于第三代半导体。
例如，我们十多年前就将GaN射频功率放大器用于基站和手机。
2016年，特斯拉在其Model 3汽车中使用了SiC逆变器装置。
7月21日，在第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨产业技术展望研讨会上，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛发表了题为《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》的演讲。
图1.英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛先生发表演讲。
资料EEVIA 英飞凌在全球汽车电子和功率半导体领域的市场份额遥遥领先，在全球半导体行业排名第八。
专注于汽车电子、电源管理和传感器、工业控制、安全等领域。
英飞凌一直在稳步发展，目前员工遍布全球，主要分布在欧洲、亚洲和美洲。
英飞凌拥有四个业务部门，其中最大的是汽车电子部门。
程文涛先生来自电源及传感系统事业部。
该事业部目前经营的产品分为两大类：一类是以MOS管为代表的功率半导体，另一类是传感器。
英飞凌极其专注于能效、移动、安全、物联网和大数据五个领域，其功率器件、传感器、接口等产品均面向上述应用领域。
从物理世界走向数字世界的过程中，首先是通过传感器进行感知，存储采集到的数据并实现MCU计算。
功率半导体属于执行层面，最终通过WiFi、蓝牙或USB实现与外界的连接。
今天的主题是“能源效率”。
全球能源消耗导致二氧化碳排放量不断增加。
现在世界每年的能源消耗量为TWH，相当于一万亿千瓦时的电力。
无论是化石能源、热能还是风能、太阳能等可再生能源，中间的一个重要环节就是电能的转换。
提高能源转化率将有助于碳达峰和减排。
在能源转换和电力传输领域，英飞凌可以提供全面的解决方案，并拥有非常高的市场份额。
三代半执政的成就。
第三代半导体在能源转换中的作用越来越明显。
硅基半导体的物理极限约为0.4（Ω·mm2）。
Cheng 表示，英飞凌预计在几年内推出两代半导体。
产品可以接近这个物理极限。
尽管如此，硅基半导体在未来很长一段时间内仍将占据大部分市场。
毕竟，其成本效益相对于宽禁带半导体功率器件具有明显优势。
碳化硅针对的是大功率、高压应用场景，而氮化镓则专注于超高频场景，比如手机快充等。
因此，目前市场上GaN器件的使用量还很少。
程表示，手机快充也可能是市场对GaN材料和硅基GaN器件可靠性的验证；一旦验证通过，相信GaN器件将很快应用于工业领域。
与硅半导体相比，基于SiC和GaN的器件传导损耗较小。
SiC的电压范围为V~1.3Kv。
该器件具有高热特性、高硬度、高功率和中高开关频率。
但缺点是SiC器件在制造过程中损耗高达2/3，机械应变导致失效。
因此，与其他两种材料相比，SiC器件的门槛是最高的。
图2.基于不同材料的CCM模式图腾柱PFC；蓝线代表硅，绿线代表SiC，紫色代表GaN。
英飞凌ppt现场照片 如何提高能源效率？能源效率是本次演讲的主题。
新材料在能量转换方面具有不可替代的优势，例如缩小设备充电设备的尺寸、实现快速充电等。
例如，将VAC转换为48V DC时，主要评估的参数是转换效率（η）；与碳化硅或氮化镓器件相比，硅基半导体需要更多的外围元件，从而可以实现98%等高效率。
就此而言，硅半导体已接近极限，第三代半导体因其宽禁带特性仍有增长空间（目前英飞凌SiC器件可达到96%的能效转换率）。
接下来，节能减排的重担落到了CPU和射频发射器部分。
图 3. 英飞凌的 CoolSiC? MOSFET 功率器件采用沟槽结构，可以解决大多数功率开关器件的可靠性问题。
资料英飞凌 ppt 现场照片 与其他厂商的 SiC 功率器件相比，英飞凌的 CoolSiC? MOSFET 功率器件采用沟槽结构。
这种结构不同于常见的平面结构，解决了大多数功率开关器件的问题。
可靠性问题可以在传导损耗和长期可靠性之间取得平衡；具体来说，如果想要高效率，沟道导通必须彻底，然后栅极结构设计得很薄，这在批量使用时很容易。
造成可靠性问题。
然而，GaN功率器件的结构有所不同。
其固有缺陷使得GaN器件对栅极电压极其敏感，开关产生的干扰导致器件不导通。
英飞凌的结构设计是在降低寄生参数方面进行差异化研究，其中包括栅极电压减敏。
此外，第三代半导体的Qoss功率远小于现有硅基产品。
Qoss在每次切换过程中不可避免地会发热并耗散； Q值越小，每次切换过程中的损耗就越小，从而达到省电的目的。
的目标。
图 4. CoolSiC? 和 CoolMOS? CFD7 的 Qoos 比较。
英飞凌ppt现场照片 SiC器件什么时候批量发布？无论是传统发电还是新能源发电，第三代半导体都将因电能转换而大有作为。
除了能源效率之外，可靠性是这个过程中的另一个重要话题。
其次，第三代半导体器件的成本和价格仍然是制约市场规模的主要因素。
尽管未来预计将大幅下降，但硅基半导体短期内仍具有成本优势。
我们可以看到未来的市场潜力。
除了用于汽车之外，日常生活中使用的电源转换也有巨大的替代空间。
最后，程先生总结道，第三代半导体相对较新，还有很多故障模式尚未完全了解。
目前可见市场的数据中心，如阿里巴巴、腾讯、谷歌、Facebook等，都会首先考虑采用第三代半导体来降低功耗和运营成本。
5G也是如此。
*英飞凌的两个代表品牌SiC和GaN均以Cool开头，这是英飞凌的品牌商标。
问：现在，一些生产碳化硅的领先厂家正在不断提高结温，并且已经达到了一定的温度。
甚至还有制造商仍在致力于提高结温。
会给未来的应用带来什么好处？挑战在哪里？使用起来会比较困难吗？程文涛：这是一个非常专业的问题。
长期以来，人们一直提出采用硅基半导体来提高结温。
十年前，当硅器件被使用时，有人提出了这个要求。
原因是除了提高效率之外，我们还想让产品越来越小，也就是提高功率密度。
在这个过程中，还有一个非常重要的问题，就是其中产生的热量是在这么小的范围内。
如果无法消散怎么办？那你就得自己承受了，所以你得提高你能忍受的结温。
因此，差不多十年前，就有人将硅基半导体的标准最高结温从℃提高到℃。
现在基本上是可以实现的。
刚才我们提到的三种材料中，最耐高温的是碳化硅。
碳化硅本身制成的炉子温度也差不多。
这种材料的导热性能也是三种材料中最好的。
物理性质与金刚石相似。
差不多，非常耐高温，而且容易导热。
如果采用碳化硅材料来提高器件结温，对于提高功率密度会有很大帮助。
困难在于提高器件的结温。
整个产业链必须配合，即器件最终必须安装在PCB上。
PCB板能耐高温吗？旁边的光电耦合器能耐两百度的温度吗？光敏器件对温度敏感。
非常敏感，这只是一个例子。
提高耐温能力是趋势，也是有好处的，但这个过程需要整个产业链的配合。
问：今天我见到了一位来自晶圆厂的朋友。
对碳中和和碳峰的要求特别高。
现在不少厂商正准备在中国拓展第三代半导体的代工业务。
您如何看待第三代半导体？对于OEM来说，其主要竞争门槛在于制造工艺。
您认为在这个领域可行吗？程文涛：这也是我认真讨论过的一个问题。
我的观察是，我们刚才谈到的碳化硅和氮化镓的产业链是非常不同的。
这一点就体现在你刚才提到的问题上。
氮化镓已基本形成与代工厂、设计公司合作的业务业态。
为什么？这是因为我们目前在这个行业使用的氮化镓是基于硅基半导体的。
氮化镓的外缘在硅基衬底上向上生长，并通过其结构导电。
与这个结构相关，它的引入门槛比较低，但这并不意味着每个人都可以做到。
这很容易做到，但要可靠地做到这一点并提高产量，就需要规模经济。
这就催生了台积电等公司。
该公司为代表的代工厂为所有人制造芯片。
由于其规模，它可以处理整个制造过程，并且其成熟度可以为您节省大量时间。
你关注的是你把那些结构，像我们刚才强调的结构，通过你的聪明才智做出创新的结构，利用氮化镓的特性，然后交给代工厂去量产。
它是硅上的氮化镓。
碳化硅则不同，因为它的进入壁垒非常高。
简单来说，它是在碳化硅上生长的碳化硅，而不是在硅基上构建的碳化硅。
碳化硅是一种不仅具有热性能，而且硬度接近金刚石的材料。
首先我们在制作的时候，不像我们的硅器件需要两米长的晶棒，这种生产效率是非常高的。
至此，碳化硅已经制成块状，需要对其进行切割。
它割伤了自己，因为没有人比它更硬，所以损失很大。
这样一块碳化硅被切下来，最后抛光，变成晶圆，只剩下原来的三分之一大小。
处理门槛非常高。
因此，目前该行业主要的碳化硅厂商都是IDM厂商，属于垂直一体化厂商。
原因是进入门槛太高。
目前，Cree几乎占据了SiC晶圆工艺的60%份额，这足以说明问题。
我们也有国内厂商在做晶圆部分，这对国产半导体来说是非常重要的一步。
但我相信碳化硅在未来一段时间内仍会以这种方式存在。
问：数据中心和云服务公司是否对氮化镓器件有迫切需求，例如服务器电源？目前氮化镓器件在国内或全球的应用情况如何？设计的挑战和问题是什么？程文涛：我刚才提到了氮化镓。
根据我们自己的制造经验，这个东西做起来很容易，但要做到一致可靠就不容易了。
有什么难度呢？返回上一页（P17），看起来像这样。
底部由硅制成，厚度只有五微米。
它是一种从外缘生长出来的结构。
这里要克服的一个问题是硅是一种各向同性材料。
硅的失效有电失效和热失效。
然而，包括氮化镓和碳化硅在内的第三代半导体的失效模式与硅完全不同。
因为它是各向异性材料，所以结合了两种元素。
它在开关过程中会产生所谓的介电效应，因为介电效应会产生机械变形，积累到一定程度就会断裂。
这是第三代半导体的常见故障模式。
生长这种外延的目的是慢慢地从硅过渡到氮化镓，因此牺牲了底部。
随着时间的推移，底部注定会破裂。
里面的一些结构和一些晶体结构注定会破裂。
反正它不承担导电的任务，但是承担导电任务的部分必须慢慢过渡到不受介电效应影响。
这个过程说起来简单，但是掌握起来却非常困难。
所以，到目前为止在这个行业，尤其??是可靠性要求非常高的领域，氮化镓的使用规模还比较小，就是因为大家还是比较谨慎，先用手机快充，不用担心损坏。
经过几年的验证，我就会知道这个东西为什么坏，掌握它，然后大规模应用。
这是我看到的趋势。
问：GaN器件的使用寿命是多少？程文涛：氮化镓材料本身并没有什么问题。
这仅取决于您做得如何。
我们自己开发的第一代产品是抱着非常保守的态度去做的，就是你不太了解，就会过度设计。
根据现有的材料，我们对它进行了评估，我们制作的器件在我们平时的使用范围内，它的寿命是50年，比硅要长很多，但实际上并没有那么长。
问题是我需要知道它的瓶颈在哪里。
我无法降低它。
最终，它破裂了。
我不知道怎么办。
所以氮化镓、碳化硅等材料的可靠性，其实材料本身就可以允许很长的寿命，但是据说在设计和制造的时候必须用这些工艺来保证。
问：我们看到英飞凌前段时间推出了CoolGaNTM IPS系列，针对消费市场的适配器和充电器。
因为我们知道很多厂商已经在生产这个领域的GaN器件，其中包括英飞凌的IPS系列。
现在它的优势是什么？市场上GaN器件的价格相对而言逐渐下降。
英飞凌的IPS有何优势抢占市场？程文涛：我们刚才提到氮化镓是一种对电压非常敏感的材料。
如果不小心，就会造成误导。
尤其是这种材料本身速度就非常快，在开启和关闭的时候难免会产生一些干扰。
这些干扰反过来会逆转其影响。
让它自己误导自己，这是让氮化镓头疼的事情。
这是一个很好的东西，但是用起来并不容易。
对于IPS这样的产品，我们要帮助客户的是省去驱动它的大脑，即将驱动器集成到两管或者一管。
使用的时候可以当做熟悉的MOS管来用，因为驱动内部已经解决了。
这就是我们做IPS的初衷。
它解决的问题主要是消费类产品，因为消费类产品的用户范围非常广泛。
如何让更多工程师轻松使用氮化镓？这就是 IPS 的作用。
讲师简介 程文涛先生，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监； 1999年从事开关电源设计，2006年进入半导体行业，此后一直从事电源管理及相关领域的AE和营销工作。
他在功率半导体应用和市场方面拥有 20 多年的经验。
版权声明：本文内容由互联网用户自发贡献，本站不拥有所有权，不承担相关法律责任。如果发现本站有涉嫌抄袭的内容，欢迎发送邮件 举报，并提供相关证据，一经查实，本站将立刻删除涉嫌侵权内容。
标签：
相关文章
06-17
06-18
06-06
06-18
最新文章
英特尔收购芯片制造商eASIC，进一步减少对CPU的依赖
西门子携手现代汽车、起亚公司，共同推动交通运输行业数字化转型
行业领导者制定 Open Eye MSA 来帮助实现高速光连接应用
三星电子和 NAVER 合作
意法半导体和 Leti 合作开发 GaN-on-Si 功率转换技术
青岛将大力发展高世代TFT-LCD和Micro LED项目
长电科技参加IMAPS器件封装大会
三星正式发布Exynos 990旗舰处理器