碳化硅、氮化镓芯片的设计和制造与核心市场应用分析及合明科技SIC器件清洗剂介绍

关于碳化硅和氮化镓芯片的设计、制造与核心市场应用的全面分析。这两种材料被称为“第三代半导体”，正在引领功率电子和射频电子的革命。

概述：为什么是第三代半导体？

传统的硅基半导体在性能上逐渐逼近其物理极限。碳化硅和氮化镓作为宽禁带半导体材料，具有更高的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的热导率。这些特性使得它们能够工作在更高电压、更高频率、更高温度的环境下，同时实现更小的能量损耗和更紧凑的系统尺寸。

一、 碳化硅

1. 材料特性与优势

• 高击穿电场： 约为硅的10倍，意味着可以制造出耐压更高、尺寸更小的器件。

• 高导热率： 约为硅的3倍，散热性能更好，允许更高的功率密度。

• 高电子饱和漂移速度： 开关速度可以比硅快很多，开关损耗低。

• 宽禁带宽度： 工作结温可以远高于硅（理论上可达200°C以上），可靠性更高。

2. 芯片设计与制造

SiC芯片目前的主流是垂直导电结构的功率器件，如MOSFET和二极管。

• 设计关键：

• 衬底制备： 这是最大的技术挑战和成本来源。SiC晶体生长速度慢、条件苛刻（高温），且晶锭内部缺陷（如微管）控制难度大。

• 外延生长： 在SiC衬底上生长高质量、厚度可控的同质外延层，其质量直接影响器件的耐压和可靠性。

• 离子注入与激活： SiC的掺杂离子需要在极高温度（>1500°C）下进行退火激活，工艺难度大。

• 栅氧界面质量控制： SiC/SiO2界面存在较高的界面态密度，会导致沟道电子迁移率下降，增加导通电阻。这是SiC MOSFET设计的核心挑战之一。

• 制造难点：

• 成本高： SiC衬底成本占总成本的50%以上。

• 良率提升： 长晶和加工过程中的缺陷控制直接影响最终良率。

• 专用设备： 需要高温离子注入、高温退火等特殊设备。

3. 核心市场应用

SiC器件主要应用于需要高电压、高功率密度和高效率的领域。

1. 新能源汽车 - 最大驱动力

• 主驱逆变器： 采用SiC MOSFET可以提升5-10%的续航里程，减小逆变器体积和重量，是当前SiC最大的应用市场。特斯拉、比亚迪、蔚来等车企已大规模采用。

• 车载充电机： 实现高效、快速充电。

• DC-DC转换器： 为车内低压系统供电。

2. 工业与能源

• 光伏逆变器： 提升光伏发电的转换效率和使用寿命。

• 风电变流器： 提高系统可靠性和功率密度。

• 工业电机驱动： 实现变频调速，节能降耗。

• 不间断电源： 提高效率和功率密度。

3. 轨道交通

• 用于高铁、地铁的牵引变流器，实现高效电能转换。

4. 智能电网

• 柔性直流输电中的换流阀，提高电网的稳定性和控制能力。

二、 氮化镓

1. 材料特性与优势

• 极高的电子迁移率和饱和速度： 开关频率远超Si和SiC，开关损耗极低，是高频应用的理想选择。

• 高临界击穿电场： 耐压能力介于Si和SiC之间。

• 异质结优势： 通常通过在硅、SiC或蓝宝石衬底上生长GaN异质结（如AlGaN/GaN）形成高电子迁移率晶体管，产生极高浓度的二维电子气，实现低导通电阻。

2. 芯片设计与制造

GaN功率器件的主流是横向结构的HEMT。

• 设计关键：

• 衬底选择： 可以在成本较低的硅衬底上生长GaN外延层，这是其成本优势的关键。但硅上GaN存在晶格失配和热膨胀系数失配，导致高缺陷密度。也可以在SiC衬底上生长，性能更优但成本更高。

• 常开型与常闭型： 天然的GaN HEMT是“常开”器件，使用不安全。需要通过p-GaN栅、凹槽栅或共源共栅等技术制造“常闭”器件，这是设计的核心。

• 可靠性问题： “电流崩塌”效应是早期GaN器件的顽疾，即在高压开关应力下导通电阻会增大，需要通过表面钝化、场板等技术优化。

• 制造难点：

• 外延质量： 在异质衬底（尤其是硅）上生长高质量、低缺陷的GaN外延层是技术瓶颈。

• 工艺兼容性： 尽管可以使用硅产线，但GaN工艺与传统CMOS不完全兼容，需要开发专用工艺模块。

3. 核心市场应用

GaN器件主要发挥其高频、高效的优势，在以下领域快速渗透：

1. 消费电子快充 - 最先爆发的市场

• 利用GaN的高频特性，可以将充电器中的磁性元件（变压器、电感）做得非常小，从而实现大功率、小体积的“快充头”。目前已成高端手机和笔记本电脑的标配。

2. 射频与5G通信

• 基站功率放大器： GaN RF HEMT能提供更高的输出功率和效率，是5G宏基站PA的绝对主力，替代传统的LDMOS。

• 国防与航天： 用于雷达、电子战系统，提供更远的探测距离和更佳的性能。

3. 数据中心与高端电源

• 用于服务器电源、电信整流器，提升能源转换效率，符合“碳中和”目标。

4. 新能源汽车

• 开始在车载DC-DC、激光雷达驱动电路等对频率要求更高的次级功率领域挑战SiC，未来有望进入主驱逆变器。

三、 SiC vs. GaN：对比与总结

关系： 两者并非简单的替代关系，而是互补与共存。在600V以下的消费电子和部分工业领域，GaN凭借频率优势占据上风；在1200V及以上的新能源汽车、工业高压领域，SiC是当前的不二之选；在650V-900V这个区间，两者存在直接竞争。

四、 市场前景与挑战

• 市场前景：

• 受新能源汽车、可再生能源和5G通信的强力驱动，SiC和GaN市场正处于爆发式增长期。

• 根据Yole等机构预测，到2027年，全球SiC功率器件市场规模有望超过60亿美元，GaN功率器件市场超过20亿美元。

• 共同挑战：

1. 成本： 尽管成本在快速下降，但仍高于成熟的硅技术。

2. 供应链： 从衬底、外延到制造，整个供应链的成熟度和产能仍需提升。

3. 可靠性： 长期可靠性和失效机理仍需更深入的理解和验证，尤其是在汽车等苛刻应用中。

4. 人才与生态： 设计、建模、驱动、应用等全产业链的人才短缺。

总结： 碳化硅和氮化镓正共同开启后硅时代。碳化硅像是一个“力量型”选手，在高压大功率领域稳扎稳打；氮化镓则像一个“速度型”选手，在高频高效率领域快速突进。它们将共同赋能电动汽车、绿色能源和万物互联的未来，是当前全球半导体产业竞争的战略高地。

氮化镓模块清洗剂-合明科技锡膏助焊剂清洗剂介绍：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

合明科技运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

推荐使用合明科技水基清洗剂产品。

合明科技致力于为SMT电子表面贴装清洗、功率电子器件清洗及先进封装清洗提供高品质、高技术、高价值的产品和服务。合明科技 （13691709838）Unibright 是一家集研发、生产、销售为一体的国家高新技术、专精特新企业，具有二十多年的水基清洗工艺解决方案服务经验，掌握电子制程环保水基清洗核心技术。水基技术产品覆盖从半导体芯片封测到 PCBA 组件终端的清洗应用。是IPC-CH-65B CN《清洗指导》标准的单位。合明科技全系列产品均为自主研发，具有深厚的技术开发能力，拥有五十多项知识产权、专利，是国内为数不多拥有完整的电子制程清洗产品链的公司。合明科技致力成为芯片、电子精密清洗剂的领先者。以国内自有品牌，以完善的服务体系，高效的经营管理机制、雄厚的技术研发实力和产品价格优势，为国内企业、机构提供更好的技术服务和更优质的产品。合明科技的定位不仅是精湛技术产品的提供商，另外更具价值的是能为客户提供可行的材料、工艺、设备综合解决方案，为客户解决各类高端精密电子、芯片封装制程清洗中的难题，理顺工艺，提高良率，成为客户可靠的帮手。

合明科技凭借精湛的产品技术水平受邀成为国际电子工业连接协会技术组主席单位，编写全球首部中文版《清洗指导》IPC标准（标准编号：IPC-CH-65B CN）(“Guidelines for Cleaning of Printed Boards and Assemblies”)，IPC标准是全球电子行业优先选用标准，是集成电路材料产业技术创新联盟会员成员。

主营产品包括：集成电路与先进封装清洗材料、电子焊接助焊剂、电子环保清洗设备、电子辅料等。

半导体技术应用节点：FlipChip ;2D/2.5D/3D堆叠集成;COB绑定前清洗；晶圆级封装；高密度SIP焊后清洗；功率电子清洗。