第三代半导体自主技术创新

经验及措施建议

——以基本半导体为例

文｜亿维智源

一

产业背景

今年1月，工业和信息化部组织召开的节能与新能源汽车产业发展部际联席会议提出，要统筹补短板锻长板，加快动力电池、操作系统、汽车芯片等关键技术创新和产业化突破，进一步增强产业链稳定性和竞争力。这其中，汽车芯片可分为功能芯片MCU、功率半导体IGBT及MOSFET、以及传感器等。功率半导体器件是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点，适应汽车电动化、网联化、智能化的发展趋势，对新能源汽车发展具有重要意义。

年以来，随着碳化硅二极管、碳化硅MOSFET及氮化镓GaN-HEMT等宽禁带的第三代半导体产品相继开发成功并量产，功率半导体发展逐步进入第三代半导体时代。目前，第三代半导体已广泛应用于新能源汽车、光伏逆变器、5G基站、高速轨道交通等重要领域。其中汽车行业是功率半导体的最大应用市场，年占我国功率半导体市场份额的比例高达27%。

现阶段，欧美日韩等国功率半导体大企业已形成了规模化优势，占据全球市场的比例超过70%。不同于传统消费级芯片，车载功率半导体的寿命、抗震动、抗冲击要求更高，可靠性、一致性、故障率要求更为严格。来自汽车行业的研究表明，年我国半导体自给率为15%，其中汽车芯片自给率不足5%。因此，实现国产车载功率半导体的自主化替代，摆脱对境外企业的技术依赖，补齐我国汽车产业链的“卡脖子”环节，是目前汽车产业发展的重点方向。

我国高度重视第三代半导体发展，在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项，大力支持第三代半导体技术和产业发展。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和年远景目标纲要》提出，集中优势资源，攻关多领域核心技术，瞄准碳化硅、氮化镓等第三代半导体发展。

二

基本半导体创业与第三代半导体技术产业化的经验

与传统硅基器件相比，使用碳化硅器件的电动汽车电机控制器损耗约降低30%，输出电压波形失真系数改善约35%，变压器噪声降低约4dB，装置体积减小约20%，重量减轻约15%。由于碳化硅材料的优势明显，近年来多家车企开始采用碳化硅器件。比亚迪、小鹏汽车等国内汽车企业搭载了碳化硅功率模块，特斯拉采用了碳化硅MOSFET模块，车辆续驶里程与性能显著提升。随着产业化技术的不断成熟和成本的显著下降，碳化硅功率模块在新能源汽车领域替代硅基IGBT模块已成为必然趋势。

功率半导体器件是电能输出控制和高效转换的核心技术，我国是功率半导体器件的全球最大市场，同时也是全球最大的进口国。作为我国第三代半导体技术的领军企业，深圳基本半导体有限公司（以下简称“基本半导体”）在自主技术创新、工艺及产品开发、产业化应用等方面取得了显著进展。

1.海外技术团队创业

年之前，我国功率半导体领域面临卡脖子难题，关键核心技术国产化率低，绝大多数芯片依靠进口。在此背景下，基本半导体的创始团队年从剑桥大学博士毕业回国，创办了深圳青铜剑科技股份有限公司，带领团队在功率半导体领域展开研究，着力解决中国在功率半导体驱动模组及驱动IC的进口替代问题。在此基础上，年6月成立了基本半导体，专注于碳化硅功率器件技术研究和生产工艺突破，致力于我国碳化硅功率器件技术的研发及产业化。

基本半导体拥有一支国际化的研发团队，核心成员为来自清华大学、中国科学院、英国剑桥大学、德国亚琛工业大学、瑞士洛桑联邦理工学院等国内外知名高校及研究机构的十多位博士。基本半导体积极投入第三代半导体功率器件研发，承担了十多项国家、省、市科技计划项目，攻克了多项关键核心技术难题。目前，基本半导体已掌握的碳化硅功率器件关键核心技术，涵盖外延材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等环节，累计申请近项国内外知识产权。

2.持续推进系统创新

基于产品创新构建产品体系

基本半导体主要在三个方向进行了产品创新，即碳化硅二极管、碳化硅MOSFET和车规级全碳化硅功率模块。

碳化硅二极管和碳化硅MOSFET是基本半导体的代表性产品。为不断提升产品核心竞争力，基本半导体成功研发第三代V、1V系列碳化硅二极管和混合碳化硅分立器件。第三代碳化硅二极管在沿用6英寸晶圆工艺基础上，实现了更高的电流密度、更小的元胞尺寸和更强的浪涌能力。混合碳化硅分立器件的开通损耗比硅基IGBT的开通损耗降低约32.9%，总开关损耗比硅基IGBT的开关损耗降低约22.4%。基本半导体研发的碳化硅MOSFET具有导通电阻低，开关损耗小的特点，可降低器件损耗，提升系统效率，更适合应用于高频电路。

图1基本半导体车规级碳化硅功率模块家族系列产品

针对新能源汽车主逆变器应用，基本半导体研发了车规级全碳化硅功率模块，包括三相全桥MOSFET模块Pcore6、半桥MOSFET模块Pcore2、塑封单面散热半桥MOSFET模块Pcell等产品，该系列产品采用全银烧结先进技术，在栅极输入电容、内部寄生电感、热阻等多项参数上达到国际先进水平，通过提升动力系统逆变器的转换效率，进而提高新能源汽车的能源效率和续驶里程。

基于工艺创新提升产品竞争力

基本半导体车规级碳化硅功率模块产线配备了碳化硅专用的全工艺模块封装专业设备，采用全银烧结、DTS+TCB（DieTopSystem+ThickCuBonding）等先进工艺及封装技术，以提升产品品质和综合性能。

银烧结技术是目前碳化硅模块领域最先进的焊接技术，可充分满足车规级功率模块对高、低温使用场景的严苛要求。相较于传统锡焊技术，银烧结可实现零空洞，低温烧结高温服役，焊接层厚度减少60-70％，适合高温器件互连，电性能、热性能均优于锡焊料，电导率提高5-6倍，热导率提高3-4倍。

DTS+TCB技术通过超声焊接实现常温条件下粗铜线与AMB基板、及芯片表面覆铜片的键合连接和彼此间的电气互联。相较铝线键合，模块寿命可提升3倍以上，且电流和导热能力可大幅提升。

提供产品及工艺定制化服务

为满足客户的多样化需求，基本半导体依托强大的研发实力和本地化技术支持能力，可根据客户电机控制器技术要求和结构布置，提供多样性、全方面的定制化服务。同时，基本半导体可按照客户要求，开发出与其他产品具有兼容性的功率模块，以及提供定制化的芯片类型、数量、工艺及不同尺寸结构的车规级碳化硅功率模块产品。

3.强化产业化能力建设

基本半导体掌握国际领先的碳化硅核心技术，研发覆盖碳化硅功率器件的材料制备、芯片设计、封装测试、驱动应用等全产业链。为适应我国功率半导体器件需求日益旺盛的形势，基本半导体正在大力推进生产能力建设。

量产能力建设

基本半导体已建立海内外双循环供应链，确保产品性能稳定及供应链安全。基本半导体在深圳建有总部基地、研发中心及制造基地,在上海、日本名古屋分别建立了碳化硅芯片研发中心和车规级碳化硅模块研发中心,在南京建设碳化硅外延制造基地。

针对新能源汽车领域的碳化硅器件需求，基本半导体位于无锡的车规级碳化硅功率模块制造基地已在年12月正式通线运行。作为国内第一条车规级碳化硅功率模块专用产线，该生产线采用先进碳化硅专用封装工艺技术，打造高端数字化智能工厂。该基地将于年中实现量产交付，年产能为25万只模块，年预计产能将扩产至万只模块。

图2基本半导体车规级碳化硅模块专用生产线

测试验证能力

年，基本半导体获批广东省第三代半导体碳化硅功率器件工程技术研究中心，该研究中心配备了m2碳化硅功率器件工程实验室，专注于研发设计验证、新材料与实验技术应用、产品功能试验和可靠性试验，是功率半导体领域研发测试的综合实验室。目前，该研究中心已开设封装实验室、电性能实验室、性能与应力分析实验室、电磁敏感度实验室、应用实验室和可靠性实验室。基于当前经验丰富的技术团队，基本半导体正着力打造科学化、标准化、规范化、专业化的碳化硅功率器件工程技术研究中心。

产品质量管控

基本半导体不仅注重增强创新能力，也十分

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