主編序言

2020年，我們共同經歷了新冠肺炎疫情的全球大流行，近200萬人默默離世。尊重生命、尊重科學、團結抗疫成為國際共識。武漢封城、長江洪災、澳洲山火、非洲蝗災、納戈爾諾-卡拉巴赫地區戰火紛飛，這些都歷歷在目。可以說，2020年是災難頻繁的一年；但這絕非全部。 2020年，我們也見證了15個亞太國家簽署RCEP區域自由貿易協定，提振了世界經濟信心；SpaceX實現了首次商業載人航太飛行；嫦娥五號任務圓滿成功。在世界經濟遭受重創之際，中國成為唯一實現正成長的主要經濟體。作為經濟復甦的引擎，半導體產業在2020年也勇於承擔責任並取得了豐碩成果：在5G元年，5nm 5G晶片強勢推出，蘋果發布了採用台積電5nm製程的A14仿生晶片，整合了11.8億個電晶體。此後，華為和三星也相繼發表了麒麟9000系列和Exyon 1080。雲端EDA的探索與應用，EDA軟體廠商、IC設計公司和代工廠正攜手推進，能夠適應EDA工具的使用需求，實現大規模的運算能力自動智慧調度，並藉助海量雲資源提供彈性算力支持，直接提升晶片的研發週期和良率，降低晶片設計成本。 3D先進封裝技術穩定發展，突破了摩爾定律的瓶頸。它在整合度、效能、功耗等方面都具有明顯的優勢。三星今年宣布其新型 X-Cube3D 封裝技術已準備就緒……當然，作為半導體領域的一顆冉冉升起的新星，第三代半導體和其他化合物半導體也備受關注，並展現出諸多亮點。請欣賞以下比利時半導體公司 Cissoid 的精彩展示！

    《化合物半導體》雜誌獨家專訪西索德中國區總經理羅寧生博士          

羅寧生博士現任比利時Cissoid公司中國區總經理。此前，他曾任職於多家歐美半導體公司，從事半導體市場及業務管理工作，主要負責中國及亞太地區的市場和業務。這些公司包括美國的Synaptics（納斯達克股票代碼：SYNA）、Silicon Data、英國的PicoChip以及美國的Innovative Micro Technology。他於中國科學院上海技術物理研究所獲得博士學位，之後多年在歐美從事材料物理研究，包括在德國哥廷根馬克斯·普朗克流體動力學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物理系從事半導體奈米材料研究。

Q：2021年即將到來。面對新的一年，您如何看待化合物半導體產業的發展與變化？您對2020年有哪些總結與見解？答：繼特斯拉之後，2020年比亞迪率先在中國正式推出搭載SiC MOSFET的電動車，各大電動車製造商也更關注SiC在電動車的應用。在車載電池、DC-DC轉換器和充電樁方面，通常可以使用相對低端的SiC MOSFET，這樣既能提高效率，又能減小體積和重量，同時還能保持相對較低的成本。而在馬達驅動應用中，為了追求最高的效率和最低的熱損耗，通常會使用高階SiC MOSFET（即內阻較小的裝置）。在電動車馬達領域，業界普遍認為，以SiC MOSFET取代傳統的IGBT可以將整車的能源效率提升5-10%，這意味著在相同的電池組條件下，續航里程可以提升5-10%，這極具吸引力。 2021年將是SiC在電動車領域應用爆發性成長的一年，因為今年的大規模短缺就是一個訊號。此外，GaN近來發展迅猛，其主要應用領域是行動裝置的快速充電器。由於GaN涉及消費性電子產品，其需求量龐大，因此GaN的出貨量很快就會比SiC裝置高出數個數量級。

Q：隨著5G、新能源汽車、大數據、人工智慧、物聯網等技術領域的快速發展，化合物半導體將迎來許多機會。您認為化合物半導體面臨哪些挑戰與機會？化合物半導體（如SiC和GaN）作為旨在取代傳統矽元件的新型半導體裝置，最大的挑戰在於成本控制，這涉及到良率和生產規模的控制。只有不斷提高良率並擴大生產規模，才能逐步降低成本，進而贏得市場的廣泛應用。挑戰也是機遇，也是各化合物半導體廠商爭奪市佔率的製高點。

Q：碳化矽（SiC）是一種具有巨大發展前景的材料，尤其是在電力電子和微波射頻裝置領域的應用，目前備受關注。貴公司如何看待碳化矽的市場發展？如何促進碳化矽材料的升級與發展？答：

隨著碳化矽（SiC）功率半導體裝置等第三代半導體技術的日益成熟和普及，它們在早期階段將直接取代矽（Si）裝置的應用。然而，在後期階段，它們將積極發揮自身性能優勢，開拓眾多全新應用領域，涉足先前矽元件無法企及的領域。例如，碳化矽固有的耐高溫性能與Cissoid高溫半導體裝置完美契合，將大幅改變電力系統設計格局，並為設計工程師提供廣闊的創新空間。這些典型的未來高溫高功率密度應用包括深度整合的電動車動力系統、多電動和全電動飛機甚至純電動飛機、行動儲能充電站和行動電源，以及各種液冷應用受限的電力應用。 

電動車的動力總成（馬達、電控系統和變速箱）正朝著三合一的方向發展，但目前只是結構上的堆疊，整合度較低。從結構上看，未來動力總成的深度整合勢在必行，因為這可以將體積、重量和內部能耗分別減少約三分之一，並將總成本降低2到4倍。然而，電控系統將與馬達緊密整合，深度整合將大幅提高功率密度。高溫是無法避免的最大挑戰。

在傳統飛機中，控制尾舵、機翼、起落架等的機械動作依賴於經典的液壓傳動。液壓油作為一種液體，極易受環境影響，且維護成本高。目前，飛機正朝著部分或全部電氣化發展，即多電飛機和全電飛機的概念。在飛機上使用馬達取代液壓迴路來實現機械操作，具有可靠性高、可維護性強、便於冗餘備份設計等優點。然而，最大的難題在於飛機上的馬達和電子控制系統不允許水冷，只能依靠強制風冷和自然冷卻。因此，要實現多電飛機、全電飛機甚至全電動飛機的電子控制設計，首先需要解決的主要技術難題是高溫問題。 

此外，隨著電動車的大規模普及，半移動式儲能充電站和全行動電源的應用場景十分廣泛，能夠有效彌補固定充電在某些場景下的不足。然而，對於這類行動充電應用而言，水冷機制不僅會增加額外的重量和體積，更重要的是，它還會消耗自身儲存的電能。因此，自然冷卻對於電子控制系統而言是最佳方案，但必須妥善解決電子控制系統的熱管理問題。

除了上述三種典型的高溫應用之外，在許多液冷受到嚴重限制的特殊工業應用中，電子控制系統也將面臨相同的高溫挑戰。高溫電控技術是實現上述高溫應用的關鍵。其核心實現技術是碳化矽功率元件的高溫封裝技術以及與之相符的高溫驅動電路技術。

碳化矽（SiC）材料及其元件結構具有固有的耐高溫性能，即使在真空條件下也能承受400至600℃的高溫。在實際應用中，為了防止暴露於空氣中導致的氧化，SiC裝置必須進行封裝；如果想要承受高溫，則必須使用耐高溫封裝。目前，150℃的結溫是業界最高標準，175℃的結溫水準也剛開始顯現，已有準標準化的封裝方案可供使用。而對於溫度在200℃及以上的封裝，對封裝材料和製程的要求非常嚴格，必須根據裸晶片的特性進行定制，以確保導熱性和散熱性能符合要求。

SiC功率元件和模組的應用離不開驅動電路及其對應的晶片。然而，大多數驅動電路晶片都是普通的矽元件，無法承受高溫。即使能在175℃等高溫下連續工作1,000小時，也已十分罕見。此外，耐高溫性只是問題的一個方面，更嚴重的是裝置在高溫下的性能穩定性。普通矽元件在70℃以上性能會快速下降，因此無法用於高溫環境。經過20多年的創新研發與應用測試，Cissoid的SOI特殊矽元件實現了175℃的耐高溫性能，並可連續工作15年。其性能在整個溫度範圍內都表現出優異的穩定性，是SiC高溫應用的一大支柱。

Q：請分享您對中國化合物半導體產業如何借鏡國際經驗、加速產業發展的看法。答：雖然中國在化合物半導體領域起步較晚，落後於國外，但該領域非常適合中國快速發展。主要有三點原因。首先，化合物半導體的製程基本上在微米級，從材料到設備，國內擁有完整的產業鏈支持，不會因需要進口精細奈米級製造設備（尤其是光刻機）而受到嚴重限制。其次，化合物半導體的裝置結構相對簡單，不需要非常複雜的頂層EDA支持，這也避免了因需要進口而造成的嚴重限制。第三，中國擁有廣大的應用市場。因此，可以得出結論，化合物半導體將成為提升中國整體半導體產業的重要突破口之一。近年來，中國高度重視半導體製造業，投入巨資，數十家晶圓廠已建成、擴建或新建。尤其近來，業內一些人士呼籲將微電子系統加工作為一門獨立的學科來培養，這無疑是個極好的現象。然而，縱觀國內晶圓廠，它們都新建了廠房、添置了新設備，投入巨大。但最缺乏的卻是製程研發領域的人才，以及維修製程的人才累積體系。傳統的機械加工，例如車床、銑床和焊工，都擁有與福利補貼掛鉤的多層技工體系，以促進和維持產業發展。如此重要的微電子系統加工產業，理應擁有更完善的人才培育體系。