Si、SiC与GaN，谁更适合上场？| GaN芯片PCB嵌埋封装技术解析

以下完整内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球-《功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析》三部曲系列- 文字原创，素材来源：TMC现场记录、Horse、Hofer、Vitesco
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导语：在半导体产业的竞技场上，Si、SiC与GaN正上演一场"性能与成本"的博弈：Si，作为传统"老将"，技术成熟且成本低廉，却在高频、高功率场景中力不从心；SiC，凭借高耐压、高导热特性成为"高压王者"，但较高的成本让市场望而却步；GaN，则以高电子迁移率、高开关速度的"新生代"姿态崛起，在新能源汽车等领域展现潜力，却因平面结构导致的发热问题、异质结工艺的可靠性短板而备受争议。

可以感知到，这场博弈的核心在于：当能源转型与技术革新对功率器件提出"高效、高频、高密度"的严苛要求时，三种材料究竟谁能以更优的"性能-成本比"胜出？是Si继续守住中低功率领域的"基本盘"？是SiC凭借性能优势突破高端市场？还是GaN通过工艺优化与成本下降实现"后来居上"？

今天，我们从性能对比、技术缺陷、优化路径、成本分析四个维度，系统剖析Si、SiC、GaN各自的优势和劣势？GaN-on-Si器件的现况与未来、挑战与优化方式？最后，通过GaN-on-Si器件的成本分析，揭示Si、SiC与GaN的“性能与成本博弈”：谁更适合“上场”？

|SysPro备注：本篇为《功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析》三部曲中"第三曲"

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上篇 |功率GaN技术发展解析：机遇、突破点与 市场趋势

功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析的"三部曲"(上篇)中篇 | 功率半导体三代技术解析： HPD-> DCM/TPAK -> GaN芯片嵌埋功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析的"三部曲"(中篇)下篇 |Si、SiC与GaN，谁更适合上场？05 Si、SiC与GaN的性能与成本博弈：谁更适合"上场"？

• 5.1 GaN相对SiC/Si的优势
• 5.2 GaN相对SiC/Si的劣势(知识星球发布)
• 5.3 GaN-on-Si器件的主要优化改进方向(知识星球发布)
• 5.4GaN-on-Si器件的成本分析(知识星球发布)
• 5.5 谁更适合"上场"？(知识星球发布)

06 未来展望：GaN技术的"产业重塑力"

• 6.1 技术迭代：从“单点突破”到“系统革新”
• 6.2 产业链变革：从“上游主导”到“需求驱动”(知识星球发布)
• 6.3 市场格局：GaN的崛起(知识星球发布)

|SysPro备注：本篇节选，完整记录与解读请在知识星球中查阅

下篇：Si、SiC与GaN，谁更适合上场？

5.1 GaN相对SiC/Si的优势

GaN作为第三代半导体材料，在性能上展现出显著优势。主要原因是：其禁带宽度、临界击穿电场和电子迁移率均高于SiC和Si。而更高的电子迁移率意味着更快的开关速度和更低的能耗，从而能实现更高的效率及功率密度。

图片来源：Horse Powertrain

从材料极限特性看，GaN的单位面积导通阻抗比SiC小一个数量级1。如下图所示，为Si、SiC、GaN导通阻抗对比图，横轴为耐压，纵轴为芯片单位面积导通阻抗。

图片来源：Horse Powertrain

此外，GaN的能耗品质因数FOM（Rdson*Qg）也优于SiC2。如下图所示，为Si、SiC、GaNFOM品质因数对比，横轴为导通阻抗，纵轴为门极电荷(开关损耗)。

图片来源：Horse Powertrain

通过下方雷达图可以至关看出：GaN在禁带宽度、电子迁移率、导热系数等多项关键指标上明显领先Si和SiC，更适合高频、高效、高功率密度的应用场景。而从材料成本方面来看，当前GaN相比Si/SiC并无明显优势，但是这一点，随着未来GaN半导体的广泛应用和工艺优化，会显著改善。|SysPro备注：为什么会显著改善，在下面会讲到。

图片来源：Horse Powertrain

世界万物均有两面性，GaN优势如此明显，那是否完全没有短板？其在实际应用中又存在哪些亟待解决的问题？

5.2 GaN相对SiC/Si的劣势

(知识星球发布)

目前主流的GaN功率器件用的是硅衬底（GaN-on-Si），结构以平面型（Planer）为主。这里就会带来两个关键问题：

第一，平面型结构和垂直型结构的差异。

IGBT和SiC MOSFET主要采用的是垂直型结构（电流垂直于衬底流动），而GaN-on-Si是平面型（电流在表面横向流动），这种结构会带来耐压与电流受限、散热瓶颈的问题。

图片来源：Horse Powertrain

|SysPro备注：这一处的差异很重要，可以说是本质差异，带来的影响也是多方面，我展开解释下：通俗来说这里所谓"垂直""平面"，指的是载流子的"管道方向"。

垂直型结构，电流垂直于衬底流动。通过调整漂移区厚度，可在不增加芯片面积的前提下提升耐压能力。其核心优势在于高耐压与大电流处理能力。然而，该结构也面临工艺复杂与散热依赖衬底的挑战：工艺方面，需进行多层外延生长和深槽刻蚀，整体成本较高；散热方面，热量需通过衬底导出，对散热设计要求严苛。

平面型结构，电流在器件表面横向流动，源极与漏极位于同一平面，通过栅极控制沟道通断。其优势体现在高频特性：寄生电容小使得开关速度快，适合快充、射频等高频应用。但，该结构也面临耐压与电流受限、散热瓶颈的问题：横向结构需增大芯片面积以提高耐压，导致电流密度降低；异质衬底（如硅或蓝宝石）热导率低，热量易积聚在表面，可能引发热失效。

简单来讲，垂直型结构，通过优化电流路径和散热效率，主导高压大电流场景；平面型结构，则借助GaN等材料的高迁移率实现高频低损，但需突破热管理限制以拓展应用边界。

第二，...(知识星球发布)

那问题来了：既然GaN有这些缺点，该怎么"补短板"？它的性能和可靠性还能提升吗？接下来我们聊聊优化的方向。

5.3 GaN-on-Si器件的主要优化改进方向

(知识星球发布)

针对上述问题，GaN-on-Si器件的优化可从多维度展开：外延、结温、散热、驱动电路、封装工艺技术。下面具体聊聊：

...

那么，优化后的GaN-on-Si器件在成本上是否仍具竞争力？其与SiC、Si的物料成本差异如何？

5.4 GaN-on-Si器件的成本分析

(知识星球发布)

这章开头我们提到：从材料成本方面来看，当前GaN相比Si/SiC并无明显优势，但是这一点，随着未来GaN半导体的广泛应用和工艺优化，会显著改善。这一节，我们来回答下为什么？

从两方面来讲：材料成本、工艺成本。

5.4.1 材料成本...(知识星球发布)

5.4.2工艺制程与成本...(知识星球发布)

5.4.3综合成本模型估算...(知识星球发布)

5.5谁更适合“上场”？

(知识星球发布)

最后，我们回归到本章主题上：Si、SiC与GaN的“性能与成本博弈”：谁更适合“上场”？....

06 未来展望：GaN技术的“产业重塑力”

(知识星球发布)

通过上述介绍，可以知道：由于上述一些列因素的驱动，GaN功率半导体技术已具备从概念走向量产的基础。它不仅突破了传统功率器件的性能边界，更在产业链层面推动“闭环生态”形成，让定制化、高效化从理想走向现实。下面我们从技术迭代、产业链变革、GaN的崛起三个角度，做下总结和展望。

6.1 技术迭代：从“单点突破”到“系统革新”...(知识星球发布)

6.2 产业链变革：从“上游主导”到“需求驱动”...(知识星球发布)

6.3 市场格局：GaN的崛起...(知识星球发布)

图片来源：Yole

这里面还有一个隐藏问题：市场格局的演变是否意味着SiC将退出历史舞台？答案是否定的——SiC仍将在高压直流快充、主驱逆变器等场景占据优势，而GaN则通过“高频+低成本”开辟新战场，两者形成互补。

这场由GaN引发的“效能革命”，不仅将重塑汽车动力系统的技术路径，更将为能源转型提供关键支撑。试想，当GaN技术彻底普及，汽车动力系统的“终极形态”会是什么样子？或许，答案就藏在每一次的产品发布，藏在每一次的技术变革，更藏在每一个追求“更优解”的工程师的探索中。感谢你的阅读，希望本文有所帮助！

|SysPro备注：本篇为《功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析》三部曲中"第三曲"，完整内容已在知识星球中发布：功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析的"三部曲"

图片来源：Horse Powertrain

以上《功率GaN芯片PCB嵌埋封装技术全维解析》的三部曲系列（第三曲，节选），完整内容、相关产品技术方案、技术报告、视频解析已在知识星球「SysPro电力电子技术EE」中发布，全文18500字+，欢迎进一步查阅、学习，希望有所帮助！