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2022-01-11 半导体行业观察—杜芹
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“SiC这个行业是相对较新且较细分的领域,很多仿真软件不会专门为SiC投入太多资源,所以这方面的模型是缺失的。SiC材料本身的模型数据的缺失导致商用软件在仿真SiC的时候,预测不准确,给设计者带来了很大困难。譬如在仿真里设计的很好的器件,等到流片出来后却发现,跟设计的完全不一样,”派恩杰半导体创始人兼总裁黄兴博士坦言道,“这就需要设计者从最底层物理上的模型,比如SiC自身的电子迁移率、雪崩击穿的模型、热学仿真模型、工艺栅氧生长等方面对SiC材料进行校准,不断的去实验迭代和完善。”


而黄兴博士从2009年北卡州立大学就进行这些方面的研究,他师从“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶闸管发明人Alex Q. Huang,2014-2017年在美期间发布20余款SiC/GaN量产产品,发布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件,发明首个可双向耐压SiC结终端结构。黄兴博士在SiC行业有着十余年的经验,包括与很多业内科学家合作,不断的提取出一个合适的模型,这个模型能相对准确的让SiC仿真结果和实验结果的匹配度更好,也极大的缩短了SiC设计开发的时间。正是这个原因使得派恩杰能率先在SiC MOSFET领域突破。


另一方面,我们都知道,SiC本身材料的成本是比较高的,一张普通的MOSFET硅晶圆的成本大概在500元人民币左右,而SiC晶圆一张大约是在3万元人民币左右,一个PN (part number)需要200片晶圆,就至少需要600万人民币,如果开发几十款料号,成本将巨额上升。这给SiC企业带来了很大的资金压力。成本之外,迭代的速度也很关键,SiC的加工难度很大,很多代工厂并不具备这样的加工条件,就极大的限制了研发迭代的速度,这也是目前很多SiC公司很难推出成熟产品一个重要原因。


在模型上的多年积累以及X-FAB快速的迭代周期的支持,使得派恩杰这几年发展飞速。早在2018年派恩杰就紧锣密鼓布局车规级半导体芯片,2019年3月,派恩杰成立仅6个月即发布了第一款可兼容驱动650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技术的1200V SiC MOS,填补了国内空白。2020年先后发布用于5G数据中心、服务器与工业辅助电源的650V、1700V工业级MOS以及用于车载充电机的650V车规级MOS。2021年2月发布1200V大电流车规级MOS,应用于电动汽车电驱单管及模块。


新能源汽车OBC放量,国产SiC MOSFET卡位

如今,在全球半导体行业缺货的大背景下,派恩杰紧抓发展机遇,率先顺利“上车”。公司的SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破,获得了新能源汽车龙头企业数千万订单,并已开始低调供货。


汽车OBC是怎样一个行情?OBC英文是On-Board Charger,指的是电动汽车车载充电机,它是指固定安装在电动汽车上的充电机,电动汽车在充电时,不是直接连接到大型电池的外部充电器,而是通过OBC对电动汽车的电池进行充电,以此来起到保护作用。现在车载充电器必须要具有尽可能高的效率和可靠性,以确保快速充电并满足有限的空间和重量要求。


除了充电的保护需求外,随着电动汽车的普及和应用,逐渐产生了对储能电池往外放电的需求,尤其是欧美市场比较看重这个需求。目前国内也有车厂把OBC特别是双向的OBC作为标配,而双向的解决方案则采用SiC是最划算的,如果要想能量双向流动就得用SiC MOSFET。


车载充电机作为一个电力电子系统,主要由功率电路和控制电路组成。国内的龙头企业早在5年前就开始用SiC做OBC,目前OBC技术已经越来越成熟,体积也逐渐缩小。派恩杰认为,现在正是OBC放量的时候。据 ResearchAndMarkets的报告,2019 年全球电动汽车车载充电器市场价值为 21.5 亿美元,预计到 2027 年将达到108.2 亿美元,2020年至2027年的复合年增长率为 22.4%。


据悉,派恩杰在650V、1200V、1700V三个电压平台的都有SiC MOSFET器件产品,其中在汽车OBC上应用的是单管1200V的SiC MOSFET和650V SiC MOSFET,所提供的是TO-247、TO-220这种标准封装的单管。


那么派恩杰的SiC MOSFET又为何能率先“上车”,其产品有何优势呢?黄兴博士指出,从技术上来看,派恩杰的SiC MOSFET对标的是Wolfspeed的第三代平面栅SiC MOSFET,在客户端的评测中,派恩杰的SiC性能全球前三。

在HDFM(器件的Rds(on)×器件的Qgd)这项评价指标中,HDFM是衡量功率半导体优劣的一个重要参数指标,该数值越低说明器件的综合损耗更小,效率更高。理想情况下,同样的应用场景,若派恩杰的SiC MOSFET功耗为10W,S品牌14W,C品牌11.8W,R品牌13.6W,某国产品牌20W。可见派恩杰在所有的平面栅技术里面是最好的,所以在开关损耗和导通损耗这两方面指标中,派恩杰可以给客户提供最优的解决方案。


目前上车的SiC MOSFET主要是以平面栅技术为主,派恩杰也将在平面栅技术上不断迭代,将Rds(on)×Qgd这个HDFM指标越做越小,持续保持技术上的先进性。此外在一些抗极限的指标实测中,比如峰值功率、峰值电流和一些雪崩测试,派恩杰都可以达到比较苛刻的工业要求和车规的要求。


在产品良率方面,派恩杰的单片SiC MOSFET综合良率为80%-90%,不同型号有所不同,像一些中小功率的芯片,良率一般在90%以上,随着功率越大,良率也会有所降低,这主要目前SiC原材料这种缺陷所导致的。如果抛开材料缺陷,派恩杰在Fab端的良率是99%以上。


除了汽车OBC之外,黄兴博士还指出,现在汽车电驱的市场需要也是非常巨大的,而国产SiC MOSFET要上电驱,就必须要过可靠性和产能这两大难关。在这两方面,国内都很薄弱,黄兴博士指出,从国内整个产业链的优势和特点来说,可以先解决产能的问题,至少先做到工业级的保证,把产能先供起来,再慢慢进攻可靠性和技术的要求,这将是国产SiC MOSFET供应链上车的一个途径。但核心还是产能的问题,这就需要国内SiC衬底材料厂商的支持。随着上下游不断的迭代,预计在两三年内可以慢慢实现上量。


加速SiC上车,建立自有封装产线

目前国内也有不少SiC企业布局了SiC封装产线,但是在派恩杰看来,国内比较缺失的是SiC能真正上车的功率模块产线。为了更好的服务新能源汽车企业,派恩杰加快布局车用SiC模块,正着力选址建造车用SiC模块封装产线。“这是一个填补产业空白的事情,确实也是有价值的事情,现在很多友商也看到了这个价值,准备往这个方向做。”黄兴博士表示。


考虑到SiC自身高频高速、低功耗的特性,以前传统的功率模块,像IGBT封装所用的较好的HPD模块,已不太适合用于SiC,继续采用这种传统的封装将对性能产生影响。特斯拉Model S中的SiC功率模块就没有采用IGBT的封装,而是用的类似TO的封装,这也是市面上量产比较成功的封装模式,再就是如大众批量应用的板桥模块的形式。国内在这些相对成功的SiC功率模块方式中则相对欠缺。


所以派恩杰想借助自己芯片上的先发优势,向模块技术继续延伸和演进。纵观国际功率模块做的好的大厂,如英飞凌等,很大的一个原因在于他们的模块使用的是自家的芯片。这样的好处在于他们深知自己芯片的优势和特性,在进行模块联合的设计当中,可以联合芯片上下联动的调校和优化,让模块去适应芯片。


在模块的工艺制造端,派恩杰选择采用纳米银焊接技术,而不是目前IGBT封装常用的双面冷却技术,黄兴博士指出,要发展更高效率和高可靠性的SiC,就需要选用一些高温的封装材料,来提高SiC的工作结温。纳米银焊接技术的好处在于,银具有更高的导热导电性和化学稳定性,而纳米银粉具有独特的纳米特性,999精银的熔点是961℃,当颗粒尺寸到纳米级别后,其熔点会降低至100℃左右,于是可以通过低温烧结来实现芯片的互联,而当烧结完成后烧结层熔点又恢复到银的常规熔点,达到低温烧结高温使用的特点,是目前第三代半导体封装较有潜力的互联材料。


除了在封装工艺上的提升,派恩杰的很重要的工作是联合上下游,做好材料、芯片,乃至模块的筛选工作,构建一套完整的可靠性数据模型,更好的符合车规要求。


而针对目前全球的SiC产能问题,黄兴博士指出,目前SiC主要受制于原材料的产能,而不是在Foundry或者Fab端。以Wolfspeed为例,其一年6英寸SiC晶圆片的产能大约是72万片,加上其他厂商如GT advanced,II-VI,住友电工,SiCrystal产能大约有200万片,而仅中国大陆的汽车市场一年就至少需要100万片,所以SiC原材料的需求是远远大于供给的。所以对于国内SiC产业的扩产策略上,不是要建更多的Foundry或者Fab,而是更多的去验证推动国产衬底原材料厂的技术,助其迭代,释放产能,这是核心。


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