近日,，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露,，國(guó)產(chǎn)SiC功率器件供應(yīng)商派恩杰半導(dǎo)體的SiC MOSFET拿下了新能源汽車龍頭企業(yè)的數(shù)千萬訂單,。這可以說是在國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET中取得的一份很不錯(cuò)的成績(jī),，目前在SiC二極管領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化的程度已經(jīng)很高,，但SiC MOSFET卻還相對(duì)薄弱,，具備研發(fā)和量產(chǎn)能力的企業(yè)更是鳳毛麟角,，這其中的原因是什么？派恩杰作為一家初創(chuàng)企業(yè)又憑什么能脫穎而出,？

　　為何國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET難突破,？

　　“SiC這個(gè)行業(yè)是相對(duì)較新且較細(xì)分的領(lǐng)域，很多仿真軟件不會(huì)專門為SiC投入太多資源,，所以這方面的模型是缺失的,。SiC材料本身的模型數(shù)據(jù)的缺失導(dǎo)致商用軟件在仿真SiC的時(shí)候，預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確,，給設(shè)計(jì)者帶來了很大困難,。譬如在仿真里設(shè)計(jì)的很好的器件，等到流片出來后卻發(fā)現(xiàn),，跟設(shè)計(jì)的完全不一樣,，”派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼總裁黃興博士坦言道，“這就需要設(shè)計(jì)者從最底層物理上的模型,，比如SiC自身的電子遷移率,、雪崩擊穿的模型、熱學(xué)仿真模型,、工藝柵氧生長(zhǎng)等方面對(duì)SiC材料進(jìn)行校準(zhǔn),，不斷的去實(shí)驗(yàn)迭代和完善?！?/p>

　　而黃興博士從2009年北卡州立大學(xué)就進(jìn)行這些方面的研究,，他師從“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶閘管發(fā)明人Alex Q. Huang，2014-2017年在美期間發(fā)布20余款SiC/GaN量產(chǎn)產(chǎn)品,，發(fā)布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件,，發(fā)明首個(gè)可雙向耐壓SiC結(jié)終端結(jié)構(gòu)。黃興博士在SiC行業(yè)有著十余年的經(jīng)驗(yàn),，包括與很多業(yè)內(nèi)科學(xué)家合作,，不斷的提取出一個(gè)合適的模型，這個(gè)模型能相對(duì)準(zhǔn)確的讓SiC仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匹配度更好,，也極大的縮短了SiC設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間,。正是這個(gè)原因使得派恩杰能率先在SiC MOSFET領(lǐng)域突破。

　　派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼總裁黃興博士

　　另一方面,，我們都知道,，SiC本身材料的成本是比較高的，一張普通的MOSFET硅晶圓的成本大概在500元人民幣左右,，而SiC晶圓一張大約是在3萬元人民幣左右,，一個(gè)PN （part number）需要200片晶圓，就至少需要600萬人民幣,，如果開發(fā)幾十款料號(hào),，成本將巨額上升,。這給SiC企業(yè)帶來了很大的資金壓力。

　　成本之外,，迭代的速度也很關(guān)鍵,，SiC的加工難度很大，很多代工廠并不具備這樣的加工條件,，就極大的限制了研發(fā)迭代的速度,，這也是目前很多SiC公司很難推出成熟產(chǎn)品一個(gè)重要原因,。

　　在這方面,，派恩杰依靠的是有30年經(jīng)驗(yàn)的車規(guī)代工廠X-FAB Silicon Foundries（“X-FAB”），它也是全球首家提供150mm SiC工藝的代工廠,。在已經(jīng)合作近三年時(shí)間后,，今年9月份，雙方就批量生產(chǎn)SiC晶圓又建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作關(guān)系,。據(jù)了解,，過去三年派恩杰累計(jì)出貨1千萬，未來三年預(yù)計(jì)將超過8千萬,。

　　在模型上的多年積累以及X-FAB快速的迭代周期的支持,，使得派恩杰這幾年發(fā)展飛速。早在2018年派恩杰就緊鑼密鼓布局車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體芯片,，2019年3月,，派恩杰成立僅6個(gè)月即發(fā)布了第一款可兼容驅(qū)動(dòng)650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技術(shù)的1200V SiC MOS,，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,。2020年先后發(fā)布用于5G數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器與工業(yè)輔助電源的650V,、1700V工業(yè)級(jí)MOS以及用于車載充電機(jī)的650V車規(guī)級(jí)MOS,。2021年2月發(fā)布1200V大電流車規(guī)級(jí)MOS，應(yīng)用于電動(dòng)汽車電驅(qū)單管及模塊,。

　　新能源汽車OBC放量,，國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET卡位

　　如今，在全球半導(dǎo)體行業(yè)缺貨的大背景下,，派恩杰緊抓發(fā)展機(jī)遇,，率先順利“上車”。公司的SiC MOSFET產(chǎn)品在新能源汽車OBC應(yīng)用驗(yàn)證取得了重大突破,，獲得了新能源汽車龍頭企業(yè)數(shù)千萬訂單,，并已開始低調(diào)供貨。

　　汽車OBC是怎樣一個(gè)行情,？OBC英文是On-Board Charger,，指的是電動(dòng)汽車車載充電機(jī),，它是指固定安裝在電動(dòng)汽車上的充電機(jī)，電動(dòng)汽車在充電時(shí),，不是直接連接到大型電池的外部充電器,，而是通過OBC對(duì)電動(dòng)汽車的電池進(jìn)行充電，以此來起到保護(hù)作用?，F(xiàn)在車載充電器必須要具有盡可能高的效率和可靠性,，以確保快速充電并滿足有限的空間和重量要求,。

　　除了充電的保護(hù)需求外,，隨著電動(dòng)汽車的普及和應(yīng)用，逐漸產(chǎn)生了對(duì)儲(chǔ)能電池往外放電的需求,，尤其是歐美市場(chǎng)比較看重這個(gè)需求,。目前國(guó)內(nèi)也有車廠把OBC特別是雙向的OBC作為標(biāo)配，而雙向的解決方案則采用SiC是最劃算的,，如果要想能量雙向流動(dòng)就得用SiC MOSFET,。

　　車載充電機(jī)作為一個(gè)電力電子系統(tǒng)，主要由功率電路和控制電路組成,。國(guó)內(nèi)的龍頭企業(yè)早在5年前就開始用SiC做OBC,，目前OBC技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，體積也逐漸縮小,。派恩杰認(rèn)為,，現(xiàn)在正是OBC放量的時(shí)候。據(jù) ResearchAndMarkets的報(bào)告,，2019 年全球電動(dòng)汽車車載充電器市場(chǎng)價(jià)值為 21.5 億美元,，預(yù)計(jì)到 2027 年將達(dá)到108.2 億美元，2020年至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 22.4%,。

　　而且隨著越來越多汽車廠的興起,，勢(shì)必會(huì)搶奪稀缺的SiC供應(yīng)鏈資源。據(jù)悉某國(guó)際龍頭企業(yè)的SiC MOSFET交期已從52周延長(zhǎng)到80周,。目前派恩杰的大部分SiC MOSFET產(chǎn)能也都被車載OBC占用,。

　　據(jù)悉，派恩杰在650V,、1200V,、1700V三個(gè)電壓平臺(tái)的都有SiC MOSFET器件產(chǎn)品，其中在汽車OBC上應(yīng)用的是單管1200V的SiC MOSFET和650V SiC MOSFET,，所提供的是TO-247,、TO-220這種標(biāo)準(zhǔn)封裝的單管。

　　那么派恩杰的SiC MOSFET又為何能率先“上車”,，其產(chǎn)品有何優(yōu)勢(shì)呢,？黃興博士指出,，從技術(shù)上來看，派恩杰的SiC MOSFET對(duì)標(biāo)的是Wolfspeed的第三代平面柵SiC MOSFET,，在客戶端的評(píng)測(cè)中,，派恩杰的SiC性能全球前三。

　　在HDFM（器件的Rds（on）×器件的Qgd）這項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中,，HDFM是衡量功率半導(dǎo)體優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo),，該數(shù)值越低說明器件的綜合損耗更小，效率更高,。理想情況下,，同樣的應(yīng)用場(chǎng)景，若派恩杰的SiC MOSFET功耗為10W,，S品牌14W,，C品牌11.8W,，R品牌13.6W,，某國(guó)產(chǎn)品牌20W?？梢娕啥鹘茉谒械钠矫鏂偶夹g(shù)里面是最好的,，所以在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗這兩方面指標(biāo)中，派恩杰可以給客戶提供最優(yōu)的解決方案,。

　　目前上車的SiC MOSFET主要是以平面柵技術(shù)為主,，派恩杰也將在平面柵技術(shù)上不斷迭代，將Rds（on）×Qgd這個(gè)HDFM指標(biāo)越做越小,，持續(xù)保持技術(shù)上的先進(jìn)性,。此外在一些抗極限的指標(biāo)實(shí)測(cè)中，比如峰值功率,、峰值電流和一些雪崩測(cè)試,，派恩杰都可以達(dá)到比較苛刻的工業(yè)要求和車規(guī)的要求。

　　在產(chǎn)品良率方面,，派恩杰的單片SiC MOSFET綜合良率為80%-90%,，不同型號(hào)有所不同，像一些中小功率的芯片,，良率一般在90%以上,，隨著功率越大，良率也會(huì)有所降低,，這主要目前SiC原材料這種缺陷所導(dǎo)致的,。如果拋開材料缺陷，派恩杰在Fab端的良率是99%以上,。

　　除了汽車OBC之外,，黃興博士還指出,，現(xiàn)在汽車電驅(qū)的市場(chǎng)需要也是非常巨大的，而國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET要上電驅(qū),，就必須要過可靠性和產(chǎn)能這兩大難關(guān),。在這兩方面，國(guó)內(nèi)都很薄弱,，黃興博士指出,，從國(guó)內(nèi)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)來說，可以先解決產(chǎn)能的問題,，至少先做到工業(yè)級(jí)的保證,，把產(chǎn)能先供起來，再慢慢進(jìn)攻可靠性和技術(shù)的要求,，這將是國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET供應(yīng)鏈上車的一個(gè)途徑,。但核心還是產(chǎn)能的問題，這就需要國(guó)內(nèi)SiC襯底材料廠商的支持,。隨著上下游不斷的迭代,，預(yù)計(jì)在兩三年內(nèi)可以慢慢實(shí)現(xiàn)上量。

　　加速SiC上車,，建立自有封裝產(chǎn)線

　　目前國(guó)內(nèi)也有不少SiC企業(yè)布局了SiC封裝產(chǎn)線,，但是在派恩杰看來，國(guó)內(nèi)比較缺失的是SiC能真正上車的功率模塊產(chǎn)線,。為了更好的服務(wù)新能源汽車企業(yè),，派恩杰加快布局車用SiC模塊，正著力選址建造車用SiC模塊封裝產(chǎn)線,?！斑@是一個(gè)填補(bǔ)產(chǎn)業(yè)空白的事情，確實(shí)也是有價(jià)值的事情,，現(xiàn)在很多友商也看到了這個(gè)價(jià)值,，準(zhǔn)備往這個(gè)方向做?！秉S興博士表示,。

　　考慮到SiC自身高頻高速、低功耗的特性,，以前傳統(tǒng)的功率模塊,，像IGBT封裝所用的較好的HPD模塊，已不太適合用于SiC,，繼續(xù)采用這種傳統(tǒng)的封裝將對(duì)性能產(chǎn)生影響,。特斯拉Model S中的SiC功率模塊就沒有采用IGBT的封裝，而是用的類似TO的封裝，這也是市面上量產(chǎn)比較成功的封裝模式,，再就是如大眾批量應(yīng)用的板橋模塊的形式,。國(guó)內(nèi)在這些相對(duì)成功的SiC功率模塊方式中則相對(duì)欠缺。

　　所以派恩杰想借助自己芯片上的先發(fā)優(yōu)勢(shì),，向模塊技術(shù)繼續(xù)延伸和演進(jìn),。縱觀國(guó)際功率模塊做的好的大廠,，如英飛凌等,，很大的一個(gè)原因在于他們的模塊使用的是自家的芯片。這樣的好處在于他們深知自己芯片的優(yōu)勢(shì)和特性,，在進(jìn)行模塊聯(lián)合的設(shè)計(jì)當(dāng)中,，可以聯(lián)合芯片上下聯(lián)動(dòng)的調(diào)校和優(yōu)化，讓模塊去適應(yīng)芯片,。

　　在模塊的工藝制造端,，派恩杰選擇采用納米銀焊接技術(shù)，而不是目前IGBT封裝常用的雙面冷卻技術(shù),，黃興博士指出,，要發(fā)展更高效率和高可靠性的SiC，就需要選用一些高溫的封裝材料,，來提高SiC的工作結(jié)溫,。納米銀焊接技術(shù)的好處在于,，銀具有更高的導(dǎo)熱導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性,，而納米銀粉具有獨(dú)特的納米特性，999精銀的熔點(diǎn)是961℃,，當(dāng)顆粒尺寸到納米級(jí)別后,，其熔點(diǎn)會(huì)降低至100℃左右，于是可以通過低溫?zé)Y(jié)來實(shí)現(xiàn)芯片的互聯(lián),，而當(dāng)燒結(jié)完成后燒結(jié)層熔點(diǎn)又恢復(fù)到銀的常規(guī)熔點(diǎn),，達(dá)到低溫?zé)Y(jié)高溫使用的特點(diǎn)，是目前第三代半導(dǎo)體封裝較有潛力的互聯(lián)材料,。

　　除了在封裝工藝上的提升,，派恩杰的很重要的工作是聯(lián)合上下游，做好材料,、芯片,，乃至模塊的篩選工作，構(gòu)建一套完整的可靠性數(shù)據(jù)模型,，更好的符合車規(guī)要求,。

　　而針對(duì)目前全球的SiC產(chǎn)能問題，黃興博士指出,，目前SiC主要受制于原材料的產(chǎn)能,，而不是在Foundry或者Fab端,。以Wolfspeed為例，其一年6英寸SiC晶圓片的產(chǎn)能大約是72萬片,，加上其他廠商如GT advanced,，II-VI，住友電工,，SiCrystal產(chǎn)能大約有200萬片,，而僅中國(guó)大陸的汽車市場(chǎng)一年就至少需要100萬片，所以SiC原材料的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于供給的,。所以對(duì)于國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)策略上,，不是要建更多的Foundry或者Fab，而是更多的去驗(yàn)證推動(dòng)國(guó)產(chǎn)襯底原材料廠的技術(shù),，助其迭代,，釋放產(chǎn)能，這是核心,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　2018年選擇在SiC這個(gè)賽道“落子”,，派恩杰能在當(dāng)下大規(guī)模缺貨的情況下率先實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的大規(guī)模“上車”,，天時(shí)地利人和一步都不能差,。天時(shí)：趕上了新能源市場(chǎng)的發(fā)展以及SiC行業(yè)的及時(shí)爆發(fā)；地利：中國(guó)這個(gè)廣闊的新能源汽車市場(chǎng),、碳中和,、碳達(dá)峰等趨勢(shì)的出現(xiàn)，再加上現(xiàn)在對(duì)供應(yīng)鏈的自主可控,，也使得客戶開始擁抱國(guó)產(chǎn)廠商,，增加了驗(yàn)證的機(jī)會(huì)，還有資本的大力支持,；人和：派恩杰雖然成立的時(shí)間較短,，但研發(fā)團(tuán)隊(duì)在SiC領(lǐng)域的十多年技術(shù)積累，不管是設(shè)計(jì),、物理模型,、工藝數(shù)據(jù)以及各種量產(chǎn)經(jīng)營(yíng)等的積累，造就了其過硬的產(chǎn)品品質(zhì)以及迭代的速度發(fā)展,。最后有全球最成熟的代工廠為其SiC產(chǎn)品的產(chǎn)能保障,。未來隨著派恩杰的車規(guī)模塊封裝產(chǎn)線的構(gòu)建，相信SiC上車的步伐將進(jìn)一步加速,。