近日,，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，國產(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。這可以說是在國產(chǎn)SiC MOSFET中取得的一份很不錯的成績,，目前在SiC二極管領(lǐng)域國產(chǎn)化的程度已經(jīng)很高，但SiC MOSFET卻還相對薄弱,，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？
為何國產(chǎn)SiC MOSFET難突破,？
“SiC這個行業(yè)是相對較新且較細(xì)分的領(lǐng)域,，很多仿真軟件不會專門為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的時候,，預(yù)測不準(zhǔn)確，給設(shè)計者帶來了很大困難,。譬如在仿真里設(shè)計的很好的器件,，等到流片出來后卻發(fā)現(xiàn)，跟設(shè)計的完全不一樣,，”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、工藝柵氧生長等方面對SiC材料進行校準(zhǔn),，不斷的去實驗迭代和完善,。”
而黃興博士從2009年北卡州立大學(xué)就進行這些方面的研究,，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，包括與很多業(yè)內(nèi)科學(xué)家合作,，不斷的提取出一個合適的模型,，這個模型能相對準(zhǔn)確的讓SiC仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的匹配度更好，也極大的縮短了SiC設(shè)計開發(fā)的時間,。正是這個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,，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)品一個重要原因,。
在這方面，派恩杰依靠的是有30年經(jīng)驗的車規(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)合作近三年時間后，今年9月份,，雙方就批量生產(chǎn)SiC晶圓又建立長期戰(zhàn)略合作關(guān)系,。據(jù)了解，過去三年派恩杰累計出貨1千萬,，未來三年預(yù)計將超過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)級半導(dǎo)體芯片,，2019年3月，派恩杰成立僅6個月即發(fā)布了第一款可兼容驅(qū)動650V GaN功率器件,。同年8月完成Gen3技術(shù)的1200V SiC MOS,，填補了國內(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MOS以及用于車載充電機的650V車規(guī)級MOS,。2021年2月發(fā)布1200V大電流車規(guī)級MOS,，應(yīng)用于電動汽車電驅(qū)單管及模塊。
新能源汽車OBC放量,，國產(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是怎樣一個行情？OBC英文是On-Board Charger,，指的是電動汽車車載充電機,，它是指固定安裝在電動汽車上的充電機，電動汽車在充電時，不是直接連接到大型電池的外部充電器,，而是通過OBC對電動汽車的電池進行充電,，以此來起到保護作用。現(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?？焖俪潆姴M足有限的空間和重量要求。
除了充電的保護需求外,，隨著電動汽車的普及和應(yīng)用,，逐漸產(chǎn)生了對儲能電池往外放電的需求，尤其是歐美市場比較看重這個需求,。目前國內(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就得用SiC MOSFET,。
車載充電機作為一個電力電子系統(tǒng),，主要由功率電路和控制電路組成。國內(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放量的時候,。據(jù) ResearchAndMarkets的報告，2019 年全球電動汽車車載充電器市場價值為 21.5 億美元,，預(yù)計到 2027 年將達(dá)到108.2 億美元,，2020年至2027年的復(fù)合年增長率為 22.4%。
而且隨著越來越多汽車廠的興起,，勢必會搶奪稀缺的SiC供應(yīng)鏈資源,。據(jù)悉某國際龍頭企業(yè)的SiC MOSFET交期已從52周延長到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三個電壓平臺的都有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)勢呢,？黃興博士指出,，從技術(shù)上來看,，派恩杰的SiC MOSFET對標(biāo)的是Wolfspeed的第三代平面柵SiC MOSFET，在客戶端的評測中,，派恩杰的SiC性能全球前三,。
在HDFM（器件的Rds（on）×器件的Qgd）這項評價指標(biāo)中，HDFM是衡量功率半導(dǎo)體優(yōu)劣的一個重要參數(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HDFM指標(biāo)越做越小,，持續(xù)保持技術(shù)上的先進性。此外在一些抗極限的指標(biāo)實測中,，比如峰值功率,、峰值電流和一些雪崩測試，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)的市場需要也是非常巨大的,，而國產(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,，國內(nèi)都很薄弱，黃興博士指出,，從國內(nèi)整個產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢和特點來說,，可以先解決產(chǎn)能的問題，至少先做到工業(yè)級的保證,，把產(chǎn)能先供起來,，再慢慢進攻可靠性和技術(shù)的要求，這將是國產(chǎn)SiC MOSFET供應(yīng)鏈上車的一個途徑,。但核心還是產(chǎn)能的問題,，這就需要國內(nèi)SiC襯底材料廠商的支持。隨著上下游不斷的迭代,，預(yù)計在兩三年內(nèi)可以慢慢實現(xiàn)上量,。
加速SiC上車，建立自有封裝產(chǎn)線
目前國內(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@是一個填補產(chǎn)業(yè)空白的事情,，確實也是有價值的事情，現(xiàn)在很多友商也看到了這個價值,，準(zhǔn)備往這個方向做,。”黃興博士表示,。
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,。國內(nèi)在這些相對成功的SiC功率模塊方式中則相對欠缺,。
所以派恩杰想借助自己芯片上的先發(fā)優(yōu)勢，向模塊技術(shù)繼續(xù)延伸和演進,?？v觀國際功率模塊做的好的大廠，如英飛凌等,，很大的一個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)勢和特性，在進行模塊聯(lián)合的設(shè)計當(dāng)中,，可以聯(lián)合芯片上下聯(lián)動的調(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，而納米銀粉具有獨特的納米特性,，999精銀的熔點是961℃,，當(dāng)顆粒尺寸到納米級別后，其熔點會降低至100℃左右,，于是可以通過低溫?zé)Y(jié)來實現(xiàn)芯片的互聯(lián),，而當(dāng)燒結(jié)完成后燒結(jié)層熔點又恢復(fù)到銀的常規(guī)熔點，達(dá)到低溫?zé)Y(jié)高溫使用的特點,，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,，而僅中國大陸的汽車市場一年就至少需要100萬片,，所以SiC原材料的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于供給的。所以對于國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)的擴產(chǎn)策略上,，不是要建更多的Foundry或者Fab,，而是更多的去驗證推動國產(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
2018年選擇在SiC這個賽道“落子”,，派恩杰能在當(dāng)下大規(guī)模缺貨的情況下率先實現(xiàn)SiC MOSFET的大規(guī)?！吧宪嚒保鞎r地利人和一步都不能差,。天時：趕上了新能源市場的發(fā)展以及SiC行業(yè)的及時爆發(fā),；地利：中國這個廣闊的新能源汽車市場、碳中和,、碳達(dá)峰等趨勢的出現(xiàn),，再加上現(xiàn)在對供應(yīng)鏈的自主可控，也使得客戶開始擁抱國產(chǎn)廠商,，增加了驗證的機會,，還有資本的大力支持；人和：派恩杰雖然成立的時間較短,，但研發(fā)團隊在SiC領(lǐng)域的十多年技術(shù)積累,，不管是設(shè)計、物理模型,、工藝數(shù)據(jù)以及各種量產(chǎn)經(jīng)營等的積累,，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上車的步伐將進一步加速。