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    [導讀]ST獲得了全球50%以上的SiC MOSFET市場份額;并且在寬禁帶半導體領域進行了襯底技術收購、產能投資,擁有了全生產鏈條的掌控力。本文分享了ST在SiC領域獲得成功的原因,如何保持領先的未來戰略規劃,以及對于整個寬禁帶器件行業的前景解讀。

    隨著全球能源結構的升級不斷深入,寬禁帶半導體器件因為其優勢特性而備受行業內關注。ST在碳化硅領域投資已經超過25年,獲得了全球50%以上的SiCMOSFET市場份額;并且在氮化稼領域也積極開展技術研發和資本投入,加快推進GaN戰略。近日ST專門召開了寬禁帶半導體線上媒體溝通會,意法半導體汽車和分立器件產品部(ADG) 執行副總裁,功率晶體管事業部總經理Edoardo MERLI針對寬禁帶半導體的技術優勢、戰略布局進行了精彩的分享。


    寬禁帶器件的優勢和當前局限

    據IEA( International Energy Agency)預測,電力消耗的需求持續增長,從2020到2030全球電力需求增長率將超過30%。而另一方面,受制于全球環境惡化的重重壓力,全球約定的碳排量需要大幅降低,可再生能源的發電比率需要持續提高。

    從2019年的用電比例來看,工業是用電量大頭。全球工業用電效率提高1%,則可節約出約15個核電站的發電量。從電能產生、到電能輸送、存儲到最終使用,如何從整個電力轉換鏈上進行提高能源利用效率,增加可再生能源使用率是整個行業關注的熱點話題。而諸如SiC和GaN這類寬禁帶器件因為其天然的特性,相比傳統的硅器件有著更好的效能。

    與傳統的硅基器件相比,GaN和SiC的工作電壓更高、開關速度更快、導通電阻更低,因此在能效方面可以做到超越。雖然都是寬禁帶器件,但GaN和SiC的器件特性也有著明顯的差異,其中SiC的工作電壓要比GaN高得多,因此更適用于高壓的應用中,譬如汽車和工業等大功率系統設備中;而GaN的開關頻率要更快,因此更適合快充、射頻開關等應用領域,例如一些小型化的電源適配器等、射頻開關等。借助SiC和GaN這類寬禁帶器件,可以在傳統拓撲上實現更簡單和高效的設計,從而實現系統層面上整體的成本降低,實現小型化和輕量化。

    得益于寬禁帶半導體的這些優勢,在工業、消費、電動汽車等領域都可以幫助產業實現更高能效升級。其中電動汽車作為能源結構升級的重要應用領域之一,各國和各地區都做出了轉型的承諾。受益于整個汽車產業的范式轉變,碳化硅器件的需求將會持續擴大。

    以電動汽車的逆變器為例,SiC MOSFET逆變器相比IGBT逆變器可以實現更高的集成度、更小的體積,并且將開關損耗減少80%。據Edoardo Merli分享,采用SiC MOSFET逆變器的電動汽車,在全工作負載的情況下,整體的能效都要比IGBT逆變器好得多。而且實際汽車的使用過程中,超過95%的工況都是在低負載的情況,這種低負載工況下IGBT逆變器和SiC MOSFET逆變器的能效比相差了3~4個百分點。

    雖然寬禁帶器件有著領先傳統硅材料器件的優勢,但在生產良率、成本、系統集成、可靠性等方面與非常成熟的硅工藝而言仍有著不小的差距。

    碳化硅已經實現了大規模的商用,但相比硅材料在生產上需要的條件更為嚴苛,需要更高的溫度、更新的工藝和其他加工條件。在產出率和工序方面,碳化硅仍然落后于硅。如何實現工藝上的迭代升級、提高生產良率和可靠性,是SiC器件要解決的關鍵問題。而GaN的可靠性不足是其在進入工業和汽車等領域一個限制,此外在更高壓的工作條件下實現更高的開關頻率仍需要業界進行摸索。

    另外在設計上,寬禁帶器件的驅動特性與傳統硅器件有所不同,在開發者進行新材料器件集成的時候,做到直接的器件替換并不輕松,需要對整個驅動電路進行相應的改進,做到良好的驅動電路與主晶體管的匹配,才能實現最佳的能效表現。因此很多寬禁帶器件廠商通常也會推出配套的驅動器件,或者是合封的模塊,方便開發者進行系統集成。但總體而言,要在傳統硅器件應用中進行替換,仍需要開發者投入一些額外的工作量。

    總體而言,作為一種新材料器件,提高可靠性、降低成本、讓開發者實現更便捷的設計等工作仍需要業界努力,寬禁帶器件的發展仍在路上。


    ST的SiC和GaN產品布局

    ST在寬禁帶器件上的投資布局也是由來已久。在SiC領域ST已經深耕25余年,當前有超過50%的SiCMOSFET市場份額,在汽車領域占比甚至達到了60%,預期到2024年將會達到10億美元的年度盈利。

    在產品迭代上ST的SiC器件已經實現了一代、二代和三代SiC產品的量產出貨;第四代的SiC產品預計也將在今年年底通過認證測試,從明年開始推向市場。如下圖所示,Rds(on) x Area和Rds(on) x Qg是SiC器件的重要性能參數,而ST的SiC器件每次迭代過程中都會實現大約20~25%的改良,從而實現了性能的提升和成本的降低。

    為客戶提供廣泛的產品組合,方便客戶挑選更適合的產品解決方案,是ST一直堅持的產品策略。在SiC產品布局上,ST也正在推出不同封裝類型的產品,其中既包括分立封裝的器件,也包括多裸片合封的模塊化產品,例如例如,ACEPACK1-2和 ACEPACK DRIVE,通過平臺化的模塊封裝,來簡化用戶的設計難題。

    在GaN電源產品規劃方面,ST有PowerGaN和MasterGaN兩個產品組合,PowerGaN主要是分立GaN晶體管,而MasterGaN則是驅動和晶體管組成的系統級封裝。除了以上兩個電源方面的產品組合外,ST同樣也在規劃針對移動基站的GaN PA。

    據Edoardo Merli分享,ST將繼續推廣PowerGaN 路線圖中輸入電壓從650V開始的G-FET、G-DRIVE和G-HEMT產品,在現有的G-HEMT產品中增加100V產品。氮化鎵產品組合也會進一步擴大,增加導通電阻不同的晶體管產品,此外還會繼續推廣MasterGaN系統級封裝。像碳化硅產品一樣,氮化鎵產品也提供廣泛的封裝形態,例如QFN等分立封裝、可以集成電池的新封裝ST LISI等。此外ST也將繼續研究嵌入式裸片封裝技術,以便進一步提高封裝的集成度。射頻GaN的產品,也預計會在今年年底推出。


    保持制勝的戰略:完整制造鏈全盤掌控

    保持并擴大在SiC市場上50%的份額,并持續擴大GaN產品的市場份額,將會是ST在寬禁帶半導體上的重要方向。對此,ST從上下游分別制定了戰略,并且進行雙輪驅動:制造上持續投資,實現全盤的掌控能力;客戶端進行緊密的應用端合作,共同進行產品定義??蛻舳说墨@取的大量反饋信息,又回饋到產品的設計、生產制造環節進行迭代升級。

    “除了技術研發外,我們還在制定一個完整制造鏈的戰略。這個戰略的重點是讓ST真正擁有功率半導體技術的制造實力?!盓doardo Merli表示,“我們正在投入巨資擴大SiC和GaN的產能,ST非??春眠@兩種技術,所以將碳化硅和氮化鎵功率技術寫進公司未來十年總體發展重大戰略之中?!?

    完整的制造鏈戰略包括從前道的襯底加工道最后的封裝測試上,在整個制造鏈條上實現具備可控的實力,從而實現產能擴大。碳化硅襯底是制造鏈本身的重要組成部分,對芯片的成本、產量和質量影響很大。對于瑞典 Norstel AB公司(已更名為ST SiC AB)的收購,使ST擁有了前道的碳化硅襯底制造技術,并把這項技術融入其自己的制造鏈中。未來ST的碳化硅產品的部分襯底將會由該工廠提供,部分采購自第三方。

    據Edoardo Merli介紹,第一批晶棒和 8 英寸晶片原型已經在該工廠完成制造,目前正在進行晶片利用率表征分析,讓原型晶片走完全部工序,以便開發完整的工藝技術,8 英寸晶片預計將會在2024年年底實現量產。瑞典ST SiC AB工廠將被打造成一個綜合性工廠,未來將不僅僅承擔著襯底生長的任務,還要承擔從外延到擴散的其他后續工序,甚至有可能提供晶元測試。ST在意大利卡塔尼亞和新加坡的兩個主要制造基地,也正在進行生產規模擴大,從6英寸產線向8英寸產線改造升級。后道的封測主要是在深圳和摩洛哥布斯庫拉兩個工廠完成,后道的產能也同樣會實現一倍的提升。

    在GaN方面,同樣也采取類似的產能投資和發展策略。ST正在與臺積電開展合作,從而將許多內測產品提前向市場發布,通過臺積電的渠道更好地觸達市場。最終目標是完善ST的內測技術,最終服務于其清晰明確的產品戰略。ST對Power GaN技術的推廣已經在路上,100V到650V各類產品將會陸續出爐,這些也都會在8英寸生產線上誕生。此外,ST卡塔尼亞也有一條硅基GaN生產線用于氮化鎵PA產品生產,這是為5G和6G基礎設施進行布局。

    除了上述完整的制造鏈戰略之外,ST的另一個重要策略是在客戶端:大量的產品搭載提供有價值的反饋信息;與頭部客戶緊密的合作,先行進行新一代產品定義探索。

    憑借著超50%市場份額,ST可以獲得大量的產品應用反饋,這也是其區別于其他廠商的重要護城河。今天有一百多萬輛的汽車在使用基于ST碳化硅解決方案的動力總成,這是一個非常寶貴的信息源,為ST克服前面提到的挑戰,找到很多攻克技術難題的方法,提供了非常有價值的信息。Edoardo Merli表示,產品的采用率越高,收集的反饋信息也就越多,越能了解產品在具體應用中的性能表現,便于ST在后續提高產品性能、質量和可靠性,還可以利用這些信息定義新產品的特性,滿足不同應用的需求。

    與頭部客戶的緊密合作,可以讓產品定義實現領先市場的方向探索。以與雷諾的戰略合作為例,ST緊密與OEM共同開發符合市場前景的解決方案,然后OEM廠商可以將解決方案交給EMS或一級供應商去進行量產。這種合作可以讓ST真正地定義技術,以最好的方式來實現產品定義。這種與芯片原廠進行緊密合作的方式,已經逐漸成為新的汽車行業格局的重要趨勢。


    總結

    ST在SiC上戰略已經完成布局,憑借著完整的生產鏈掌控力和領先的市場份額,將會在雙輪驅動節奏下進入的快速發展期。在Power GaN上的產品也將受益于8英寸產線的投資,此外在GaN PA上的探索也將會是非常有趣的產品方向。

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