隨著全球能源結(jié)構(gòu)的升級(jí)不斷深入，寬禁帶半導(dǎo)體器件因?yàn)槠鋬?yōu)勢特性而備受行業(yè)內(nèi)關(guān)注。ST在碳化硅領(lǐng)域投資已經(jīng)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(lǐng)域也積極開展技術(shù)研發(fā)和資本投入，加快推進(jìn)GaN戰(zhàn)略。近日ST專門召開了寬禁帶半導(dǎo)體線上媒體溝通會(huì)，意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG) 執(zhí)行副總裁，功率晶體管事業(yè)部總經(jīng)理Edoardo MERLI針對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)優(yōu)勢、戰(zhàn)略布局進(jìn)行了精彩的分享。
寬禁帶器件的優(yōu)勢和當(dāng)前局限
據(jù)IEA（ International Energy Agency）預(yù)測，電力消耗的需求持續(xù)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(huán)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(fā)電比率需要持續(xù)提高。
從2019年的用電比例來看，工業(yè)是用電量大頭。全球工業(yè)用電效率提高1%，則可節(jié)約出約15個(gè)核電站的發(fā)電量。從電能產(chǎn)生、到電能輸送、存儲(chǔ)到最終使用，如何從整個(gè)電力轉(zhuǎn)換鏈上進(jìn)行提高能源利用效率，增加可再生能源使用率是整個(gè)行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)話題。而諸如SiC和GaN這類寬禁帶器件因?yàn)槠涮烊坏奶匦裕啾葌鹘y(tǒng)的硅器件有著更好的效能。
與傳統(tǒng)的硅基器件相比，GaN和SiC的工作電壓更高、開關(guān)速度更快、導(dǎo)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(yīng)用中，譬如汽車和工業(yè)等大功率系統(tǒng)設(shè)備中；而GaN的開關(guān)頻率要更快，因此更適合快充、射頻開關(guān)等應(yīng)用領(lǐng)域，例如一些小型化的電源適配器等、射頻開關(guān)等。借助SiC和GaN這類寬禁帶器件，可以在傳統(tǒng)拓?fù)渖蠈?shí)現(xiàn)更簡單和高效的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面上整體的成本降低，實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。
得益于寬禁帶半導(dǎo)體的這些優(yōu)勢，在工業(yè)、消費(fèi)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域都可以幫助產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)更高能效升級(jí)。其中電動(dòng)汽車作為能源結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，各國和各地區(qū)都做出了轉(zhuǎn)型的承諾。受益于整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)的范式轉(zhuǎn)變，碳化硅器件的需求將會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。
以電動(dòng)汽車的逆變器為例，SiC MOSFET逆變器相比IGBT逆變器可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度、更小的體積，并且將開關(guān)損耗減少80%。據(jù)Edoardo Merli分享，采用SiC MOSFET逆變器的電動(dòng)汽車，在全工作負(fù)載的情況下，整體的能效都要比IGBT逆變器好得多。而且實(shí)際汽車的使用過程中，超過95%的工況都是在低負(fù)載的情況，這種低負(fù)載工況下IGBT逆變器和SiC MOSFET逆變器的能效比相差了3～4個(gè)百分點(diǎn)。
雖然寬禁帶器件有著領(lǐng)先傳統(tǒng)硅材料器件的優(yōu)勢，但在生產(chǎn)良率、成本、系統(tǒng)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商用，但相比硅材料在生產(chǎn)上需要的條件更為嚴(yán)苛，需要更高的溫度、更新的工藝和其他加工條件。在產(chǎn)出率和工序方面，碳化硅仍然落后于硅。如何實(shí)現(xiàn)工藝上的迭代升級(jí)、提高生產(chǎn)良率和可靠性，是SiC器件要解決的關(guān)鍵問題。而GaN的可靠性不足是其在進(jìn)入工業(yè)和汽車等領(lǐng)域一個(gè)限制，此外在更高壓的工作條件下實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率仍需要業(yè)界進(jìn)行摸索。
另外在設(shè)計(jì)上，寬禁帶器件的驅(qū)動(dòng)特性與傳統(tǒng)硅器件有所不同，在開發(fā)者進(jìn)行新材料器件集成的時(shí)候，做到直接的器件替換并不輕松，需要對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，做到良好的驅(qū)動(dòng)電路與主晶體管的匹配，才能實(shí)現(xiàn)最佳的能效表現(xiàn)。因此很多寬禁帶器件廠商通常也會(huì)推出配套的驅(qū)動(dòng)器件，或者是合封的模塊，方便開發(fā)者進(jìn)行系統(tǒng)集成。但總體而言，要在傳統(tǒng)硅器件應(yīng)用中進(jìn)行替換，仍需要開發(fā)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(fā)者實(shí)現(xiàn)更便捷的設(shè)計(jì)等工作仍需要業(yè)界努力，寬禁帶器件的發(fā)展仍在路上。
ST的SiC和GaN產(chǎn)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(lǐng)域ST已經(jīng)深耕25余年，當(dāng)前有超過50%的SiCMOSFET市場份額，在汽車領(lǐng)域占比甚至達(dá)到了60%，預(yù)期到2024年將會(huì)達(dá)到10億美元的年度盈利。
在產(chǎn)品迭代上ST的SiC器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一代、二代和三代SiC產(chǎn)品的量產(chǎn)出貨；第四代的SiC產(chǎn)品預(yù)計(jì)也將在今年年底通過認(rèn)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(shù)，而ST的SiC器件每次迭代過程中都會(huì)實(shí)現(xiàn)大約20～25%的改良，從而實(shí)現(xiàn)了性能的提升和成本的降低。
為客戶提供廣泛的產(chǎn)品組合，方便客戶挑選更適合的產(chǎn)品解決方案，是ST一直堅(jiān)持的產(chǎn)品策略。在SiC產(chǎn)品布局上，ST也正在推出不同封裝類型的產(chǎn)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(chǎn)品，例如例如，ACEPACK1-2和 ACEPACK DRIVE，通過平臺(tái)化的模塊封裝，來簡化用戶的設(shè)計(jì)難題。
在GaN電源產(chǎn)品規(guī)劃方面，ST有PowerGaN和MasterGaN兩個(gè)產(chǎn)品組合，PowerGaN主要是分立GaN晶體管，而MasterGaN則是驅(qū)動(dòng)和晶體管組成的系統(tǒng)級(jí)封裝。除了以上兩個(gè)電源方面的產(chǎn)品組合外，ST同樣也在規(guī)劃針對(duì)移動(dòng)基站的GaN PA。
據(jù)Edoardo Merli分享，ST將繼續(xù)推廣PowerGaN 路線圖中輸入電壓從650V開始的G-FET、G-DRIVE和G-HEMT產(chǎn)品，在現(xiàn)有的G-HEMT產(chǎn)品中增加100V產(chǎn)品。氮化鎵產(chǎn)品組合也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，增加導(dǎo)通電阻不同的晶體管產(chǎn)品，此外還會(huì)繼續(xù)推廣MasterGaN系統(tǒng)級(jí)封裝。像碳化硅產(chǎn)品一樣，氮化鎵產(chǎn)品也提供廣泛的封裝形態(tài)，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(xù)研究嵌入式裸片封裝技術(shù)，以便進(jìn)一步提高封裝的集成度。射頻GaN的產(chǎn)品，也預(yù)計(jì)會(huì)在今年年底推出。
保持制勝的戰(zhàn)略：完整制造鏈全盤掌控
保持并擴(kuò)大在SiC市場上50%的份額，并持續(xù)擴(kuò)大GaN產(chǎn)品的市場份額，將會(huì)是ST在寬禁帶半導(dǎo)體上的重要方向。對(duì)此，ST從上下游分別制定了戰(zhàn)略，并且進(jìn)行雙輪驅(qū)動(dòng)：制造上持續(xù)投資，實(shí)現(xiàn)全盤的掌控能力；客戶端進(jìn)行緊密的應(yīng)用端合作，共同進(jìn)行產(chǎn)品定義。客戶端的獲取的大量反饋信息，又回饋到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代升級(jí)。
“除了技術(shù)研發(fā)外，我們還在制定一個(gè)完整制造鏈的戰(zhàn)略。這個(gè)戰(zhàn)略的重點(diǎn)是讓ST真正擁有功率半導(dǎo)體技術(shù)的制造實(shí)力。”Edoardo Merli表示，“我們正在投入巨資擴(kuò)大SiC和GaN的產(chǎn)能，ST非常看好這兩種技術(shù)，所以將碳化硅和氮化鎵功率技術(shù)寫進(jìn)公司未來十年總體發(fā)展重大戰(zhàn)略之中。”
完整的制造鏈戰(zhàn)略包括從前道的襯底加工道最后的封裝測試上，在整個(gè)制造鏈條上實(shí)現(xiàn)具備可控的實(shí)力，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能擴(kuò)大。碳化硅襯底是制造鏈本身的重要組成部分，對(duì)芯片的成本、產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大。對(duì)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(shù)，并把這項(xiàng)技術(shù)融入其自己的制造鏈中。未來ST的碳化硅產(chǎn)品的部分襯底將會(huì)由該工廠提供，部分采購自第三方。
據(jù)Edoardo Merli介紹，第一批晶棒和 8 英寸晶片原型已經(jīng)在該工廠完成制造，目前正在進(jìn)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(fā)完整的工藝技術(shù)，8 英寸晶片預(yù)計(jì)將會(huì)在2024年年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。瑞典ST SiC AB工廠將被打造成一個(gè)綜合性工廠，未來將不僅僅承擔(dān)著襯底生長的任務(wù)，還要承擔(dān)從外延到擴(kuò)散的其他后續(xù)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(gè)主要制造基地，也正在進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，從6英寸產(chǎn)線向8英寸產(chǎn)線改造升級(jí)。后道的封測主要是在深圳和摩洛哥布斯庫拉兩個(gè)工廠完成，后道的產(chǎn)能也同樣會(huì)實(shí)現(xiàn)一倍的提升。
在GaN方面，同樣也采取類似的產(chǎn)能投資和發(fā)展策略。ST正在與臺(tái)積電開展合作，從而將許多內(nèi)測產(chǎn)品提前向市場發(fā)布，通過臺(tái)積電的渠道更好地觸達(dá)市場。最終目標(biāo)是完善ST的內(nèi)測技術(shù)，最終服務(wù)于其清晰明確的產(chǎn)品戰(zhàn)略。ST對(duì)Power GaN技術(shù)的推廣已經(jīng)在路上，100V到650V各類產(chǎn)品將會(huì)陸續(xù)出爐，這些也都會(huì)在8英寸生產(chǎn)線上誕生。此外，ST卡塔尼亞也有一條硅基GaN生產(chǎn)線用于氮化鎵PA產(chǎn)品生產(chǎn)，這是為5G和6G基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行布局。
除了上述完整的制造鏈戰(zhàn)略之外，ST的另一個(gè)重要策略是在客戶端：大量的產(chǎn)品搭載提供有價(jià)值的反饋信息；與頭部客戶緊密的合作，先行進(jìn)行新一代產(chǎn)品定義探索。
憑借著超50%市場份額，ST可以獲得大量的產(chǎn)品應(yīng)用反饋，這也是其區(qū)別于其他廠商的重要護(hù)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(dòng)力總成，這是一個(gè)非常寶貴的信息源，為ST克服前面提到的挑戰(zhàn)，找到很多攻克技術(shù)難題的方法，提供了非常有價(jià)值的信息。Edoardo Merli表示，產(chǎn)品的采用率越高，收集的反饋信息也就越多，越能了解產(chǎn)品在具體應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，便于ST在后續(xù)提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和可靠性，還可以利用這些信息定義新產(chǎn)品的特性，滿足不同應(yīng)用的需求。
與頭部客戶的緊密合作，可以讓產(chǎn)品定義實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先市場的方向探索。以與雷諾的戰(zhàn)略合作為例，ST緊密與OEM共同開發(fā)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(jí)供應(yīng)商去進(jìn)行量產(chǎn)。這種合作可以讓ST真正地定義技術(shù)，以最好的方式來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定義。這種與芯片原廠進(jìn)行緊密合作的方式，已經(jīng)逐漸成為新的汽車行業(yè)格局的重要趨勢。
總結(jié)
ST在SiC上戰(zhàn)略已經(jīng)完成布局，憑借著完整的生產(chǎn)鏈掌控力和領(lǐng)先的市場份額，將會(huì)在雙輪驅(qū)動(dòng)節(jié)奏下進(jìn)入的快速發(fā)展期。在Power GaN上的產(chǎn)品也將受益于8英寸產(chǎn)線的投資，此外在GaN PA上的探索也將會(huì)是非常有趣的產(chǎn)品方向。
