近日,據業內人士透露,國產SiC功率器件供應商派恩杰半導體的SiC MOSFET拿下了新能源汽車龍頭企業的數千萬訂單。這可以說是在國產SiC MOSFET中取得的一份很不錯的成績,目前在SiC二極管領域國產化的程度已經很高,但SiC MOSFET卻還相對薄弱,具備研發和量產能力的企業更是鳳毛麟角,這其中的原因是什么?派恩杰作為一家初創企業又憑什么能脫穎而出?
為何國產SiC MOSFET難突破?
“SiC這個行業是相對較新且較細分的領域,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材料本身的模型數據的缺失導致商用軟件在仿真SiC的時候,預測不準確,給設計者帶來了很大困難。譬如在仿真里設計的很好的器件,等到流片出來后卻發現,跟設計的完全不一樣,”派恩杰半導體創始人兼總裁黃興博士坦言道,“這就需要設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、熱學仿真模型、工藝柵氧生長等方面對SiC材料進行校準,不斷的去實驗迭代和完善?!?/p>
而黃興博士從2009年北卡州立大學就進行這些方面的研究,他師從“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶閘管發明人Alex Q. Huang,2014-2017年在美期間發布20余款SiC/GaN量產產品,發布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件,發明首個可雙向耐壓SiC結終端結構。黃興博士在SiC行業有著十余年的經驗,包括與很多業內科學家合作,不斷的提取出一個合適的模型,這個模型能相對準確的讓SiC仿真結果和實驗結果的匹配度更好,也極大的縮短了SiC設計開發的時間。正是這個原因使得派恩杰能率先在SiC MOSFET領域突破。
派恩杰半導體創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,如果開發幾十款料號,成本將巨額上升。這給SiC企業帶來了很大的資金壓力。
成本之外,迭代的速度也很關鍵,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迭代的速度,這也是目前很多SiC公司很難推出成熟產品一個重要原因。
在這方面,派恩杰依靠的是有30年經驗的車規代工廠X-FAB Silicon Foundries(“X-FAB”),它也是全球首家提供150mm SiC工藝的代工廠。在已經合作近三年時間后,今年9月份,雙方就批量生產SiC晶圓又建立長期戰略合作關系。據了解,過去三年派恩杰累計出貨1千萬,未來三年預計將超過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展飛速。早在2018年派恩杰就緊鑼密鼓布局車規級半導體芯片,2019年3月,派恩杰成立僅6個月即發布了第一款可兼容驅動650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技術的1200V SiC MOS,填補了國內空白。2020年先后發布用于5G數據中心、服務器與工業輔助電源的650V、1700V工業級MOS以及用于車載充電機的650V車規級MOS。2021年2月發布1200V大電流車規級MOS,應用于電動汽車電驅單管及模塊。
新能源汽車OBC放量,國產SiC MOSFET卡位
如今,在全球半導體行業缺貨的大背景下,派恩杰緊抓發展機遇,率先順利“上車”。公司的SiC MOSFET產品在新能源汽車OBC應用驗證取得了重大突破,獲得了新能源汽車龍頭企業數千萬訂單,并已開始低調供貨。
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。
除了充電的保護需求外,隨著電動汽車的普及和應用,逐漸產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。目前國內也有車廠把OBC特別是雙向的OBC作為標配,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,主要由功率電路和控制電路組成。國內的龍頭企業早在5年前就開始用SiC做OBC,目前OBC技術已經越來越成熟,體積也逐漸縮小。派恩杰認為,現在正是OBC放量的時候。據 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,預計到 2027 年將達到108.2 億美元,2020年至2027年的復合年增長率為 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供應鏈資源。據悉某國際龍頭企業的SiC MOSFET交期已從52周延長到80周。目前派恩杰的大部分SiC MOSFET產能也都被車載OBC占用。
據悉,派恩杰在650V、1200V、1700V三個電壓平臺的都有SiC MOSFET器件產品,其中在汽車OBC上應用的是單管1200V的SiC MOSFET和650V SiC MOSFET,所提供的是TO-247、TO-220這種標準封裝的單管。
那么派恩杰的SiC MOSFET又為何能率先“上車”,其產品有何優勢呢?黃興博士指出,從技術上來看,派恩杰的SiC MOSFET對標的是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)這項評價指標中,HDFM是衡量功率半導體優劣的一個重要參數指標,該數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,某國產品牌20W。可見派恩杰在所有的平面柵技術里面是最好的,所以在開關損耗和導通損耗這兩方面指標中,派恩杰可以給客戶提供最優的解決方案。
目前上車的SiC MOSFET主要是以平面柵技術為主,派恩杰也將在平面柵技術上不斷迭代,將Rds(on)×Qgd這個HDFM指標越做越小,持續保持技術上的先進性。此外在一些抗極限的指標實測中,比如峰值功率、峰值電流和一些雪崩測試,派恩杰都可以達到比較苛刻的工業要求和車規的要求。
在產品良率方面,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,現在汽車電驅的市場需要也是非常巨大的,而國產SiC MOSFET要上電驅,就必須要過可靠性和產能這兩大難關。在這兩方面,國內都很薄弱,黃興博士指出,從國內整個產業鏈的優勢和特點來說,可以先解決產能的問題,至少先做到工業級的保證,把產能先供起來,再慢慢進攻可靠性和技術的要求,這將是國產SiC MOSFET供應鏈上車的一個途徑。但核心還是產能的問題,這就需要國內SiC襯底材料廠商的支持。隨著上下游不斷的迭代,預計在兩三年內可以慢慢實現上量。
加速SiC上車,建立自有封裝產線
目前國內也有不少SiC企業布局了SiC封裝產線,但是在派恩杰看來,國內比較缺失的是SiC能真正上車的功率模塊產線。為了更好的服務新能源汽車企業,派恩杰加快布局車用SiC模塊,正著力選址建造車用SiC模塊封裝產線。“這是一個填補產業空白的事情,確實也是有價值的事情,現在很多友商也看到了這個價值,準備往這個方向做。”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,繼續采用這種傳統的封裝將對性能產生影響。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,這也是市面上量產比較成功的封裝模式,再就是如大眾批量應用的板橋模塊的形式。國內在這些相對成功的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優勢,向模塊技術繼續延伸和演進。縱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勢和特性,在進行模塊聯合的設計當中,可以聯合芯片上下聯動的調校和優化,讓模塊去適應芯片。
在模塊的工藝制造端,派恩杰選擇采用納米銀焊接技術,而不是目前IGBT封裝常用的雙面冷卻技術,黃興博士指出,要發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的工作結溫。納米銀焊接技術的好處在于,銀具有更高的導熱導電性和化學穩定性,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,于是可以通過低溫燒結來實現芯片的互聯,而當燒結完成后燒結層熔點又恢復到銀的常規熔點,達到低溫燒結高溫使用的特點,是目前第三代半導體封裝較有潛力的互聯材料。
除了在封裝工藝上的提升,派恩杰的很重要的工作是聯合上下游,做好材料、芯片,乃至模塊的篩選工作,構建一套完整的可靠性數據模型,更好的符合車規要求。
而針對目前全球的SiC產能問題,黃興博士指出,目前SiC主要受制于原材料的產能,而不是在Foundry或者Fab端。以Wolfspeed為例,其一年6英寸SiC晶圓片的產能大約是72萬片,加上其他廠商如GT advanced,II-VI,住友電工,SiCrystal產能大約有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原材料的需求是遠遠大于供給的。所以對于國內SiC產業的擴產策略上,不是要建更多的Foundry或者Fab,而是更多的去驗證推動國產襯底原材料廠的技術,助其迭代,釋放產能,這是核心。
結語
2018年選擇在SiC這個賽道“落子”,派恩杰能在當下大規模缺貨的情況下率先實現SiC MOSFET的大規模“上車”,天時地利人和一步都不能差。天時:趕上了新能源市場的發展以及SiC行業的及時爆發;地利:中國這個廣闊的新能源汽車市場、碳中和、碳達峰等趨勢的出現,再加上現在對供應鏈的自主可控,也使得客戶開始擁抱國產廠商,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,但研發團隊在SiC領域的十多年技術積累,不管是設計、物理模型、工藝數據以及各種量產經營等的積累,造就了其過硬的產品品質以及迭代的速度發展。最后有全球最成熟的代工廠為其SiC產品的產能保障。未來隨著派恩杰的車規模塊封裝產線的構建,相信SiC上車的步伐將進一步加速。