[原创] 意法半导体的宽禁带半导体实力
2022-02-27
14:00:19
来源: 半导体行业观察
因为媒体和厂商在过去几年的动作频频，大家对宽禁带半导体有了广泛的了解。
诚然，因为拥有性能上的优势和匹配绿色能源发展的需求，以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体在功率和射频领域里发生了越来越重要的作用。以功率GaN为例，据知名分析机构YoleDeveloppement预期，到2026年，这类产品的市场规模为11亿美元。来到另一个热门的宽禁带器件SiC，Yole预测称，采用碳化硅的功率半导体的市场规模到2026年将增至2020年逾6倍的44亿7820万美元。
由此可见，宽禁带器件在功率器件中的受重视成都必然会与日俱增。作为这个市场的资深参与者，意法半导体也为此做好了准备。
在日前的一场媒体交流中，意法半导体汽车和分立器件产品部(ADG) 执行副总裁，功率晶体管事业部总经理EdoardoMerli告诉记者：“通过以下一张图，大家应该会对碳化硅与氮化镓各自对应的应用需求有一个更加清晰的概念，总结而言就主要体现在电能利用和开关频率这两个方面”。
“由下图我们还可以看到，碳化硅与氮化镓能够满足的需求略有不同，简单来说就是碳化硅能够提升开关频率，而氮化镓则消耗更少的电能。”Edoardo Merli接着说。
EdoardoMerli指出，毫无疑问，以碳化硅和氮化镓为主的全新电力科技能够在整条电力转换链的各个环节发挥作用，做出卓有成效的贡献。并能与现有的硅产品能够形成互补。虽然功能上也有些许重叠，但今后将会不断优化和完善。
在介绍了基本背景之后，Edoardo Merli接下来以具体的宽禁带产品应用与大家熟知的硅器件应用对比，进一步展现碳化硅的优势。
首先要作对比的是碳化硅逆变器和IGBT逆变器。在过去多年里，因为其特性，IGBT逆变器已经成为了很多逆变器应用的选择。但Edoardo Merli表示，和IGBT逆变相比，碳化硅逆变器拥有包括总芯片面积、开关损耗、总损耗和结温，更好的温度管理以及充电速度明显提升在内等多个优势。
如上图所示，这是一个210千瓦的牵引逆变器，供电为10kHz和1200SiC MOSFET。大家可以从中看到碳化硅相比IGBT的优势，特别是在最常见的应用领域，正如图中灰色区域显示的低负载只有90%，因此在效率上有着十分明显的优势，这些性能也会转化为更长的行驶里程。
得益于其众多优势，宽禁带半导体在很多应用市场获得青睐。以SiC为例，其可以涵盖的领域包括汽车制造、工业应用等。
在汽车制造方面，可用于制造牵引逆变器、充电桩、DC-DC转换器等配套设备，能够带来更长的行驶里程、车辆自重的减轻，这些都是用户在使用过程中可以直观感受到的。除此之外，碳化硅还能加快性能更强的电动汽车充电站的充电速度，缩短其充电时间，从而促进电动汽车的推广和普及。
来到工业应用方面，碳化硅的引入可以提高服务器和数据云存储器的供电效率，降低用户总体成本。如果将其应用于自动化的工业驱动电机制造，碳化硅还能够让设备体积、尺寸和重量减小，最终同样会降低用户总体成本。在可再生能源、太阳能电站、风车和服务器供电站等领域，碳化硅也能发挥同样的作用。
Edoardo Merli告诉记者，依赖于其损耗降低、频率提升、成本降低、尺寸、重量和体积减小等优势，碳化硅除了在上述应用中能发挥作用外，还能在其他场景中展现其特色，因此包括意法半导体在内的很多厂商也在探索期更广泛的机会。
再看氮化镓，简单而言，相较于碳化硅，氮化镓可能更适合低功率应用，但是氮化镓的开关频率更高，这意味着它在实现系统级小型化，甚至比碳化硅更好。因此，氮化镓非常适合如笔记本电脑的电源和移动设备的电源适配器等消费类应用。又因为氮化镓还可以集成控制单元，所以氮化镓还适合工业和汽车应用，特别是充电系统。“但是，要走向这些市场，它必须提高可靠性，毕竟这项技术目前的可靠性还不高，还是一项新技术。因此我们必须改进性能，实现更高的开关频率。”EdoardoMerli说。
正是因为看到这些宽禁带半导体的应用优势，意法半导体基于过往在硅功率器件的应用经验，大举投入其中。
首先看碳化硅方面，如图所示，意法半导体在这个领域已经深耕了25年，公司也推出了三代的碳化硅产品。按照Edoardo Merli的说法，在每次进行技术迭代时，公司都都会针对这项技术的主要优点进行改良，然后将技术应用范围进行扩展，针对某些特定应用场景展开定制化设计。“Rds(on) xArea和Rds(on) x Qg是我们的两大产品优点，可以看到每次技术迭代的过程中这一优点都会得到改良，改良幅度大约20%-25%，这能带来性能的巨大提升和成本的大幅降低。”EdoardoMerli强调。多年的投入也让意法半导体成长为SiC MOSFET市场的先驱者。
从Edoardo Merli的介绍我们得知，在SiC MOSFET市场，意法半导体去年已经占到50%市场份额，其中汽车领域占比甚至达到60%。但对他们来说，这仅仅是个开始。意法半导体的CEOJean-Marc Chery曾经讲过，ST的目标是到2024年，在包括晶体管、二极管和电力模块在内的碳化硅领域做到10亿美元的年度盈利。公司也希望与包括所有汽车制造和工业界的一线OEM厂商在内各行各业展开合作。据介绍，意法半导体目前已有超过90个项目正在与这些行业领军企业共同合作。
值得一提的是，对于意法半导体来说，他们在碳化硅方面的实力不但体现在其产品上，更体现在他们对于整个碳化硅供应链的掌控上。
据介绍，通过收购Norstel AB（已更名为ST SiC AB），意法半导体完善了对碳化硅业务的布局。他们也设立了多家工厂，不断扩展规模，进一步整合生产链条，进一步提高制造能力。EdoardoMerli举例说，意大利卡塔尼亚作为公司的重点基地之一，生产能力得到了大幅度提升。新加坡生产线的规模也实现了翻倍，意法半导体正准备将生产线从6英寸改造为8英寸。公司还有在摩洛哥布斯库拉和中国深圳的基地作为后端工厂。“深圳是我们进行相关封装的主要工厂，为领先的企业提供规模化的封装。”EdoardoMerli补充说。“我们的碳化硅产能到2024年将比2017年提升10倍，而从2024年到2027年规模也将进一步扩展，发展空间巨大，我们建设这些大型工厂的目的就是满足市场的需求、支撑自身的发展。”EdoardoMerli强调。
其次看氮化镓方面，则是他们引以为傲的PowerGaN技术。据介绍，意法半导体在这上面有两个发展方向：一项叫做D-Mode，应用于G-FET、Gascode这样的变流器，另一项是整合于同样应用中的G-Drive，目前已经推向市场。据介绍，意法半导体的G-HEMT变流器功率为650V，可以满足大部分市场需求，100V产品也会催生一系列应用。
为了更好地发展和丰富氮化镓产品和技术，意法半导体在此领域也有开展一些收购兼并。例如通过收购法国创新型企业EXAGAN，公司就获得了G-FET、G-Drive和D-Mode等产品。而借助与台积电合作，可以将我们的许多内测科技产品提前向市场发布，并通过台积电的渠道更好地触达市场。“我们的最终目标是完善我们的内测技术，最终服务于我们清晰明确的产品战略。”Edoardo Merli告诉记者。
谈到未来发展时，Edoardo Merli表示，在氮化镓方面，意法半导体将继续推广PowerGaN ，并在其路线图中输入电压从650V开始的G-FET、G-DRIVE和G-HEMT产品。在在现有的G-HEMT产品中，公司又将增加100V产品，进一步扩大氮化镓产品组合，增加导通电阻不同的晶体管产品。此外，意法半导体还继续推广MasterGaN系统级封装。像碳化硅产品一样，意法半导体的氮化镓产品也采用各种封装，例如，QFN等分立封装，以及可以集成电池的新封装STLISI。公司将继续研究嵌入式裸片封装技术，以便进一步提高封装的集成度。“此外，到年底，我们还将推出第一款 GaN 射频晶体管产品。”Edoardo Merli接着说。
来到碳化硅方面，这个备受看好的产品仍然有许多领域需要我们进一步探索和改良。如晶圆原材料和外延的高成本。针对这些问题，意法半导体已经在与许多合作伙伴开展技术研发试图解决这一问题。当然，质量改善也是解决问题的一个可行方案。
需要强调一下，为了更好地保证碳化硅供应，意法半导体在两年前决定采取一个综合性战略。具体而言就是自己制造部分碳化硅衬底，然后再从第三方采购一部分。公司之所以这样做？是因为不想在创新、成本和晶圆尺寸方面受制于人。为此，意法半导体决定在欧洲建立衬底制造厂。这是一个综合性工厂，不仅生产衬底，还承担从外延到扩散的其他后续工序，甚至还有可能提供晶圆测试。据透露，这家工厂正在建设中，能够加工8 英寸晶圆，过段时间后投产。公司的瑞典工厂更是已经制造出了晶棒和 8 英寸硅片原型，正在做硅片利用率表征分析，让原型硅片走完全部工序，以便开发完整的工艺技术。按照意法半导体的计划，公司从 2024 年底开始生产 8 英寸的碳化硅晶圆。
“我们为市场带来的是意法半导体专有的功率技术知识和多年的研发经验。凭借我们在晶圆制造、封装测试和系统集成方面的专业知识，我们可以向市场提供集成度极高的优化方案。此外，我们在功率技术应用方面还积累了丰富的专业知识，这个优势可以帮助我们推出新产品和市场营销。最后，再一次强调，我们全盘掌控制造链，这意味我们可以有效控制质量、产量和成本。”Edoardo Merli最后说。
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