国产SiC MOSFET取得重大突破，顺利上车！_风闻
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-12-21 15:23
来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）原创，作者：杜芹，谢谢。近日，据业内人士透露，国产SiC功率器件供应商派恩杰半导体的SiC MOSFET拿下了新能源汽车龙头企业的数千万订单。这可以说是在国产SiC MOSFET中取得的一份很不错的成绩，目前在SiC二极管领域国产化的程度已经很高，但SiC MOSFET却还相对薄弱，具备研发和量产能力的企业更是凤毛麟角，这其中的原因是什么？派恩杰作为一家初创企业又凭什么能脱颖而出？
为何国产SiC MOSFET难突破？
“SiC这个行业是相对较新且较细分的领域，很多仿真软件不会专门为SiC投入太多资源，所以这方面的模型是缺失的。SiC材料本身的模型数据的缺失导致商用软件在仿真SiC的时候，预测不准确，给设计者带来了很大困难。譬如在仿真里设计的很好的器件，等到流片出来后却发现，跟设计的完全不一样，”派恩杰半导体创始人兼总裁黄兴博士坦言道，“这就需要设计者从最底层物理上的模型，比如SiC自身的电子迁移率、雪崩击穿的模型、热学仿真模型、工艺栅氧生长等方面对SiC材料进行校准，不断的去实验迭代和完善。”
而黄兴博士从2009年北卡州立大学就进行这些方面的研究，他师从“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶闸管发明人Alex Q. Huang，2014-2017年在美期间发布20余款SiC/GaN量产产品，发布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件，发明首个可双向耐压SiC结终端结构。黄兴博士在SiC行业有着十余年的经验，包括与很多业内科学家合作，不断的提取出一个合适的模型，这个模型能相对准确的让SiC仿真结果和实验结果的匹配度更好，也极大的缩短了SiC设计开发的时间。正是这个原因使得派恩杰能率先在SiC MOSFET领域突破。
另一方面，我们都知道，SiC本身材料的成本是比较高的，一张普通的MOSFET硅晶圆的成本大概在500元人民币左右，而SiC晶圆一张大约是在3万元人民币左右，一个PN （part number）需要200片晶圆，就至少需要600万人民币，如果开发几十款料号，成本将巨额上升。这给SiC企业带来了很大的资金压力。
成本之外，迭代的速度也很关键，SiC的加工难度很大，很多代工厂并不具备这样的加工条件，就极大的限制了研发迭代的速度，这也是目前很多SiC公司很难推出成熟产品一个重要原因。
在这方面，派恩杰依靠的是有30年经验的车规代工厂X-FAB Silicon Foundries（“X-FAB”），它也是全球首家提供150mm SiC工艺的代工厂。在已经合作近三年时间后，今年9月份，双方就批量生产SiC晶圆又建立长期战略合作关系。据了解，过去三年派恩杰累计出货1千万，未来三年预计将超过8千万。
在模型上的多年积累以及X-FAB快速的迭代周期的支持，使得派恩杰这几年发展飞速。早在2018年派恩杰就紧锣密鼓布局车规级半导体芯片，2019年3月，派恩杰成立仅6个月即发布了第一款可兼容驱动650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技术的1200V SiC MOS，填补了国内空白。2020年先后发布用于5G数据中心、服务器与工业辅助电源的650V、1700V工业级MOS以及用于车载充电机的650V车规级MOS。2021年2月发布1200V大电流车规级MOS，应用于电动汽车电驱单管及模块。
新能源汽车OBC放量，国产SiC MOSFET卡位
如今，在全球半导体行业缺货的大背景下，派恩杰紧抓发展机遇，率先顺利“上车”。公司的SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破，获得了新能源汽车龙头企业数千万订单，并已开始低调供货。
汽车OBC是怎样一个行情？OBC英文是On-Board Charger，指的是电动汽车车载充电机，它是指固定安装在电动汽车上的充电机，电动汽车在充电时，不是直接连接到大型电池的外部充电器，而是通过OBC对电动汽车的电池进行充电，以此来起到保护作用。现在车载充电器必须要具有尽可能高的效率和可靠性，以确保快速充电并满足有限的空间和重量要求。
除了充电的保护需求外，随着电动汽车的普及和应用，逐渐产生了对储能电池往外放电的需求，尤其是欧美市场比较看重这个需求。目前国内也有车厂把OBC特别是双向的OBC作为标配，而双向的解决方案则采用SiC是最划算的，如果要想能量双向流动就得用SiC MOSFET。
车载充电机作为一个电力电子系统，主要由功率电路和控制电路组成。国内的龙头企业早在5年前就开始用SiC做OBC，目前OBC技术已经越来越成熟，体积也逐渐缩小。派恩杰认为，现在正是OBC放量的时候。据 ResearchAndMarkets的报告，2019 年全球电动汽车车载充电器市场价值为 21.5 亿美元，预计到 2027 年将达到108.2 亿美元，2020年至2027年的复合年增长率为 22.4%。
而且随着越来越多汽车厂的兴起，势必会抢夺稀缺的SiC供应链资源。据悉某国际龙头企业的SiC MOSFET交期已从52周延长到80周。目前派恩杰的大部分SiC MOSFET产能也都被车载OBC占用。
据悉，派恩杰在650V、1200V、1700V三个电压平台的都有SiC MOSFET器件产品，其中在汽车OBC上应用的是单管1200V的SiC MOSFET和650V SiC MOSFET，所提供的是TO-247、TO-220这种标准封装的单管。
那么派恩杰的SiC MOSFET又为何能率先“上车”，其产品有何优势呢？黄兴博士指出，从技术上来看，派恩杰的SiC MOSFET对标的是Wolfspeed的第三代平面栅SiC MOSFET，在客户端的评测中，派恩杰的SiC性能全球前三。
目前上车的SiC MOSFET主要是以平面栅技术为主，派恩杰也将在平面栅技术上不断迭代，将Rds(on)×Qgd这个HDFM指标越做越小，持续保持技术上的先进性。此外在一些抗极限的指标实测中，比如峰值功率、峰值电流和一些雪崩测试，派恩杰都可以达到比较苛刻的工业要求和车规的要求。
在产品良率方面，派恩杰的单片SiC MOSFET综合良率为80%-90%，不同型号有所不同，像一些中小功率的芯片，良率一般在90%以上，随着功率越大，良率也会有所降低，这主要目前SiC原材料这种缺陷所导致的。如果抛开材料缺陷，派恩杰在Fab端的良率是99%以上。
除了汽车OBC之外，黄兴博士还指出，现在汽车电驱的市场需要也是非常巨大的，而国产SiC MOSFET要上电驱，就必须要过可靠性和产能这两大难关。在这两方面，国内都很薄弱，黄兴博士指出，从国内整个产业链的优势和特点来说，可以先解决产能的问题，至少先做到工业级的保证，把产能先供起来，再慢慢进攻可靠性和技术的要求，这将是国产SiC MOSFET供应链上车的一个途径。但核心还是产能的问题，这就需要国内SiC衬底材料厂商的支持。随着上下游不断的迭代，预计在两三年内可以慢慢实现上量。
加速SiC上车，建立自有封装产线
目前国内也有不少SiC企业布局了SiC封装产线，但是在派恩杰看来，国内比较缺失的是SiC能真正上车的功率模块产线。为了更好的服务新能源汽车企业，派恩杰加快布局车用SiC模块，正着力选址建造车用SiC模块封装产线。“这是一个填补产业空白的事情，确实也是有价值的事情，现在很多友商也看到了这个价值，准备往这个方向做。”黄兴博士表示。
考虑到SiC自身高频高速、低功耗的特性，以前传统的功率模块，像IGBT封装所用的较好的HPD模块，已不太适合用于SiC，继续采用这种传统的封装将对性能产生影响。特斯拉Model S中的SiC功率模块就没有采用IGBT的封装，而是用的类似TO的封装，这也是市面上量产比较成功的封装模式，再就是如大众批量应用的板桥模块的形式。国内在这些相对成功的SiC功率模块方式中则相对欠缺。
所以派恩杰想借助自己芯片上的先发优势，向模块技术继续延伸和演进。纵观国际功率模块做的好的大厂，如英飞凌等，很大的一个原因在于他们的模块使用的是自家的芯片。这样的好处在于他们深知自己芯片的优势和特性，在进行模块联合的设计当中，可以联合芯片上下联动的调校和优化，让模块去适应芯片。
在模块的工艺制造端，派恩杰选择采用纳米银焊接技术，而不是目前IGBT封装常用的双面冷却技术，黄兴博士指出，要发展更高效率和高可靠性的SiC，就需要选用一些高温的封装材料，来提高SiC的工作结温。纳米银焊接技术的好处在于，银具有更高的导热导电性和化学稳定性，而纳米银粉具有独特的纳米特性，999精银的熔点是961℃，当颗粒尺寸到纳米级别后，其熔点会降低至100℃左右，于是可以通过低温烧结来实现芯片的互联，而当烧结完成后烧结层熔点又恢复到银的常规熔点，达到低温烧结高温使用的特点，是目前第三代半导体封装较有潜力的互联材料。
除了在封装工艺上的提升，派恩杰的很重要的工作是联合上下游，做好材料、芯片，乃至模块的筛选工作，构建一套完整的可靠性数据模型，更好的符合车规要求。
而针对目前全球的SiC产能问题，黄兴博士指出，目前SiC主要受制于原材料的产能，而不是在Foundry或者Fab端。以Wolfspeed为例，其一年6英寸SiC晶圆片的产能大约是72万片，加上其他厂商如GT advanced，II-VI，住友电工，SiCrystal产能大约有200万片，而仅中国大陆的汽车市场一年就至少需要100万片，所以SiC原材料的需求是远远大于供给的。所以对于国内SiC产业的扩产策略上，不是要建更多的Foundry或者Fab，而是更多的去验证推动国产衬底原材料厂的技术，助其迭代，释放产能，这是核心。
结语
2018年选择在SiC这个赛道“落子”，派恩杰能在当下大规模缺货的情况下率先实现SiC MOSFET的大规模“上车”，天时地利人和一步都不能差。天时：赶上了新能源市场的发展以及SiC行业的及时爆发；地利：中国这个广阔的新能源汽车市场、碳中和、碳达峰等趋势的出现，再加上现在对供应链的自主可控，也使得客户开始拥抱国产厂商，增加了验证的机会，还有资本的大力支持；人和：派恩杰虽然成立的时间较短，但研发团队在SiC领域的十多年技术积累，不管是设计、物理模型、工艺数据以及各种量产经营等的积累，造就了其过硬的产品品质以及迭代的速度发展。最后有全球最成熟的代工厂为其SiC产品的产能保障。未来随着派恩杰的车规模块封装产线的构建，相信SiC上车的步伐将进一步加速。