國產SiC MOSFET取得重大突破，順利上車！_風聞

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：杜芹，謝謝。近日，據業內人士透露，國產SiC功率器件供應商派恩傑半導體的SiC MOSFET拿下了新能源汽車龍頭企業的數千萬訂單。這可以説是在國產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，這其中的原因是什麼？派恩傑作為一家初創企業又憑什麼能脱穎而出？

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。譬如在仿真裏設計的很好的器件，等到流片出來後卻發現，跟設計的完全不一樣，”派恩傑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。”

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年在美期間發佈20餘款SiC/GaN量產產品，發佈全球首款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行業有着十餘年的經驗，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傑能率先在SiC MOSFET領域突破。

派恩傑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，成本將鉅額上升。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，很多代工廠並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，派恩傑依靠的是有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後，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係。據瞭解，過去三年派恩傑累計出貨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快速的迭代週期的支持，使得派恩傑這幾年發展飛速。早在2018年派恩傑就緊鑼密鼓佈局車規級半導體芯片，2019年3月，派恩傑成立僅6個月即發佈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年先後發佈用於5G數據中心、服務器與工業輔助電源的650V、1700V工業級MOS以及用於車載充電機的650V車規級MOS。2021年2月發佈1200V大電流車規級MOS，應用於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，派恩傑緊抓發展機遇，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，並已開始低調供貨。

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儘可能高的效率和可靠性，以確保快速充電並滿足有限的空間和重量要求。

除了充電的保護需求外，隨着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採用SiC是最划算的，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。派恩傑認為，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年的複合年增長率為 22.4%。

而且隨着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。目前派恩傑的大部分SiC MOSFET產能也都被車載OBC佔用。

據悉，派恩傑在650V、1200V、1700V三個電壓平台的都有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。

那麼派恩傑的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，派恩傑的SiC MOSFET對標的是Wolfspeed的第三代平面柵SiC MOSFET，在客户端的評測中，派恩傑的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，該數值越低説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，若派恩傑的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。可見派恩傑在所有的平面柵技術裏面是最好的，所以在開關損耗和導通損耗這兩方面指標中，派恩傑可以給客户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，派恩傑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，比如峯值功率、峯值電流和一些雪崩測試，派恩傑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，派恩傑的單片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，隨着功率越大，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，派恩傑在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説，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。隨着上下游不斷的迭代，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企業佈局了SiC封裝產線，但是在派恩傑看來，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，派恩傑加快佈局車用SiC模塊，正着力選址建造車用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，已不太適合用於SiC，繼續採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。

所以派恩傑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，很大的一個原因在於他們的模塊使用的是自家的芯片。這樣的好處在於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。

在模塊的工藝製造端，派恩傑選擇採用納米銀焊接技術，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，就需要選用一些高温的封裝材料，來提高SiC的工作結温。納米銀焊接技術的好處在於，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後，其熔點會降低至100℃左右，於是可以通過低温燒結來實現芯片的互聯，而當燒結完成後燒結層熔點又恢復到銀的常規熔點，達到低温燒結高温使用的特點，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，派恩傑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主要受制於原材料的產能，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於供給的。所以對於國內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”，派恩傑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、碳達峯等趨勢的出現，再加上現在對供應鏈的自主可控，也使得客户開始擁抱國產廠商，增加了驗證的機會，還有資本的大力支持；人和：派恩傑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。最後有全球最成熟的代工廠為其SiC產品的產能保障。未來隨着派恩傑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。