本土第三代半導體領軍企業派恩傑談SiC 模塊發展趨勢_風聞

半導體經過近百年的發展後，目前已經形成了三代半導體材料。第一代半導體材料主要是指硅、鍺元素等單質半導體材料；第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵(GaAs)、銻化銦（InSb）；第三代半導體材料主要以碳化硅(SiC) 、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導體材料，其中最為重要的就是 SiC 和 GaN。

圖1  SiC 和 GaN應用領域區隔

和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，因而更適合於製作高温、高頻、抗輻射及大功率器件。為了追求更小的器件體積以及更好的性能，功率器件廠商逐漸推進下一代技術方案的 SiC 和 GaN 基MOSFETs。

回顧2021年，有兩件大事震驚業界，一個是“芯片荒”席捲全球，一個是新能源汽車高速發展！這兩件事還交織出一個更熱的事就是SiC 器件在新能源汽車迅速普及，得益於特斯拉Model 3 率先採用 SiC，開啓了電動汽車使用 SiC 先河，2020 年比亞迪漢也採用了 SiC 模塊，有效提升了加速性能、功率及續航能力，隨後，豐田燃料電池車 Mirai 車型搭載了 SiC，功率模塊體積降低了 30%，損耗降低了 70%！一場SiC上車運動拉開大幕！目前頭部的SiC功率器件廠商已與車企建立緊密聯繫。如意法半導體與特斯拉、三菱、日立合作；英飛凌與現代、小鵬、大眾合作；Wolfspeed與大眾等合作；羅姆與吉利等合作；安森美與奔馳、奧迪、蔚來合作。

據Trendforce集邦諮詢預測，全球SiC功率器件市場規模將從2020年的6.8億美元增長至2025年的33.9億美元，年複合增長率將達38%，其中新能源汽車的主逆變器、OBC（車載充電器）、DC-DC（電源模塊）將成為主要驅動力，或在2025年佔據62%的市場份額。

在SiC功率器件廠商中，排名前列的基本都是國外廠商，據Yole數據，Cree，英飛凌，羅姆，意法半導體佔據了90%的市場份額。國產廠商已有不少推出了碳化硅二極管，但具有SiC MOSFET研發和量產能力的企業鳳毛麟角，能上車的更是少之又少。

不過近日筆者獲悉杭州派恩傑半導體有限公司（簡稱派恩傑）SiC MOSFET產品已經在新能源汽車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。

派恩傑之所以能迅速反應市場需求源自於其公司獨特的全球戰略佈局，早在2018年就緊鑼密鼓佈局車規級半導體芯片，才能在大規模缺貨的情況下獨佔鰲頭。據公開資料顯示，派恩傑自成立之初就按照車規級標準研發設計碳化硅功率器件，合作的代工廠也是有30年車規的全球首家提供150mm SiC工藝的X-FAB。高標準的產品品質，幫助派恩傑在全球半導體行業缺貨的大背景下緊抓發展機遇，率先順利“上車”。

近日，派恩傑半導體創始人兼總裁黃興博士接受了電子創新網等媒體的專訪，分享了派恩傑在SiC MOSFET的佈局。

圖2   恩傑半導體創始人兼總裁黃興博士

黃博士是美國北卡州立大學的博士，在美國有11餘年碳化硅、氮化鎵功率器件研發和生產的經驗，他師從IGBT之父B•賈揚•巴利加（B. Jayant Baliga），在Cree / RFMD(Qorvo) / UnitedSiC等有長達十年的SiC&GaN功率器件設計經驗。他也是全球首款6英寸碳化硅3300伏MOSFET器件和首個可雙向耐壓碳化硅結終端結構的發明者之一，他在2018年回國來創業創立了派恩傑。

黃博士表示派恩傑已經計劃在國內建立首條車用碳化硅模塊的封裝產線，以更好服務整車廠和Tire1廠商，此外派恩傑還致力於為光伏、儲能等等涉及到功率器件提供工業級產品的支持。

“在碳化硅細分市場，我們希望推動碳化硅上車這個模塊產線的建設。因為我們認為碳化硅上車目前核心的、在國內比較缺失的就是碳化硅功率模塊。從碳化硅自身高頻高速、低功耗的特性來説，碳化硅已不太適合使用以前傳統的一些功率模塊，像比如以前傳統的IGBT封得很好的其實不太適合碳化硅的。碳化硅真正現在在市面上量產比較成功的模塊，還是像特斯拉的T pack，還有目前在大眾批量應用的一個板橋模塊形式。我們現在在國內碳化硅功率模塊都是比較欠缺的，因此我們現在想借助我們自己芯片上的先發優勢，往後面的模塊上繼續進行技術的延伸和積累。”黃興博士指出，“跟國內其他廠商的碳化硅產線相比，派恩傑的產線首先最大的不同是芯片是自己設計的，其次派恩傑對自己芯片行業在工業和汽車上面的應用，積累了大量的數據。第三是我們知道自己芯片的優勢和一些特性，在整個模塊聯合的設計當中，我們會聯合芯片上下聯動的調校和優化，讓模塊去適應芯片，在同一個技術傳承的公司裏面去做會更合適。像英飛凌的模塊之所以做得這麼成功，跟它自己的碳化硅芯片，IGBT芯片關係非常大。”

圖3   派恩傑的碳化硅和氮化鎵產品

此外他還表示派恩傑的模塊會使用納米銀焊接的技術，不會去推雙面冷卻。因為派恩傑認為碳化硅現在的效率，用單面冷卻已經足夠，為了推更高的，讓那個結温可以工作在更高的温度上面，派恩傑會選擇在工作高温的一些封裝材料，來提高整個碳化硅的工作結温，同時也可以大大提高可靠性的情況。“除了工藝製造端的提升以外，我們更多是在聯合上下游從材料的挑選到芯片的篩選，到整個模塊，我們會建一整套完整的可靠性數據模型，讓我們的模塊是符合車規要求的。”他強調。

黃興博士表示該產線2022年初動工，2022年底會有樣品，為了保證產能，派恩傑還跟國內襯底廠做一些優化配合。

在碳化硅應用方面，黃博士表示目前碳化硅在OBC應用很快，“之前有些行業專家還認為隨着整個充電樁特別是超快速的充電樁的普及，OBC會從車上拿下來。但目前我們看到這個情況是不會發生的。”他指出，“因為OBC雖然功率比較小，像快充這種充電樁一般都是200千瓦、300千瓦這個體量，而OBC只有11千瓦，最多22千瓦。這個充電速度肯定不能同日而語，OBC作為一個應急的充電方案是給客户在使用電動汽車時提供了一個極大的安全保障，因為你只要220伏的交流插進去，就可以保證車處於充電狀態，這是一方面。另一方面，隨着電動汽車的普及和應用，它也有作為儲能電池往外放電的需求。比如週末開電動汽車去湖邊釣魚，釣到之後我想用電磁爐煮魚，這時可以反向把充電汽車裏面的電放出來，把魚煮了。所以這方面消費類的屬性和客户體驗在很多車上，特別是我們瞭解到歐美市場上，大家對這個東西也是比較看重的，包括我們國內一些車廠把OBC特別是雙向的OBC是作為標配，作為標配放在車上的。既然作為雙向的解決方案，肯定用碳化硅是最划算的，它跟儲能的方案極其類似，能量因為存在着雙向流動，就只能用MOS，這是一方面。另一方面，如果你輸入是95%，輸出也是95%，那麼相對綜合效率就只有90%，如果你輸入有99%，輸出99%，相對綜合效率則是98%，這個就會好很多。”

他表示在儲能領域也是類似發展，從5年前一些龍頭企業開始使用，到現在整個OBC也越來越成熟，體積越做越小，成本越做越低。“我覺得現在正是OBC放量的時候，而主驅逆變的話，目前在技術方案上面還有一些爭議：到底是沿襲IGBT模塊的方案，還是用特斯拉模塊的方案，還是用一些什麼其它的集成方案？目前在這個方面需要封裝模塊的方案和車廠進行快速循環、快速迭代驗證的過程。我個人認為主驅逆變放量不會那麼快，但是我們也看到整個產業鏈在積極配合往這個方向推動。”他指出。

他指出如果國產的碳化硅MOS要上電驅的話，必須得過可靠性質的考核和產能量的考核這兩個難關。而這兩個考核目前國內沒有一樣是具備的，所以從國內整個產業鏈的優勢和特點來説，可能先解決量的問題，就是先保證國內的國產供應鏈產能，至少工業級的要保證，要把這個產能供起來。慢慢再把可靠性和技術上的要求做上去，這可能是國產供應鏈上車的一個路徑。“當然這裏面量的解決核心還是在產量上面，這非常有賴於國內這些碳化硅、襯底材料廠商的發展速度。隨着上下游不斷的迭代，我估計兩三年內也可以慢慢實現。”他指出。

他表示目前從器件的耐壓等級來説，派恩傑在650伏、1200伏、1700伏三個電壓平台都有器件佈局。目前派恩傑主要在汽車OBC上面進行應用的是單管1200伏的碳化硅MOS和650伏碳化硅MOS，這兩種耐壓器件針對客户的系統電壓平台，就是800伏的系統是用1200伏耐壓器件，然後400伏的系統是用的650耐壓器件。

但他表示由於每個車廠對OBC的定義是不一樣的，因此這跟電池具體定義在多少伏有關係，他認為1200V、650V的量都會很大，都會增長，整個行業未來也是會往1200伏這個方向持續增長。

在碳化硅良率方面，他表示目前派恩傑的良率在業內屬於一個平均偏上的範圍，綜合起來我們的良率應該是在80%-90%，不同型號會有所不同。“一般來説，因為碳化硅整個良率失效模式還是襯底裏面的缺陷。如果説芯片面積越大，一般良率是越低的，所以説我們很明顯的就説像一些中小功率的芯片，良率會在90%以上，功率偏大的，就會往下面掉，這是目前碳化硅原材料這種缺陷所導致的。如果拋開材料缺陷，只談fab這邊的缺陷，我們分析下來fab端的良率應該是99%以上。”他指出。

 關於如何解決碳化硅產能不足問題，他指出目前整個產業鏈來説，碳化硅整體產能限制不是在foundry  fab這一端，而是在原材料這一端。比如以CREE產能為例，其等效6寸片的產能大概是一個月6萬片左右，一年就是72萬片產能，而全球整個原材料的產能是一年不到200萬片，但全球整個市場需求是非常大的，僅中國大陸的汽車市場一年就至少需要100萬片，而全球加起來應該是遠遠超過整個碳化硅原材料供給的，但現在碳化硅由於整個產能是失制於原材料端，現在很多產業上擴產不是要更多新建foundry或者fab，而是我們更多去驗證推動國產襯底原材料廠商的技術，幫助他們迭代，能夠讓他的產能釋放出來。“像國內一些自己掌握原材料的公司，由於技術原因，目前還有一些改善的空間。後續我們怎麼讓這些材料達到符合量產的需求，然後把這些產能釋放出來，我覺得這才是核心。因為對於6寸片來説，一年100萬的產能對任何一個6寸廠來説都不是什麼大事。所以從6寸片的產能來説不是問題，關鍵還是原材料。”

他指出目前派恩傑的技術是對標英飛凌Cool第三代平面柵碳化硅MOS，“我們有客户端的評測，認為我們的碳化硅的性能是全球前三，我們自己在數據和實測上也做了些對比。比如我們這個行業裏面評價碳化硅MOS的一個優劣性指標叫HDFM，它就是器件的Rds(on)×器件的Qgd。派恩傑的產品的Rds(on)×器件的Qgd在所有的平面柵技術裏面是最好的，在拉通了碳化硅所有芯片當中，我們僅次於英飛凌，整個HDFM指標。也就説我們在所有的開關損耗和導通損耗裏面，我們是可以給客户最優的解決方案的，這是性能方面。”他強調，“另外，我們一些抗極限情況，在客户端實測，我們抗極限工況，比如峯值功率、峯值電流和一些雪崩測試，我們現在可以達到相關比較苛刻的工業要求和車規的要求。另外在設計端，我們也有自己的一個迭代速度，從我們目前看到這個行業來説，碳化硅MOS上車主要還是以平面柵的技術在上車的為主，我們也是堅持平面柵技術，並會不斷迭代優化，像我們的Rds(on)×Qgd這個HDFM指標越做越小，這樣的話我們就可以保持技術上的先進性。”

除了佈局碳化硅，在氮化鎵領域，派恩傑也有佈局，黃博士指出派恩傑在我2019年就已經推出了氮化鎵產品，主要應用於消費市場比如手機快充和無線充電。“但我不認為氮化鎵目前可以很快地進入車規，因為就算是工業級的一些要求，我們發現氮化鎵也還是有些困難的。像比如説工業的電源PSU，工業類的在數據中心裏面用的，它就已經對抗雷擊的性能要求是比較高的。像比如説一般我們碳化硅應用，它要求要通過2000伏以上的雷擊測試，而目前我們發現氮化鎵只能做到1000伏，這跟氮化鎵自己的抗衝擊能力是有關係的。而在消費類應用領域，它對這種極端環境的測試要求沒有那麼高。所以我認為消費級別對於氮化鎵來説是一個相對來説比較合適的市場，而工業的話，可能還需要更多的努力。上車的話，我覺得在短期內是看不到希望的。”

黃博士表示派恩傑自2018年成立一直聚焦在碳化硅MOS上面，從銷售業績來説，派恩傑應該可以説是整個國內碳化硅MOS本土體量最大的，近日獲得車企數千萬訂單也是得益於聚焦。

不過他表示不管從國際的角度來説，像整個全球的角度，碳化硅跟IGBT相比，其整個產業鏈還是很脆弱的。放在中國來講這個產業鏈就更脆弱了，“在這個需求端不斷膨脹，而供給端目前還是處在一個技術迭代和技術驗證的階段，很多產能還釋放不出來。因此我們面臨最大的挑戰，就在於要幫助我們材料的供應商去提升他們的能力，但這可能並不是我們自身所擅長的。這給我們對整個供應鏈的管理，包括培養供應鏈帶來了一些疑問。所以説，我們可能也只能説在戰爭中學習戰爭，在不斷積累自身核心技術的同時，也要想辦法幫助上下游的供應鏈和客户的一起成長。”他指出，“中國現在最大的一個機遇就是現在碳達峯、碳中和這個總體趨勢，畢竟現在已經作為國家的一個重大戰略在進行部署。另外就是國家也開始漸漸強調自主可控這方面供應鏈上的要求，給了本土廠商很大的機遇，派恩傑未來的戰略還是抓住最大的增長點，我們認為最大的增長點還是在新能源領域，第一是車，第二是光伏，第三是儲能，再往下就是5G或者是數據中心這些行業。我們的戰略還是立足於新能源市場，幫助這個市場的客户一起成長，然後逐步從產能保障和整個技術服務上跟客户進行深度的合作，幫助我們快速在這個市場上實現佔有率的提升。”（完）