2022年第一季度財(cái)報(bào)中，全球知名半導(dǎo)體廠商安森美(onsemi)再一次明確了亞洲市場(chǎng)(除日本外)的重要性。在芯片荒和俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)的陰影下，亞洲地區(qū)對(duì)安森美全球市場(chǎng)的貢獻(xiàn)依然過(guò)半，僅比2021年底降低了2個(gè)百分點(diǎn)。

　　“中國(guó)是安森美最核心的市場(chǎng)之一，貢獻(xiàn)了近一半營(yíng)業(yè)額?！彪婒?qū)動(dòng)云論壇上，安森美中國(guó)區(qū)汽車(chē)市場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人，吳桐博士強(qiáng)調(diào)。

　　黑天鵝亂舞時(shí)，和客戶(hù)必須靠得更近。這是業(yè)內(nèi)的基本共識(shí)，安森美也不例外。缺貨的大環(huán)境下，“深度合作，因需供給”是最新的供應(yīng)趨勢(shì)。實(shí)際上，安森美在韓國(guó)、馬來(lái)西亞、中國(guó)的蘇州和深圳都設(shè)了產(chǎn)線，其在亞太地區(qū)擁有完善的供應(yīng)鏈體系已成既定事實(shí)。

　　在確保供應(yīng)鏈安全的情況下，吳桐表示，安森美未來(lái)的工作重點(diǎn)將放在電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)兩個(gè)領(lǐng)域。以電動(dòng)汽車(chē)為例，無(wú)論是主驅(qū)、充電、智能駕駛和車(chē)機(jī)娛樂(lè)系統(tǒng)，或是域控制器等新概念，都需要基于相應(yīng)的半導(dǎo)體解決方案，這也是企業(yè)絕佳的增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　缺芯潮根源 供不應(yīng)求

　　要緊追增長(zhǎng)點(diǎn)，首先需要分析大環(huán)境下的憂慮——缺芯潮。

　　從需求角度看，在擁抱電動(dòng)化的大背景下，汽車(chē)行業(yè)也不例外。傳統(tǒng)燃油車(chē)內(nèi)半導(dǎo)體的使用比例普遍不高，但隨著電動(dòng)汽車(chē)和插電混動(dòng)汽車(chē)的飛速普及，半導(dǎo)體在汽車(chē)電子方向上的占比有了大幅提升;

　　從成本上來(lái)衡量，先前一輛汽車(chē)所使用半導(dǎo)體器件的價(jià)值不超過(guò)50美元，現(xiàn)在或許有一千美元以上。

　　隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，整車(chē)采用半導(dǎo)體器件的數(shù)量成幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，造成電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的半導(dǎo)體需求總量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)飛躍。

　　從供應(yīng)鏈的角度來(lái)看，半導(dǎo)體器件的投產(chǎn)周期長(zhǎng)，擴(kuò)產(chǎn)也需要額外增購(gòu)設(shè)備。就半導(dǎo)體供應(yīng)商而言，隨著市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備需求的大幅增加，其向上級(jí)供應(yīng)商訂購(gòu)的周期也在拉長(zhǎng)：之前擴(kuò)增一條產(chǎn)線只需幾個(gè)月，現(xiàn)在可能要順延至數(shù)年，這就造成了惡性循環(huán)。

　　這樣來(lái)看，當(dāng)前并沒(méi)有短期方案可有效改善大環(huán)境下的缺芯潮。吳桐認(rèn)為，為自救，半導(dǎo)體行業(yè)需要基于長(zhǎng)期性的產(chǎn)能規(guī)劃實(shí)現(xiàn)有序增容，采用智能化的投產(chǎn)方式以適應(yīng)下游客戶(hù)的需求。

　　安森美目前的擴(kuò)產(chǎn)路徑，是通過(guò)垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，前后端互通保證連貫性。通過(guò)技術(shù)自研和收購(gòu)的方式，從6英寸向8英寸晶圓進(jìn)行布局。

　　以安森美布局電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的碳化硅器件為例。

　　碳化硅(SiC)又稱(chēng)寬禁帶半導(dǎo)體，相比元素半導(dǎo)體(比如硅)，禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、頻率高?？捎糜诟邷亍⒏哳l、抗輻射及大功率器件。

　　早在2004年， 名為T(mén)ranSiC(之后被安森美收購(gòu))開(kāi)始了對(duì)于SiC BJT轉(zhuǎn)換器的研究;2016年，安森美以24億美元現(xiàn)金完成對(duì)FairChild(仙童半導(dǎo)體)的收購(gòu)，這促進(jìn)了安森美全系列低中高壓產(chǎn)線整合。同年，安森美推出第一款碳化硅產(chǎn)品：M1 1200V MOSFET。六年后，該產(chǎn)品的第四代也即將面世。

　　2021年8月，安森美宣布和碳化硅生產(chǎn)商GT Advanced Technologies (GTAT) 達(dá)成最終收購(gòu)協(xié)議，以4.15億美元現(xiàn)金收購(gòu)GTAT。

　　吳桐表示，碳化硅相比于硅的技術(shù)難點(diǎn)，在于從研磨和切割到晶柱成型的整個(gè)過(guò)程。而GTAT不僅擁有碳化硅產(chǎn)能，還有設(shè)備制造的能力，收購(gòu)GTAT意味著安森美完成了對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈前端的整合。

　　預(yù)計(jì)收購(gòu)GTAT后，安森美會(huì)著力推進(jìn)8英寸晶圓市場(chǎng)化，大力擴(kuò)展產(chǎn)線以補(bǔ)充產(chǎn)能。在碳化硅方面，2022-2023年的資本支出預(yù)計(jì)會(huì)占到其總收入的12%。

　　高壓化 電驅(qū)動(dòng)發(fā)展未來(lái)方向

　　布局十八年，安森美為何看好碳化硅的發(fā)展前景?

　　吳桐表示，電驅(qū)動(dòng)發(fā)展大方向是從400 V到800 V，系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)是用SiC MOSFET取代Si IGBT。

　　平臺(tái)高壓化，從需求講是為解決里程焦慮，這是從電動(dòng)車(chē)問(wèn)世以來(lái)制約其市場(chǎng)需求的“老大難”問(wèn)題，傳統(tǒng)燃油車(chē)?yán)m(xù)航里程平均接近700公里，而電車(chē)?yán)m(xù)航超過(guò)700公里已屬于佼佼者。

　　吳桐認(rèn)為，目前流行的換電模式和平臺(tái)高壓化殊途同歸，雙方可實(shí)現(xiàn)相互加成。除此以外，從技術(shù)上講，平臺(tái)高壓化還可以帶來(lái)充電效率的提升：電壓提高，同等功率下的電損耗低，效率提升，續(xù)航也會(huì)相應(yīng)得到提升。

　　此外，800 V系統(tǒng)還可以帶來(lái)新的技術(shù)和市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)。目前，400 V系統(tǒng)中IGBT的成本和性能都已經(jīng)達(dá)到了較好的平衡，市面上還沒(méi)有企業(yè)進(jìn)行800 V系統(tǒng)的量產(chǎn)，新市場(chǎng)對(duì)技術(shù)的包容度更高，可以在性能上有所突破。

　　平臺(tái)的高壓化必然帶來(lái)元器件的更新。比如400 V下，Si IGBT的實(shí)際耐壓需求接近600 V，當(dāng)電壓提升到800 V，元器件的實(shí)際耐壓需求將達(dá)到1200 V，這要求適用于400 V的Si IGBT必須被有更高耐壓值的元器件所替代，比如寬禁帶半導(dǎo)體SiC。

　　碳化硅上車(chē) 路漫漫其修遠(yuǎn)兮

　　吳桐表示，“碳化硅的出現(xiàn)給了下游市場(chǎng)很大的空間去做提升，無(wú)論是從功率密度還是功率等級(jí)，甚至在開(kāi)關(guān)頻率等方面的可操控性也有了升級(jí)，其中EV(電動(dòng)車(chē))是碳化硅器件重點(diǎn)關(guān)注的行業(yè)?！?/p>

　　但是應(yīng)該注意，從出現(xiàn)新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，到規(guī)?；a(chǎn)，再到同主流產(chǎn)品Si IGBT爭(zhēng)奪裝車(chē)量和市占率，每個(gè)階段都要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的研發(fā)和產(chǎn)能規(guī)劃過(guò)程。

　　從結(jié)果回溯，助力碳化硅上車(chē)。產(chǎn)業(yè)鏈前后端需要系統(tǒng)性的整合與升級(jí)，下游需求提供清晰的優(yōu)化方向，上游供應(yīng)配合實(shí)現(xiàn)性能的突破，上下游的信息交互是一個(gè)雙向促進(jìn)的過(guò)程。

　　在此之前，必須打通碳化硅供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模與產(chǎn)品良率的同步提升，進(jìn)而降低產(chǎn)品單價(jià)，打造市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，安森美的布局也是針對(duì)這一難點(diǎn)。

　　目前，安森美和絕大多數(shù)看好碳化硅前景的半導(dǎo)體企業(yè)，均處于著手解決碳化硅器件在制造、切割、互連、封裝等工藝技術(shù)痛點(diǎn)的階段。

　　從制造工藝看，碳化硅作為化合物，晶圓提純的工藝難度高于硅單質(zhì)，生長(zhǎng)的環(huán)境溫度更高且容易產(chǎn)生雜質(zhì)，且目前尚未達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)出，相比于硅良率更低。

　　就切割過(guò)程而言，單質(zhì)硅容易切薄，且硅柱很長(zhǎng)，取優(yōu)質(zhì)部分可以切頭去尾。然而碳化硅的硬度介于剛玉和金剛石之間，既硬且脆，在切薄的過(guò)程中需要先切厚再減薄。“比如說(shuō)需要100的晶片，但我要切成200，然后再做減薄?！眳峭┍硎厩懈钸^(guò)程中會(huì)有許多浪費(fèi)，目前工藝不成熟的情況下，產(chǎn)品利用率、性?xún)r(jià)比和可靠性都不高。

　　在半導(dǎo)體摻雜過(guò)程中，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體摻雜工藝多樣，較為成熟的有熱擴(kuò)散和離子注入技術(shù)，都可以改變晶體中載流子的種類(lèi)和濃度，從而調(diào)節(jié)其電學(xué)特性。

　　但這兩類(lèi)方法并不適用于碳化硅，以熱擴(kuò)散為例，其原理在于加熱使晶體產(chǎn)生大量熱缺陷，加劇熱運(yùn)動(dòng)，提高原子的擴(kuò)散系數(shù)，而碳化硅中原子的擴(kuò)散系數(shù)極低，且在注入的激活退火中，大部分注入后雜質(zhì)的擴(kuò)散小到可以忽略不計(jì)。

　　吳桐表示，目前碳化硅只有一種特殊的摻雜方法，但其產(chǎn)能低、效率相比離子注入更低，也會(huì)對(duì)良率造成影響。但他同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，安森美從2004年就開(kāi)始布局碳化硅，在工藝的成熟度上屬于行業(yè)前列，這也是安森美爭(zhēng)奪這一領(lǐng)域龍頭地位的信心所在。

　　碳化硅將如何改變模塊封裝

　　吳桐表示，模塊設(shè)計(jì)在未來(lái)是走向塑封、小型和輕量級(jí)、大功率密度這幾個(gè)方向。具體而言，碳化硅的參與可以從五個(gè)角度改變封裝技術(shù)。

　　首先是可靠性測(cè)試，由于Si IGBT對(duì)于功率的要求不高，傳統(tǒng)的六合一模塊中可靠性是較大的短板，在對(duì)碳化硅器件封裝可靠性的未來(lái)驗(yàn)證中，會(huì)著重分析功率循環(huán)和極溫循環(huán)這兩大測(cè)試。

　　相較于Si材料，SiC材料的CTE系數(shù)更大，SiC芯片在邊緣產(chǎn)生的熱應(yīng)力更大。隨著使用時(shí)間的增加，在功率循環(huán)過(guò)程中芯片層會(huì)與下部焊料層產(chǎn)生分離的現(xiàn)象，甚至?xí)斐珊噶蠈映霈F(xiàn)空洞。這些空洞帶來(lái)的直接后果就是熱阻升高，器件的熱傳導(dǎo)能力下降，散熱變差。

　　相比于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，銀燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用可以很好的解決上述問(wèn)題。銀燒結(jié)技術(shù)也被稱(chēng)為低溫連接技術(shù)，是指采用微米和納米級(jí)的銀顆粒通過(guò)燒結(jié)工藝進(jìn)行材料連接的技術(shù)，是大功率模塊封裝中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　吳桐表示，這主要是因?yàn)殂y燒結(jié)屬于納米多孔的材料，吸收應(yīng)力和導(dǎo)熱的能力都很強(qiáng)，使用銀燒結(jié)技術(shù)對(duì)器件可靠性的提升有一定幫助。

　　與此同時(shí)，互連工藝也會(huì)發(fā)生改變。在相同的電流負(fù)載下，SiC MOSFET的面積是Si IGBT面積的一半。這一優(yōu)勢(shì)帶來(lái)引線鍵合上的困難，隨著SiC MOSFET的面積減小，單位電流密度增大，但單位面積上的鍵合絲數(shù)量是相對(duì)固定的，造成單根鍵合絲所承載電流量的增加。

　　從以下的模塊測(cè)試圖可以看出，高溫點(diǎn)出現(xiàn)在鍵合點(diǎn)處。從切面圖分析，模塊的失效一方面是由于熱阻提升，另一方面則是鍵合絲脫落。在極端情況下，還可能因?yàn)殡娏鬟^(guò)大燒毀鍵合絲。

　　以上都會(huì)損傷器件的可靠性，在多次評(píng)估后，安森美提出用塑封模塊代替灌膠模塊，會(huì)將器件整體的可靠性提升到原有水平的四倍以上。

　　為了優(yōu)化電感，在模塊的具體設(shè)計(jì)上也會(huì)有所改變。

　　相同電流等級(jí)下，Si IGBT芯片的面積相比SiC MOSFET更大，所以可鍵合位點(diǎn)更多，但寄生電感量最小化不僅僅是通過(guò)鍵合絲數(shù)量的增加就可以達(dá)到的，吳桐表示，鍵合絲、基板材質(zhì)、芯片連接處等設(shè)計(jì)是優(yōu)化電感的關(guān)鍵，比如采用DPC(電鍍陶瓷基板)、激光焊、疊層設(shè)計(jì)等等。

　　最后是對(duì)封裝材料的升級(jí)，保證器件在高溫工況下的可靠運(yùn)行。

　　為提高SiC MOSFET的電流輸出能力，增強(qiáng)器件的性?xún)r(jià)比，可以將原本的最高結(jié)溫150℃進(jìn)一步提升到200℃，相當(dāng)于在成本相同的情況下多輸出100 A電流。功率器件逐步向高運(yùn)行結(jié)溫的轉(zhuǎn)變，也是安森美提倡塑封的一大原因。

　　功率半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的共識(shí)是：限制器件通流能力的主要是器件的熱設(shè)計(jì)。比方說(shuō)，不同的散熱能力下，器件傳輸電流的能力不一樣。如果通流能力弱，為了傳輸同樣的電流，需要并聯(lián)多個(gè)器件，相比一個(gè)而言，成本有很大的劣勢(shì)。

　　通過(guò)對(duì)器件封裝的升級(jí)，從而提升其散熱能力，即便封裝成本會(huì)有一定程度的增加，但系統(tǒng)層級(jí)下的通流能力更強(qiáng)。整體來(lái)看，此方案的性?xún)r(jià)比還是很高，也能滿足終端的需求。

　　碳化硅會(huì)是下一個(gè)行業(yè)風(fēng)口嗎?它的到來(lái)和應(yīng)用是否會(huì)加速高壓化平臺(tái)架構(gòu)的建設(shè)?目前存在的諸多技術(shù)痛點(diǎn)又將如何解決?碳化硅上車(chē)之路漫漫，已布局近二十年的安森美能否成為行業(yè)龍頭，引領(lǐng)技術(shù)的下一步突破?

　　新事物的發(fā)展總會(huì)帶來(lái)諸多期待，但最終落點(diǎn)還是如吳桐所言：“用更好的技術(shù)服務(wù)這個(gè)市場(chǎng)?！?/p>

　　(以上內(nèi)容來(lái)自安森美中國(guó)區(qū)汽車(chē)市場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人吳桐博士在2022年6月24日由蓋世汽車(chē)主辦的2022中國(guó)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)與關(guān)鍵技術(shù)云論壇發(fā)表的《碳化硅如何改變電動(dòng)車(chē)的未來(lái)》主題演講。)