2022年第一季度財報中，全球知名半導(dǎo)體廠商安森美(onsemi)再一次明確了亞洲市場(除日本外)的重要性。在芯片荒和俄烏戰(zhàn)爭的陰影下，亞洲地區(qū)對安森美全球市場的貢獻(xiàn)依然過半，僅比2021年底降低了2個百分點(diǎn)。

　　“中國是安森美最核心的市場之一，貢獻(xiàn)了近一半營業(yè)額?！彪婒?qū)動云論壇上，安森美中國區(qū)汽車市場技術(shù)負(fù)責(zé)人，吳桐博士強(qiáng)調(diào)。

　　黑天鵝亂舞時，和客戶必須靠得更近。這是業(yè)內(nèi)的基本共識，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。實(shí)際上，安森美在韓國、馬來西亞、中國的蘇州和深圳都設(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，安森美未來的工作重點(diǎn)將放在電動汽車和工業(yè)兩個領(lǐng)域。以電動汽車為例，無論是主驅(qū)、充電、智能駕駛和車機(jī)娛樂系統(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)絕佳的增長點(diǎn)。

　　缺芯潮根源 供不應(yīng)求

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

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

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

　　隨著新能源汽車的發(fā)展，整車采用半導(dǎo)體器件的數(shù)量成幾何倍數(shù)增長，造成電動汽車市場的半導(dǎo)體需求總量呈現(xiàn)指數(shù)級飛躍。

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

　　這樣來看，當(dāng)前并沒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)下游客戶的需求。

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

　　以安森美布局電驅(qū)動領(lǐng)域的碳化硅器件為例。

　　碳化硅(SiC)又稱寬禁帶半導(dǎo)體，相比元素半導(dǎo)體(比如硅)，禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、頻率高。可用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

　　早在2004年， 名為TranSiC(之后被安森美收購)開始了對于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FairChild(仙童半導(dǎo)體)的收購，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)成最終收購協(xié)議，以4.15億美元現(xiàn)金收購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過程。而GTAT不僅擁有碳化硅產(chǎn)能，還有設(shè)備制造的能力，收購GTAT意味著安森美完成了對碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈前端的整合。

　　預(yù)計收購GTAT后，安森美會著力推進(jìn)8英寸晶圓市場化，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)計會占到其總收入的12%。

　　高壓化 電驅(qū)動發(fā)展未來方向

　　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)動發(fā)展大方向是從400 V到800 V，系統(tǒng)發(fā)展趨勢是用SiC MOSFET取代Si IGBT。

　　平臺高壓化，從需求講是為解決里程焦慮，這是從電動車問世以來制約其市場需求的“老大難”問題，傳統(tǒng)燃油車?yán)m(xù)航里程平均接近700公里，而電車?yán)m(xù)航超過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，平臺高壓化還可以帶來充電效率的提升：電壓提高，同等功率下的電損耗低，效率提升，續(xù)航也會相應(yīng)得到提升。

　　此外，800 V系統(tǒng)還可以帶來新的技術(shù)和市場增長點(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，市面上還沒有企業(yè)進(jìn)行800 V系統(tǒng)的量產(chǎn)，新市場對技術(shù)的包容度更高，可以在性能上有所突破。

　　平臺的高壓化必然帶來元器件的更新。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 路漫漫其修遠(yuǎn)兮

　　吳桐表示，“碳化硅的出現(xiàn)給了下游市場很大的空間去做提升，無論是從功率密度還是功率等級，甚至在開關(guān)頻率等方面的可操控性也有了升級，其中EV(電動車)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)增長點(diǎn)，到規(guī)模化生產(chǎn)，再到同主流產(chǎn)品Si IGBT爭奪裝車量和市占率，每個階段都要經(jīng)歷漫長的研發(fā)和產(chǎn)能規(guī)劃過程。

　　從結(jié)果回溯，助力碳化硅上車。產(chǎn)業(yè)鏈前后端需要系統(tǒng)性的整合與升級，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雙向促進(jìn)的過程。

　　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，打造市場優(yōu)勢，安森美的布局也是針對這一難點(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)模化產(chǎn)出，相比于硅良率更低。

　　就切割過程而言，單質(zhì)硅容易切薄，且硅柱很長，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，在切薄的過程中需要先切厚再減薄?！氨热缯f需要100的晶片，但我要切成200，然后再做減薄?！眳峭┍硎厩懈钸^程中會有許多浪費(fèi)，目前工藝不成熟的情況下，產(chǎn)品利用率、性價比和可靠性都不高。

　　在半導(dǎo)體摻雜過程中，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和濃度，從而調(diào)節(jié)其電學(xué)特性。

　　但這兩類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，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。

　　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，也會對良率造成影響。但他同時也強(qiáng)調(diào)，安森美從2004年就開始布局碳化硅，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)計在未來是走向塑封、小型和輕量級、大功率密度這幾個方向。具體而言，碳化硅的參與可以從五個角度改變封裝技術(shù)。

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

　　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。隨著使用時間的增加，在功率循環(huán)過程中芯片層會與下部焊料層產(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題。銀燒結(jié)技術(shù)也被稱為低溫連接技術(shù)，是指采用微米和納米級的銀顆粒通過燒結(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)對器件可靠性的提升有一定幫助。

　　與此同時，互連工藝也會發(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)勢帶來引線鍵合上的困難，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^大燒毀鍵合絲。

　　以上都會損傷器件的可靠性，在多次評估后，安森美提出用塑封模塊代替灌膠模塊，會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)計上也會有所改變。

　　相同電流等級下，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)計等等。

　　最后是對封裝材料的升級，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)器件的性價比，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)的共識是：限制器件通流能力的主要是器件的熱設(shè)計。比方說，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)多個器件，相比一個而言，成本有很大的劣勢。

　　通過對器件封裝的升級，從而提升其散熱能力，即便封裝成本會有一定程度的增加，但系統(tǒng)層級下的通流能力更強(qiáng)。整體來看，此方案的性價比還是很高，也能滿足終端的需求。

　　碳化硅會是下一個行業(yè)風(fēng)口嗎?它的到來和應(yīng)用是否會加速高壓化平臺架構(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)展總會帶來諸多期待，但最終落點(diǎn)還是如吳桐所言：“用更好的技術(shù)服務(wù)這個市場。”

　　(以上內(nèi)容來自安森美中國區(qū)汽車市場技術(shù)負(fù)責(zé)人吳桐博士在2022年6月24日由蓋世汽車主辦的2022中國汽車電驅(qū)動與關(guān)鍵技術(shù)云論壇發(fā)表的《碳化硅如何改變電動車的未來》主題演講。)