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電源與能源管理對人類社會未來的可持續(xù)發(fā)展變得越來越關(guān)鍵。一項對全球電力消耗狀況的統(tǒng)計顯示，僅在工業(yè)領(lǐng)域，如果能將電力利用效率提升1%，就能節(jié)約95.6億千瓦時的能源。這個數(shù)字意味著，相當(dāng)于節(jié)約了15個核電站的發(fā)電量、減排3200萬噸二氧化碳，或是數(shù)千桶的石油。數(shù)字很驚人是不是？電力利用效率的提升居然能達(dá)到如此可觀的節(jié)能效果。
全球都在聚焦重點行業(yè)的能效問題，例如汽車、工業(yè)等領(lǐng)域。許多國家和地區(qū)都在大力推進電動車的發(fā)展，在電動汽車的市場份額方面，美國計劃2030年達(dá)到50%，歐洲計劃2030年達(dá)到37.5%，中國電動車市場體量目前已經(jīng)是世界第一，計劃在2025年達(dá)到30%。具體到地區(qū)和城市方面，美國加州目標(biāo)是到2035年，所有上市新車和客車必須實現(xiàn)零排放；英國從2030年起不再銷售汽油和柴油車，到2035年，只有100%零排放汽車才能上市銷售；中國則要求汽車制造商到2030年電動汽車占總銷量的40%。
當(dāng)然，設(shè)立遠(yuǎn)景目標(biāo)的不只有國家和地區(qū)，汽車制造商也在宣布自己雄心勃勃的目標(biāo)。對于汽車制造來說，電動車采用電機作為動力來源既是一項重大變革，也意味著需要一整套全新的動能系統(tǒng)的引入。這套系統(tǒng)不會產(chǎn)生二氧化碳排放，有著更高的功率，能夠在更低的氣溫下運行，車身重量也能夠得到降低。這讓整個汽車制造業(yè)發(fā)生了動蕩，也為許多跨界從業(yè)者帶來了入局機會。中國目前就有100 多家OEM正在開發(fā)電動和混動汽車，例如比亞迪，以及理想、小鵬、蔚來等新秀，市場一片生機盎然的景象。
寬禁帶半導(dǎo)體VS. 傳統(tǒng)硅基MOSFET和IGBT
在實現(xiàn)高效能、節(jié)能降耗的過程中，電力科技一直都起著關(guān)鍵作用，而未來的重點方向之一就是新材料的運用，例如寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC和GaN。
從電力轉(zhuǎn)換鏈的能效角度來看，從發(fā)電側(cè)開始，經(jīng)過輸配電、儲電和變流，再到最終的用電側(cè)、即終端用戶，三大核心要點就是改善能效、功率密度、系統(tǒng)成本，這就仰賴于現(xiàn)有硅技術(shù)的繼續(xù)優(yōu)化、封裝創(chuàng)新，以及寬禁帶技術(shù)的突破。
與傳統(tǒng)硅基MOSFET和IGBT相比，寬禁帶半導(dǎo)體為功率晶體管市場帶來了更多優(yōu)勢。SiC和GaN擁有工作電壓高、開關(guān)速度快、工作溫度高、導(dǎo)通電阻低等特性，因此產(chǎn)生熱量少、耗散功率低、能效高，節(jié)能效果非常出色。
由材料本身的屬性特點所決定，SiC和GaN能夠用于更高級別的電力科技應(yīng)用，這在過去用硅材料是無法實現(xiàn)的，它們能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單、高效的拓?fù)洌谀苄嵘⑽锪铣杀窘档头矫姘l(fā)揮突出作用。
ST在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域投入較早，特別是在SiC MOSFET方面，2017年已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，目前市場份額達(dá)到50%，在汽車領(lǐng)域占比甚至達(dá)到60%。
據(jù)ST汽車和分立器件產(chǎn)品部副總裁、功率晶體管事業(yè)部總經(jīng)理Edoardo Merli介紹，在汽車的電動化過程中，功率半導(dǎo)體越來越受重視。動力總成市場方面，IGBT、硅基MOSFET、SiC MOSFET將在汽車市場共同驅(qū)動發(fā)展。全新的電能技術(shù)在2020年僅占40%，但是2025年將超過50%，碳化硅占其中的1/4，相比2020年有巨大提升。在動力電機逆變器應(yīng)用中，SiC MOSFET比IGBT更有優(yōu)勢，包括總芯片面積、開關(guān)損耗、總損耗和結(jié)溫，以及更好的溫度管理、充電速度的明顯提升等。
以一個10 kHz 210 kW 的動力電機逆變器為例，對比1200V SiC MOSFET和IGBT可以看出，SiC MOSFET有明顯的效率優(yōu)勢，而這些性能也會轉(zhuǎn)化為更長的行駛里程。
據(jù)了解，ST的SiC MOSFET產(chǎn)品兩大核心優(yōu)勢是：導(dǎo)通電阻 (Ron) x 裸片面積和 Ron x 柵極電荷 (Qg)，通過每次技術(shù)的迭代，都會得到大約20%-25%的改良幅度，這會帶來進一步的性能提升和成本降低。
Edoardo Merli進一步解釋說，F(xiàn)oM [導(dǎo)通電阻 (Ron) x 裸片面積和 Ron x 柵極電荷 (Qg)]算法表示晶體管能效、功率密度和開關(guān)性能。用普通硅技術(shù)改善 FoM 變得越來越困難，而SiC 技術(shù)是進一步改進FoM的關(guān)鍵。
隨著電動汽車市場加速發(fā)展，許多整車廠商和配套供應(yīng)商都在采用 800V驅(qū)動系統(tǒng)，以加快充電速度，減輕電動汽車重量。ST的新一代SiC 器件專門為這些應(yīng)用需求進行了設(shè)計優(yōu)化，包括電動汽車動力電機逆變器、車載充電機、DC/DC變換器和電子空調(diào)壓縮機。新一代產(chǎn)品還適合工業(yè)應(yīng)用，可提高驅(qū)動電機、可再生能源轉(zhuǎn)換器和儲能系統(tǒng)、電信電源、數(shù)據(jù)中心電源等應(yīng)用的能效。
SiC功率半導(dǎo)體行業(yè)和供應(yīng)鏈面臨的挑戰(zhàn)
Edoardo Merli強調(diào)，對于SiC這樣的新興技術(shù)來說，掌控甚至擁有一整套自己的產(chǎn)業(yè)鏈是非常重要的，ST為此做了大量工作。目前已經(jīng)通過收購Norstel AB（已更名為ST SiC AB）完成生產(chǎn)線的建設(shè)。此外，ST在SiC襯底布局方面，已設(shè)立多家工廠，不斷擴展規(guī)模，進一步整合生產(chǎn)鏈條，來提高制造能力。意大利卡塔尼亞作為布局的重點基地之一，使ST的生產(chǎn)能力得到了大幅度提升，在新加坡的生產(chǎn)線規(guī)模也實現(xiàn)了翻倍，目前正準(zhǔn)備實現(xiàn)從6英寸到8英寸的改造。此外，還有在摩洛哥布斯庫拉和中國深圳的基地作為后端工廠，其中深圳是主要的封裝工廠，為領(lǐng)先企業(yè)提供規(guī)模化的封裝服務(wù)。
半導(dǎo)體的規(guī)模經(jīng)濟效益顯著，寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展也不例外。去年7月，ST已經(jīng)制造出首批200mm SiC晶圓，可以說這是一個里程碑事件，標(biāo)志著產(chǎn)能的進一步擴大，降低了總擁有成本。隨著產(chǎn)量擴大，提升規(guī)模經(jīng)濟效益，也將進一步推進發(fā)展應(yīng)用，有利于積累深厚的專業(yè)知識、提高制造靈活性，更有效地控制晶圓片的良率和質(zhì)量改進。
Edoardo Merli坦言，SiC技術(shù)目前仍處于雛形階段，仍然有許多領(lǐng)域需要進一步探索和改良。首先是晶圓原材料的高成本，其次是外延成本，這涉及到整個生產(chǎn)鏈條的各個環(huán)節(jié)，需要未來持續(xù)開展更多工作來解決。這也是ST將外延層納入自身產(chǎn)業(yè)鏈的原因之一，不只是為了控制成本和體量，也是為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，目前計劃在外延工廠引入自動化技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)流程，從而提升生產(chǎn)制造的靈活性，以滿足市場需求。通過結(jié)合芯片和封裝兩個層面的不斷創(chuàng)新，ST預(yù)計SiC營收將在2024年達(dá)到 10 億美元。
GaN——功率轉(zhuǎn)換硅片重要的硅替代品
目前汽車制造和工業(yè)界已經(jīng)將SiC的應(yīng)用提上日程，GaN的大規(guī)模普及可能會相對晚些，但已有非常廣泛的應(yīng)用范圍。
GaN的電壓耐受能力比傳統(tǒng)硅材料高很多，而且不會影響導(dǎo)通電阻性能，因此可以降低導(dǎo)通損耗。此外，GaN產(chǎn)品的開關(guān)能效也比硅基晶體管高，從而可以取得非常低的開關(guān)損耗。開關(guān)頻率更高意味著應(yīng)用電路可以采用尺寸更小的無源器件。所有這些優(yōu)點讓設(shè)計人員能夠減少功率變換器的總損耗（減少熱量），提高能效。 因此，GaN 能更好地支持電子產(chǎn)品輕量化，舉例來說，與目前隨處常見的充電器相比，采用GaN 晶體管的PC機電源適配器更小、更輕。
Edoardo Merli表示，基于 GaN 的產(chǎn)品商用是功率半導(dǎo)體的下一個攻堅階段，用于顯著降低各種電子產(chǎn)品的能耗和尺寸，目標(biāo)應(yīng)用包括：消費類電子產(chǎn)品的內(nèi)置電源，例如，充電器、PC機外部電源適配器、LED 照明驅(qū)動器、電視機等家電；以及功率更高的電信電源、工業(yè)驅(qū)動電機、太陽能逆變器、電動汽車及充電設(shè)施等。
目前，ST的首款PowerGaN系列產(chǎn)品已投產(chǎn)，其GaN技術(shù)目前主要有兩大方向：一是D-Mode，應(yīng)用于G-FET、Gascode變流器；另一項是G-Drive，整合于同樣的應(yīng)用中，目前已經(jīng)推向市場。
據(jù)了解，ST的100V~650V各類GaN產(chǎn)品將會陸續(xù)在其8英寸生產(chǎn)線上誕生，在卡塔尼亞的一條GaN-on-Si RF生產(chǎn)線就用于GaN應(yīng)用，大部分為5G和6G基礎(chǔ)設(shè)施布局。
深耕多年，還面臨哪些挑戰(zhàn)？
ST是業(yè)內(nèi)較早布局寬禁帶半導(dǎo)體的廠商，特別是SiC領(lǐng)域，率先在汽車市場進行了推廣使用。據(jù)了解，目前已有超過100萬輛汽車搭載了基于其SiC解決方案的動力總成系統(tǒng)。
Edoardo Merli表示，雖然入局較早，但SiC畢竟是全新技術(shù)，還未經(jīng)過市場檢驗，電動汽車實際上也是新概念。因此，仍在與電動車企合作，研究SiC的缺陷、性能，以及在實際應(yīng)用中可能遇到的潛在可靠性問題，然后尋找可靠性改進方法。例如，ST已經(jīng)針對應(yīng)用特性制定了晶圓篩查或應(yīng)力測試方法，以及不合格產(chǎn)品的識別方法，然后將根據(jù)特定用例不斷改進技術(shù)。
此外，繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品成本也是一大挑戰(zhàn)。ST還在努力提高襯底質(zhì)量，從材料質(zhì)量抓起，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升整個制造鏈的缺陷控制能力，并在應(yīng)用層面提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。通過這些舉措與技術(shù)改進，實現(xiàn)更大規(guī)模的量產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。
他同時補充，在GaN方面，全面提高可靠性，把制造成本降到預(yù)期水平，是當(dāng)前需要克服的挑戰(zhàn)。ST將持續(xù)不斷在新技術(shù)和生產(chǎn)線改良方面進行投入，以便應(yīng)對未來海量的、不斷增長的市場需求。
ST還宣布了2027年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，屆時，將100%采購可再生能源發(fā)電，通過合作計劃和合作伙伴關(guān)系等推進在整個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
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