如果你是電子工程（EE）或微電子相關(guān)專業(yè)的，那么在念“派恩杰”這個名字時，腦子里第一個想到的諧音一定是PN結(jié)（PN Junction）。所有功率器件都要有PN結(jié)結(jié)構(gòu)，無論是單極性（Unipolar）還是雙極性（Bipolar）器件設(shè)計，這都是最重要的一環(huán)。有些材料在P型摻雜時很難，有些材料在N型摻雜時很難，而碳化硅（SiC）則是少數(shù)可以通過離子注入外延等不同的方法做出PN結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。

　　所以沒錯，這家“派恩杰半導(dǎo)體（PN Junction）”是專注于第三代半導(dǎo)體功率器件設(shè)計和方案的公司，成立于2018年9月，主要產(chǎn)品是碳化硅MOSFET，碳化硅SBD等器件。創(chuàng)始人黃興是美國北卡州立大學(xué)博士，師承Dr. B. Jayant Baliga（IEEE Life Fellow，美國科學(xué)院院士，IGBT發(fā)明者，奧巴馬授予國家技術(shù)創(chuàng)新獎?wù)拢┡cDr. Alex Q. Huang（IEEE Fellow, 發(fā)射極關(guān)斷晶閘管（ETO）的發(fā)明者）。

　　近日，《電子工程專輯》采訪了派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人&總裁黃興博士，除了證實派恩杰這個名字的的確來自PN結(jié)以外，還了解了他的創(chuàng)業(yè)初衷以及目前國產(chǎn)碳化硅器件的整體技術(shù)水平和應(yīng)用趨勢。

　　派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人&總裁黃興博士

　　創(chuàng)業(yè)故事

　　黃興從本科、博士直到畢業(yè)后的工作，都在與功率器件打交道，涉及領(lǐng)域包括碳化硅、氮化鎵（GaN）和硅材料。在美國留學(xué)和工作期間，他參與了美國自然科學(xué)基金FREEDM（4000萬美元）和Power America（1.4億美元）項目。同時他也是全球第一個在6英寸碳化硅片上做出3300V MOSFET器件的人。

　　黃興博士曾與Cree、豐田等公司有研發(fā)合作，曾在RFMD（Qorvo） 、USCi等企業(yè)擔(dān)任研發(fā)要職，有長達(dá)十年的碳化硅和氮化鎵功率器件設(shè)計經(jīng)驗。從戰(zhàn)績上看，黃興累計發(fā)布10余篇科技論文，超過350次引用；20余項專利發(fā)明，包括全球首個可雙向耐壓碳化硅結(jié)終端結(jié)構(gòu)。

　　黃興在博士期間研究的是碳化硅，剛畢業(yè)時他發(fā)現(xiàn)，第三代半導(dǎo)體的概念還有點超前，在中國并不好找工作。但長期的國外工作和學(xué)習(xí)，讓黃興發(fā)現(xiàn)國外有很多頭部半導(dǎo)體公司很早已經(jīng)開始了對第三代半導(dǎo)體材料的研究，“怎么中國就沒有這樣一家公司，可以讓我去工作呢？如果沒有，我能不能創(chuàng)立這樣一家公司呢？”當(dāng)時，他就萌生了創(chuàng)業(yè)的想法。

　　中國家是半導(dǎo)體元器件使用大國，每年的芯片進(jìn)口額都超過石油。黃興認(rèn)為，既然有這么強(qiáng)大的應(yīng)用能力，就更應(yīng)該實現(xiàn)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的自主可控，保障國家高科技產(chǎn)業(yè)鏈的安全。“有朝一日，中國也能有一家像英飛凌、羅姆、CREE這樣的龍頭企業(yè)，可以支撐國家對先進(jìn)功率器件的需求?！?/p>

　　因為在國外企業(yè)做碳化硅MOSFET、SBD有了很多積累，所以在創(chuàng)立派恩杰時，黃興在公司路線的選擇上做了一番思想斗爭。是保守一點，做一款跟國際大廠第一代、第二代碳化硅產(chǎn)品類似的，但是可以快速量產(chǎn)的設(shè)計？還是要跳過“Me Too”型的初級產(chǎn)品，直接做出能和大廠PK的最新產(chǎn)品？

　　最終黃興選擇了后者。他覺得，創(chuàng)業(yè)公司如果簡單復(fù)制大公司的初級產(chǎn)品路線，再搞低價競爭，在市場上很容易就會被打到失去競爭力。

　　對那時的半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)公司來說，剛剛起步往往是經(jīng)費最吃緊的時候。據(jù)黃興透露，公司在這個過程中經(jīng)歷了幾次財務(wù)危機(jī)，最困難的時候甚至工資都發(fā)不出來。但為了能做出有獨特性和創(chuàng)新性的產(chǎn)品，創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊籌集了900萬，又跟銀行貸款了700萬，加上政府的補(bǔ)貼，終于做出了性能優(yōu)于國際大廠第三代的產(chǎn)品。車廠在客戶端驗證后，也獲得了很好的反饋?！澳壳拔覀兯统鋈サ漠a(chǎn)品還沒有一個客訴，質(zhì)量和性能都是過關(guān)的?！?/p>

　　另外在當(dāng)時要做一款創(chuàng)新的產(chǎn)品，也需要說服代工廠（foundry）。站在代工廠的角度，當(dāng)然希望用成熟的產(chǎn)品迅速起量，把產(chǎn)線產(chǎn)能拉滿；而創(chuàng)新的東西確實需要不斷磨合和調(diào)整產(chǎn)線工藝。

　　“當(dāng)時我們勸說代工廠，按照派恩杰這套設(shè)計和工藝流程做出來的產(chǎn)品，performance一定比某大廠的好，而且在工藝成本上也做了優(yōu)化?！秉S興回憶道。據(jù)悉派恩杰的工藝方案在光刻層數(shù)上，比業(yè)界其他廠商要少減少2-3次光刻，實現(xiàn)了流片成本的降低。獲得了代工廠的支持后，2019年3月，派恩杰在成立6個月后便成功推出了第一款可兼容驅(qū)動650V GaN功率器件，同年8月又完成Gen3技術(shù)的1200V SiC MOS，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

　　在剛成立的前兩年，派恩杰并沒有做太多的市場宣傳，也沒有去見太多客戶。但是在實現(xiàn)技術(shù)突破后，便迅速將這項技術(shù)復(fù)制到650V、1200V、1700V的產(chǎn)品上，形成完整的全系列產(chǎn)品推向市場。2020年，他們先后發(fā)布用于5G數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器與工業(yè)輔助電源的650V、1700V工業(yè)級MOS以及用于車載充電機(jī)的650V車規(guī)級MOS；2021年2月發(fā)布1200V大電流車規(guī)級MOS，應(yīng)用于電動汽車電驅(qū)單管及模塊。

　　黃興表示：“這得益于我們當(dāng)時下定了決心要做一個全新的設(shè)計，而不是去照抄別人的設(shè)計或是說做一個更保守的選擇?！?/p>

　　電動汽車邁向800V平臺，SiC優(yōu)勢更明顯

　　談到碳化硅MOSFET應(yīng)用的趨勢，黃興認(rèn)為目前最大的市場還是電動汽車。包括特斯拉Model 3在內(nèi)的電動汽車，當(dāng)前都還是使用400V電壓平臺，但未來趨勢是800V，其好處是能讓整車重量更輕、體積更小、效率更高。在800V的汽車平臺中，不管是電池充放電還是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，都會用到下圖這樣的電機(jī)電子設(shè)備。

　　以充電速度來說，800伏電壓平臺能將充電速度從目前特斯拉400V系統(tǒng)的1分鐘充9公里，提升到1分鐘充27公里，充電10幾分鐘就能跑300公里；從線材成本上說，因為電壓提升讓線材中的電流更小，能夠?qū)~線的截面積從400V 250A系統(tǒng)的95平方毫米，比重8.5kg/m，降低到截面積35平方毫米，比重3.1kg/m，降低銅線成本和重量的同時，在布局布線時拐彎也會更靈活；從功率器件成本上說，800V電壓平臺一般使用1200V的功率器件，每千瓦數(shù)成本比400V/600V/700V功率器件要更便宜。

　　隨著中國碳中和目標(biāo)的提出，國務(wù)院指導(dǎo)綱要里面明確提出兩個要求，一是質(zhì)，一是量。

　　質(zhì)的要求，就是到2025年純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百公里，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右。從下圖可以看到，就算是特斯拉model 3目前百公里電耗也在15度電左右，要在2025年實現(xiàn)上述電耗目標(biāo)，碳化硅技術(shù)是繞不過去的。

　　再看量的要求，從市場容量看，中國2020年汽車銷量2500萬輛，2025年電動汽車占比要達(dá)到20%，所以電動汽車至少是年產(chǎn)500萬輛，需求碳化硅6英寸晶圓產(chǎn)能預(yù)計年100萬片，僅車用碳化硅器件市場約500億元。

　　碳化硅器件和IGBT比，如何？

　　除了前段時間特斯拉率先把碳化硅器件做進(jìn)量產(chǎn)的Model 3之外，目前絕大部分電動汽車還是采用IGBT方案。黃興用1200V IGBT和1200V 碳化硅進(jìn)行了對比，結(jié)論是在10 kHz 工作頻率下，碳化硅能降低38%的損耗；在30 kHz工作頻率，碳化硅能降低約60%的損耗，并且大幅減小散熱器體積和重量，綜合下來能令電池續(xù)航里程提高5~10%?！霸谔蓟韪叩拈_關(guān)頻率下，未來允許電動汽車使用功率密度更高的高速電機(jī)，更小的EMI filter，還能讓電機(jī)靜音（>20kHz）。以特斯拉為例，其18000轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)在高速運行下，可通過提高頻率，使用更小的電機(jī)來達(dá)到更高的功率密度?！?/p>

　　從成本上講，同樣功率等級的碳化硅器件成本約為IGBT模塊的2.5至3倍。例如1200V 400A IGBT半橋模塊量產(chǎn)價格300元，同樣功率的SiC模塊量產(chǎn)要900元。算下來3相全橋逆變器中模塊成本相差 （900-300）*3 = 1800 元人民幣，那么為什么還要上碳化硅？

　　因為在同樣續(xù)航里程下，碳化硅能夠大大減少電池成本。以目前電池USD $150/kWh的造價來看，一輛75kWh的電動汽車，由于碳化硅能提高5-10%的效率，同樣的設(shè)計里程， 可節(jié)約電池成本3650~7300 元人民幣（人民幣：美金按6.5:1計算）?！八钥傮w來說，以目前的電池價格成本計算，車企用碳化硅已經(jīng)更劃算了。”黃興補(bǔ)充道，“碳化硅每年還有大概20%的價格降幅，而IGBT目前來說已經(jīng)是地板價了，不會再降了。”

　　再從整體產(chǎn)能投資預(yù)期看，到2025年預(yù)計中國電動汽車年需求500萬量，且要求百公里電耗<15kW·h。拋開效率要求不談，單單是要滿足每年500萬輛汽車的需求，使用IGBT，需求8英寸晶圓產(chǎn)能100萬片每年，產(chǎn)線造價70億元，投入產(chǎn)出比74%；而使用SiC，需求6英寸晶圓產(chǎn)能80萬片每年，產(chǎn)線造價16億元，投入產(chǎn)出比975%。而SiC量產(chǎn)工藝還有進(jìn)步空間，預(yù)計2025年成本降低一半，IGBT技術(shù)則已經(jīng)成熟，由技術(shù)提升帶來的成本下降空間有限。

　　黃興還表示，用碳化硅的好處在于可以使用高速電機(jī)，讓電機(jī)功率密度更高的同時減輕電機(jī)本身的重量。上圖是10000轉(zhuǎn)電機(jī)和23000轉(zhuǎn)電機(jī)的對比，10000轉(zhuǎn)的電機(jī)重量16.4千克，23000轉(zhuǎn)電機(jī)只有5.6千克，電機(jī)重量僅為前者1/3。

　　國產(chǎn)創(chuàng)業(yè)公司中，唯一通過車企資質(zhì)認(rèn)證的

　　目前國內(nèi)無論是像小鵬、未來、理想這樣的造車新勢力，還是比亞迪、上汽、北汽都在往電動車方向發(fā)力。碳化硅應(yīng)用走在比較前面的有比亞迪和吉利，他們的OBC上已經(jīng)大量使用碳化硅器件。因為OBC主要用在車載充電機(jī)，相對要求沒有主驅(qū)逆變器這么高，所以車廠普遍希望先在OBC上進(jìn)行驗證，技術(shù)問題解決之后再導(dǎo)入主驅(qū)逆變器。

　　據(jù)黃興透露，目前已經(jīng)有多家國產(chǎn)碳化硅芯片在往比亞迪、小鵬等車企送樣，派恩杰也在很多國內(nèi)車廠中進(jìn)行測試導(dǎo)入的階段?！澳壳皣a(chǎn)芯片廠商能做出碳化硅MOS的不多，所以國產(chǎn)汽車廠在碳化硅方面還是使用CREE、羅姆、ST產(chǎn)品為主。派恩杰目前是唯一一家以創(chuàng)業(yè)公司身份，通過國內(nèi)車企OBC碳化硅測試的，另一家是一家央企?！?/p>

　　因為派恩杰從晶圓到封裝的整條供應(yīng)鏈完全符合車規(guī)要求，據(jù)悉派恩杰已經(jīng)拿到了一些車廠的供應(yīng)商資質(zhì)，而且設(shè)計能力和產(chǎn)品性能可以達(dá)到跟CREE、ST做pin to pin替換的程度?！岸壳霸谄渌麌a(chǎn)友商中，目前能送樣通過測試的還是相對較少?！秉S興說道。

　　派恩杰的產(chǎn)品線和技術(shù)優(yōu)勢

　　下圖是派恩杰目前已有的產(chǎn)品，碳化硅產(chǎn)品主要是針對工業(yè)，包括數(shù)據(jù)中心、光伏逆變、儲能和汽車，也有主要是針對消費級的氮化鎵產(chǎn)品。其中標(biāo)紅的芯片主要是面向汽車主驅(qū)逆變器的應(yīng)用。

　　具體到碳化硅MOSFET產(chǎn)品，黃興從技術(shù)平臺、Rdson、Qgd、HDFM等幾方面與競品做了對比。其中HDFM指標(biāo)就是Rdson與Qgd綜合指標(biāo)，也是衡量所有MOSFET等功率半導(dǎo)體優(yōu)劣的重要參數(shù)指標(biāo)。在理想情況下，同樣的應(yīng)用場景，如果派恩杰的SiC MOSFET 功耗為10W ，某國產(chǎn)品牌的功耗為24W，而跟歐美日本大廠橫向?qū)Ρ纫彩遣惠數(shù)摹?/p>

　　“一般來說，芯片面積越大Rdson越小，但芯片面積越大，電容也越大，導(dǎo)致開關(guān)損耗越大?！秉S興具體解釋了這個參數(shù)對比的依據(jù)，“Rdson決定功率器件的導(dǎo)通損耗，Qgd決定開關(guān)損耗。兩者相乘的數(shù)字越小，就說明綜合損耗越小。派恩杰在所有對比的MOSFET里Rdson乘以Qgd是最小的。也就說在同樣保證損耗的情況下，開關(guān)損耗最小?！?/p>

　　此外派恩杰的器件也遵循車規(guī)AEC-Q101的測試規(guī)范，并已實現(xiàn)大量出貨。目前可以做到門級TDDB失效壽命1000年以下，失效率低于10PPM。

　　小結(jié)

　　據(jù)悉，派恩杰還是JEDEC國際標(biāo)準(zhǔn)委員會JC-70會議的主要成員之一，參與制定寬禁帶半導(dǎo)體功率器件國際標(biāo)準(zhǔn)。三年間已發(fā)布50余款650V/1200V/1700V SiC SBD、650V , 1200V , 1700V , 750V SiC MOS、650V GaN HEMT功率器件，并且在海內(nèi)外被部分一線客戶導(dǎo)入使用。黃興強(qiáng)調(diào)，派恩杰碳化硅MOSFET產(chǎn)品最大的特點是HDFM指標(biāo)全球領(lǐng)先，而且產(chǎn)品目錄應(yīng)該是國產(chǎn)類似器件里最全面的。

　　派恩杰半導(dǎo)體的1700V SiC MOSFET，用于工業(yè)高壓輔助電源、光伏輔助電源等，可直接替換硅MOSFET方案

　　派恩杰半導(dǎo)體的1200V SiC 模塊，用于大功率工業(yè)逆變器、機(jī)車牽引、BMS等

　　供應(yīng)鏈方面，派恩杰的SiC晶圓由X-FAB生產(chǎn)制作，這是全球第一家提供150mm SiC工藝的晶圓代工廠，同時也是當(dāng)前全球具備規(guī)?；慨a(chǎn)能力的SiC晶圓代工廠TOP3，有30年的車規(guī)半導(dǎo)體生產(chǎn)歷史，產(chǎn)線完全符合車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)能據(jù)稱可以達(dá)到每年100KK。

　　黃興表示，根據(jù)第三方機(jī)構(gòu)&全球一線客戶實機(jī)測試驗證，派恩杰產(chǎn)品性能已達(dá)國際一流水平，有機(jī)會與國際企業(yè)一爭高下，未來將爭取成為在海外市場最大份額的中國碳化硅和氮化鎵品牌。