近日，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，國產(chǎn)SiC功率器件供應(yīng)商派恩杰半導(dǎo)體的SiC MOSFET拿下了新能源汽車龍頭企業(yè)的數(shù)千萬訂單。這可以說是在國產(chǎn)SiC MOSFET中取得的一份很不錯(cuò)的成績，目前在SiC二極管領(lǐng)域國產(chǎn)化的程度已經(jīng)很高，但SiC MOSFET卻還相對薄弱，具備研發(fā)和量產(chǎn)能力的企業(yè)更是鳳毛麟角，這其中的原因是什么？派恩杰作為一家初創(chuàng)企業(yè)又憑什么能脫穎而出？

　　為何國產(chǎn)SiC MOSFET難突破？

　　“SiC這個(gè)行業(yè)是相對較新且較細(xì)分的領(lǐng)域，很多仿真軟件不會專門為SiC投入太多資源，所以這方面的模型是缺失的。SiC材料本身的模型數(shù)據(jù)的缺失導(dǎo)致商用軟件在仿真SiC的時(shí)候，預(yù)測不準(zhǔn)確，給設(shè)計(jì)者帶來了很大困難。譬如在仿真里設(shè)計(jì)的很好的器件，等到流片出來后卻發(fā)現(xiàn)，跟設(shè)計(jì)的完全不一樣，”派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼總裁黃興博士坦言道，“這就需要設(shè)計(jì)者從最底層物理上的模型，比如SiC自身的電子遷移率、雪崩擊穿的模型、熱學(xué)仿真模型、工藝柵氧生長等方面對SiC材料進(jìn)行校準(zhǔn)，不斷的去實(shí)驗(yàn)迭代和完善。”

　　而黃興博士從2009年北卡州立大學(xué)就進(jìn)行這些方面的研究，他師從“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶閘管發(fā)明人Alex Q. Huang，2014-2017年在美期間發(fā)布20余款SiC/GaN量產(chǎn)產(chǎn)品，發(fā)布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件，發(fā)明首個(gè)可雙向耐壓SiC結(jié)終端結(jié)構(gòu)。黃興博士在SiC行業(yè)有著十余年的經(jīng)驗(yàn)，包括與很多業(yè)內(nèi)科學(xué)家合作，不斷的提取出一個(gè)合適的模型，這個(gè)模型能相對準(zhǔn)確的讓SiC仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匹配度更好，也極大的縮短了SiC設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間。正是這個(gè)原因使得派恩杰能率先在SiC MOSFET領(lǐng)域突破。

　　派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼總裁黃興博士

　　另一方面，我們都知道，SiC本身材料的成本是比較高的，一張普通的MOSFET硅晶圓的成本大概在500元人民幣左右，而SiC晶圓一張大約是在3萬元人民幣左右，一個(gè)PN （part number）需要200片晶圓，就至少需要600萬人民幣，如果開發(fā)幾十款料號，成本將巨額上升。這給SiC企業(yè)帶來了很大的資金壓力。

　　成本之外，迭代的速度也很關(guān)鍵，SiC的加工難度很大，很多代工廠并不具備這樣的加工條件，就極大的限制了研發(fā)迭代的速度，這也是目前很多SiC公司很難推出成熟產(chǎn)品一個(gè)重要原因。

　　在這方面，派恩杰依靠的是有30年經(jīng)驗(yàn)的車規(guī)代工廠X-FAB Silicon Foundries（“X-FAB”），它也是全球首家提供150mm SiC工藝的代工廠。在已經(jīng)合作近三年時(shí)間后，今年9月份，雙方就批量生產(chǎn)SiC晶圓又建立長期戰(zhàn)略合作關(guān)系。據(jù)了解，過去三年派恩杰累計(jì)出貨1千萬，未來三年預(yù)計(jì)將超過8千萬。

　　在模型上的多年積累以及X-FAB快速的迭代周期的支持，使得派恩杰這幾年發(fā)展飛速。早在2018年派恩杰就緊鑼密鼓布局車規(guī)級半導(dǎo)體芯片，2019年3月，派恩杰成立僅6個(gè)月即發(fā)布了第一款可兼容驅(qū)動650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技術(shù)的1200V SiC MOS，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。2020年先后發(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。

　　新能源汽車OBC放量，國產(chǎn)SiC MOSFET卡位

　　如今，在全球半導(dǎo)體行業(yè)缺貨的大背景下，派恩杰緊抓發(fā)展機(jī)遇，率先順利“上車”。公司的SiC MOSFET產(chǎn)品在新能源汽車OBC應(yīng)用驗(yàn)證取得了重大突破，獲得了新能源汽車龍頭企業(yè)數(shù)千萬訂單，并已開始低調(diào)供貨。

　　汽車OBC是怎樣一個(gè)行情？OBC英文是On-Board Charger，指的是電動汽車車載充電機(jī)，它是指固定安裝在電動汽車上的充電機(jī)，電動汽車在充電時(shí)，不是直接連接到大型電池的外部充電器，而是通過OBC對電動汽車的電池進(jìn)行充電，以此來起到保護(hù)作用。現(xiàn)在車載充電器必須要具有盡可能高的效率和可靠性，以確保快速充電并滿足有限的空間和重量要求。

　　除了充電的保護(hù)需求外，隨著電動汽車的普及和應(yīng)用，逐漸產(chǎn)生了對儲能電池往外放電的需求，尤其是歐美市場比較看重這個(gè)需求。目前國內(nèi)也有車廠把OBC特別是雙向的OBC作為標(biāo)配，而雙向的解決方案則采用SiC是最劃算的，如果要想能量雙向流動就得用SiC MOSFET。

　　車載充電機(jī)作為一個(gè)電力電子系統(tǒng)，主要由功率電路和控制電路組成。國內(nèi)的龍頭企業(yè)早在5年前就開始用SiC做OBC，目前OBC技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，體積也逐漸縮小。派恩杰認(rèn)為，現(xiàn)在正是OBC放量的時(shí)候。據(jù) ResearchAndMarkets的報(bào)告，2019 年全球電動汽車車載充電器市場價(jià)值為 21.5 億美元，預(yù)計(jì)到 2027 年將達(dá)到108.2 億美元，2020年至2027年的復(fù)合年增長率為 22.4%。

　　而且隨著越來越多汽車廠的興起，勢必會搶奪稀缺的SiC供應(yīng)鏈資源。據(jù)悉某國際龍頭企業(yè)的SiC MOSFET交期已從52周延長到80周。目前派恩杰的大部分SiC MOSFET產(chǎn)能也都被車載OBC占用。

　　據(jù)悉，派恩杰在650V、1200V、1700V三個(gè)電壓平臺的都有SiC MOSFET器件產(chǎn)品，其中在汽車OBC上應(yīng)用的是單管1200V的SiC MOSFET和650V SiC MOSFET，所提供的是TO-247、TO-220這種標(biāo)準(zhǔn)封裝的單管。

　　那么派恩杰的SiC MOSFET又為何能率先“上車”，其產(chǎn)品有何優(yōu)勢呢？黃興博士指出，從技術(shù)上來看，派恩杰的SiC MOSFET對標(biāo)的是Wolfspeed的第三代平面柵SiC MOSFET，在客戶端的評測中，派恩杰的SiC性能全球前三。

　　在HDFM（器件的Rds（on）×器件的Qgd）這項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中，HDFM是衡量功率半導(dǎo)體優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，該數(shù)值越低說明器件的綜合損耗更小，效率更高。理想情況下，同樣的應(yīng)用場景，若派恩杰的SiC MOSFET功耗為10W，S品牌14W，C品牌11.8W，R品牌13.6W，某國產(chǎn)品牌20W?？梢娕啥鹘茉谒械钠矫鏂偶夹g(shù)里面是最好的，所以在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗這兩方面指標(biāo)中，派恩杰可以給客戶提供最優(yōu)的解決方案。

　　目前上車的SiC MOSFET主要是以平面柵技術(shù)為主，派恩杰也將在平面柵技術(shù)上不斷迭代，將Rds（on）×Qgd這個(gè)HDFM指標(biāo)越做越小，持續(xù)保持技術(shù)上的先進(jìn)性。此外在一些抗極限的指標(biāo)實(shí)測中，比如峰值功率、峰值電流和一些雪崩測試，派恩杰都可以達(dá)到比較苛刻的工業(yè)要求和車規(guī)的要求。

　　在產(chǎn)品良率方面，派恩杰的單片SiC MOSFET綜合良率為80%-90%，不同型號有所不同，像一些中小功率的芯片，良率一般在90%以上，隨著功率越大，良率也會有所降低，這主要目前SiC原材料這種缺陷所導(dǎo)致的。如果拋開材料缺陷，派恩杰在Fab端的良率是99%以上。

　　除了汽車OBC之外，黃興博士還指出，現(xiàn)在汽車電驅(qū)的市場需要也是非常巨大的，而國產(chǎn)SiC MOSFET要上電驅(qū)，就必須要過可靠性和產(chǎn)能這兩大難關(guān)。在這兩方面，國內(nèi)都很薄弱，黃興博士指出，從國內(nèi)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢和特點(diǎn)來說，可以先解決產(chǎn)能的問題，至少先做到工業(yè)級的保證，把產(chǎn)能先供起來，再慢慢進(jìn)攻可靠性和技術(shù)的要求，這將是國產(chǎn)SiC MOSFET供應(yīng)鏈上車的一個(gè)途徑。但核心還是產(chǎn)能的問題，這就需要國內(nèi)SiC襯底材料廠商的支持。隨著上下游不斷的迭代，預(yù)計(jì)在兩三年內(nèi)可以慢慢實(shí)現(xiàn)上量。

　　加速SiC上車，建立自有封裝產(chǎn)線

　　目前國內(nèi)也有不少SiC企業(yè)布局了SiC封裝產(chǎn)線，但是在派恩杰看來，國內(nèi)比較缺失的是SiC能真正上車的功率模塊產(chǎn)線。為了更好的服務(wù)新能源汽車企業(yè)，派恩杰加快布局車用SiC模塊，正著力選址建造車用SiC模塊封裝產(chǎn)線?！斑@是一個(gè)填補(bǔ)產(chǎn)業(yè)空白的事情，確實(shí)也是有價(jià)值的事情，現(xiàn)在很多友商也看到了這個(gè)價(jià)值，準(zhǔn)備往這個(gè)方向做?！秉S興博士表示。

　　考慮到SiC自身高頻高速、低功耗的特性，以前傳統(tǒng)的功率模塊，像IGBT封裝所用的較好的HPD模塊，已不太適合用于SiC，繼續(xù)采用這種傳統(tǒng)的封裝將對性能產(chǎn)生影響。特斯拉Model S中的SiC功率模塊就沒有采用IGBT的封裝，而是用的類似TO的封裝，這也是市面上量產(chǎn)比較成功的封裝模式，再就是如大眾批量應(yīng)用的板橋模塊的形式。國內(nèi)在這些相對成功的SiC功率模塊方式中則相對欠缺。

　　所以派恩杰想借助自己芯片上的先發(fā)優(yōu)勢，向模塊技術(shù)繼續(xù)延伸和演進(jìn)。縱觀國際功率模塊做的好的大廠，如英飛凌等，很大的一個(gè)原因在于他們的模塊使用的是自家的芯片。這樣的好處在于他們深知自己芯片的優(yōu)勢和特性，在進(jìn)行模塊聯(lián)合的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以聯(lián)合芯片上下聯(lián)動的調(diào)校和優(yōu)化，讓模塊去適應(yīng)芯片。

　　在模塊的工藝制造端，派恩杰選擇采用納米銀焊接技術(shù)，而不是目前IGBT封裝常用的雙面冷卻技術(shù)，黃興博士指出，要發(fā)展更高效率和高可靠性的SiC，就需要選用一些高溫的封裝材料，來提高SiC的工作結(jié)溫。納米銀焊接技術(shù)的好處在于，銀具有更高的導(dǎo)熱導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，而納米銀粉具有獨(dú)特的納米特性，999精銀的熔點(diǎn)是961℃，當(dāng)顆粒尺寸到納米級別后，其熔點(diǎn)會降低至100℃左右，于是可以通過低溫?zé)Y(jié)來實(shí)現(xiàn)芯片的互聯(lián)，而當(dāng)燒結(jié)完成后燒結(jié)層熔點(diǎn)又恢復(fù)到銀的常規(guī)熔點(diǎn)，達(dá)到低溫?zé)Y(jié)高溫使用的特點(diǎn)，是目前第三代半導(dǎo)體封裝較有潛力的互聯(lián)材料。

　　除了在封裝工藝上的提升，派恩杰的很重要的工作是聯(lián)合上下游，做好材料、芯片，乃至模塊的篩選工作，構(gòu)建一套完整的可靠性數(shù)據(jù)模型，更好的符合車規(guī)要求。

　　而針對目前全球的SiC產(chǎn)能問題，黃興博士指出，目前SiC主要受制于原材料的產(chǎn)能，而不是在Foundry或者Fab端。以Wolfspeed為例，其一年6英寸SiC晶圓片的產(chǎn)能大約是72萬片，加上其他廠商如GT advanced，II-VI，住友電工，SiCrystal產(chǎn)能大約有200萬片，而僅中國大陸的汽車市場一年就至少需要100萬片，所以SiC原材料的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于供給的。所以對于國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)策略上，不是要建更多的Foundry或者Fab，而是更多的去驗(yàn)證推動國產(chǎn)襯底原材料廠的技術(shù)，助其迭代，釋放產(chǎn)能，這是核心。

　　結(jié)語

　　2018年選擇在SiC這個(gè)賽道“落子”，派恩杰能在當(dāng)下大規(guī)模缺貨的情況下率先實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的大規(guī)模“上車”，天時(shí)地利人和一步都不能差。天時(shí)：趕上了新能源市場的發(fā)展以及SiC行業(yè)的及時(shí)爆發(fā)；地利：中國這個(gè)廣闊的新能源汽車市場、碳中和、碳達(dá)峰等趨勢的出現(xiàn)，再加上現(xiàn)在對供應(yīng)鏈的自主可控，也使得客戶開始擁抱國產(chǎn)廠商，增加了驗(yàn)證的機(jī)會，還有資本的大力支持；人和：派恩杰雖然成立的時(shí)間較短，但研發(fā)團(tuán)隊(duì)在SiC領(lǐng)域的十多年技術(shù)積累，不管是設(shè)計(jì)、物理模型、工藝數(shù)據(jù)以及各種量產(chǎn)經(jīng)營等的積累，造就了其過硬的產(chǎn)品品質(zhì)以及迭代的速度發(fā)展。最后有全球最成熟的代工廠為其SiC產(chǎn)品的產(chǎn)能保障。未來隨著派恩杰的車規(guī)模塊封裝產(chǎn)線的構(gòu)建，相信SiC上車的步伐將進(jìn)一步加速。