功率半導(dǎo)體器件助力華虹宏力再上新臺階

華虹集團(tuán)旗下上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司（“華虹宏力”）戰(zhàn)略、市場與發(fā)展部李健在第八屆年度中國電子 ICT 媒體論壇暨 2019 產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會上以《電動汽車“芯”機(jī)遇》為題為現(xiàn)場嘉賓分享電動汽車給功率半導(dǎo)體帶來的發(fā)展機(jī)遇，并重點介紹了華虹宏力在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的工藝技術(shù)。

 

 

李健開場就表示，今天在這里和大家共同探討一下電動汽車孕育的新機(jī)遇。當(dāng)機(jī)遇來的時候，我們必須要有核心的技術(shù)，才能夠抓住機(jī)遇，開創(chuàng)我們的未來。

 

芯機(jī)遇，電動汽車助力功率半導(dǎo)體再迎春天

李健表示，電動汽車是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展新機(jī)遇，是半導(dǎo)體發(fā)展下一個十年的引領(lǐng)載體。他說，從 2017 年開始，智能手機(jī)已顯出疲態(tài)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)急需新的市場應(yīng)用拉動上揚，而能夠擔(dān)任多技術(shù)融合載體重任的當(dāng)屬智能汽車。

 

李健分析說，首先汽車“電子化”是大勢所趨，從汽車成本結(jié)構(gòu)來看，未來芯片成本有望占汽車總成本的 50%以上，這將給半導(dǎo)體帶來巨大的市場需求。

 

其次，雖然汽車是個傳統(tǒng)的制造業(yè)，但是個能讓人熱血沸騰的制造業(yè)，因為汽車產(chǎn)業(yè)承載了人類的夢想。當(dāng)傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)遇到當(dāng)今的半導(dǎo)體，就像千里馬插上翅膀，會變成下一個引領(lǐng)浪潮的“才子”。李健表示，自動駕駛處理器、ADAS 芯片為電動汽車帶來冷靜的頭腦；同時，IGBT、MOSFET 等功率半導(dǎo)體器件為電動汽車帶來更強(qiáng)壯的肌肉，讓千里馬跑得更快。

 

汽車電動化是全球趨勢。有數(shù)據(jù)表明，2020 年，全球新能源車的銷售目標(biāo)為 700 萬臺，而中國內(nèi)地為 200 萬臺。有別于傳統(tǒng)汽車，新能源車配有電機(jī)、電池、車載充電機(jī)、電機(jī)逆變控制器和電動車空調(diào)壓縮機(jī) PTC 加熱器等，這都需要大量的功率器件芯片。除了車輛本身“電動化”之外，還給后裝零部件市場和配套用電設(shè)施帶來新需求，比如直流快速充電樁。

 

圖片來源：嘉賓演講 PPT

 

電動汽車中功率芯片的用途非常廣泛，如啟停系統(tǒng)、DC/DC 變壓器（高壓轉(zhuǎn) 12V）、DC/AC 主逆變器+DC/DC 升壓、發(fā)電機(jī)、車載充電機(jī)等，都要用到功率器件。

 

李健以 IGBT 為例，對電動汽車中功率器件的規(guī)模進(jìn)行了介紹，他說一臺電動車總共需要 48 顆 IGBT 芯片，其中前后雙電機(jī)共需要 36 顆，車載充電機(jī)需要 4 顆，電動空調(diào) 8 顆。同時后裝維修零配件市場按 1：1 配套。如果 2020 年國內(nèi)電動汽車銷量達(dá)到 200 萬臺，國內(nèi)市場大約需要每月 10 萬片 8 英寸車規(guī)級 IGBT 晶圓產(chǎn)能（按每片晶圓容納 120 顆 IGBT 芯片折算）?；趪鴥?nèi)電動車市場占全球市場的 1/3，2020 年全球汽車市場可能需要超過每月 30 萬片 8 英寸 IGBT 晶圓產(chǎn)能！

 

李健表示，除了電動汽車市場，IGBT 在其它應(yīng)用市場中也廣受歡迎，業(yè)內(nèi)有看法認(rèn)為還需要新建十座 IGBT 晶圓廠。

 

芯技術(shù)，華虹宏力聚焦功率器件特色工藝

華虹宏力從 2002 年開始自主創(chuàng)“芯”路，是全球第一家提供功率器件代工服務(wù)的 8 英寸純晶圓代工廠。2002 年到 2010 年，陸續(xù)完成先進(jìn)的溝槽型中低壓 MOSFET/SGT/TBO 等功率器件技術(shù)開發(fā)；2010 年，高壓 600V ~700V 溝槽型、平面型 MOSFET 工藝進(jìn)入量產(chǎn)階段；2011 年第一代深溝槽超級結(jié)工藝進(jìn)入量產(chǎn)階段，同年 1200V 溝槽型 NPT IGBT 工藝也完成研發(fā)進(jìn)入量產(chǎn)階段；2013 年，第 2 代深溝槽超級結(jié)工藝推向市場，同時 600V~1200V 溝槽型場截止型 IGBT（FDB 工藝）也成功量產(chǎn)。

 

作為華虹宏力的核心業(yè)務(wù)之一，公司在功率器件方面主要聚焦在以下 4 個方面：

 

圖片來源：嘉賓演講 PPT 

 

一是溝槽型 MOS/SGT，適合小于 300V 電壓的應(yīng)用，如汽車輔助系統(tǒng)應(yīng)用 12V/24V/48V 等。硅基 MOSFET 是功率器件工藝的基礎(chǔ)，后續(xù)工藝都是基于這個工藝平臺不斷升級、完善，華虹宏力致力于優(yōu)化 pitch size，提升元胞密度，降低導(dǎo)通電阻。華虹宏力的 MOSFET 產(chǎn)品已通過車規(guī)認(rèn)證，并配合客戶完成相對核心關(guān)鍵部件如汽車油泵、轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)等的應(yīng)用。目前華虹宏力 8 英寸 MOSFET 晶圓出貨已超過 700 萬片。

 

二是超級結(jié) MOSFET 工藝（DT-SJ），涵蓋 300V 到 800V，應(yīng)用于汽車動力電池電壓轉(zhuǎn) 12V 低電壓及直流充電樁功率模塊。超級結(jié) MOSFET 最顯著特征為 P 柱結(jié)構(gòu)，華虹宏力采用擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的深溝槽型 P 柱，可大幅降低導(dǎo)通電阻，同時，在生產(chǎn)制造過程中可大幅縮短加工周期、降低生產(chǎn)成本。超級結(jié) MOSFET 適用于 500V~900V 電壓段，它的電阻更小，效率更高，散熱相對低，所以在要求嚴(yán)苛的開關(guān)電源里有大量的應(yīng)用。

 

超級結(jié) MOSFET 是華虹宏力功率半導(dǎo)體工藝平臺的中流砥柱。2011 年，第一代超級結(jié) MOSFET 工藝開始量產(chǎn)；2013 年，通過技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化 pitch size，降低結(jié)電阻，推出第二代超級結(jié) MOSFET 工藝；2015 年，進(jìn)一步優(yōu)化，推出 2.5 代超級結(jié) MOSFET 工藝；2017 年，第三代超級結(jié) MOSFET 工藝試生產(chǎn)。

 

李健表示，相比前代的平面型柵極，華虹宏力第三代超級結(jié) MOSFET 在結(jié)構(gòu)上有了創(chuàng)新，采用垂直溝槽柵（Vertical trench）結(jié)構(gòu)，有效降低結(jié)電阻，進(jìn)一步優(yōu)化 pitch size，可提供導(dǎo)通電阻更低、芯片面積更小、開關(guān)速度更快和開關(guān)損耗更低的產(chǎn)品解決方案。

 

用單位面積導(dǎo)通電阻來衡量的話，華虹宏力超級結(jié) MOSFET 工藝每一代新技術(shù)都優(yōu)化 25%以上，持續(xù)為客戶創(chuàng)造更多價值。

 

李健強(qiáng)調(diào)，垂直溝槽柵超級結(jié) MOSFET 是華虹宏力自主開發(fā)、擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)“芯”技術(shù)。

 

三是 IGBT，作為電動汽車的核心，主要是在 600V~3300V 甚至 6500V 高壓上的應(yīng)用，如汽車主逆變、車載充電機(jī)等。

 

李健表示，硅基 IGBT 作為電動汽車的核“芯”，非常考驗晶圓制造的能力和經(jīng)驗。從器件結(jié)構(gòu)來看，IGBT 芯片正面類似普通的 MOSFET，難點在于實現(xiàn)背面結(jié)構(gòu)。

 

華虹宏力是國內(nèi)為數(shù)不多可用 8 英寸晶圓產(chǎn)線為客戶代工的廠商之一，公司擁有背面薄片、背面高能離子注入、背面激光退火以及背面金屬化等一整套完整的 FS IGBT 的背面加工處理能力，使得客戶產(chǎn)品能夠比肩業(yè)界主流的國際 IDM 產(chǎn)品。

 

IGBT 晶圓的背面加工需要很多特殊的工藝制程。以最簡單的薄片工藝來說，一般正常的 8 英寸晶圓厚 700 多微米，減薄后需要達(dá)到 60 微米甚至更薄，就像紙一樣，不采用特殊設(shè)備，晶圓就會翹曲而無法進(jìn)行后續(xù)加工。

 

華虹宏力 IGBT 早期以 1200V LPT、1700V NPT/FS 為主；目前集中在場截止型（FS）工藝上，以 600 伏和 1200 伏電壓段為主；3300V~6500V 高壓段工藝的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)完成，正在進(jìn)行產(chǎn)品驗證。

 

四是 GaN/SiC 新材料，未來五到十年，SiC 類功率器件會成為汽車市場的主力，主要用于主逆變器和大功率直流快充的充電樁上。

 

李健介紹說，寬禁帶材料（GaN/SiC）優(yōu)勢非常明顯，未來 10 到 15 年，寬禁帶材料的市場空間非常巨大，但目前可靠性還有待進(jìn)一步觀察。

 

李健對 GaN 和 SiC 進(jìn)行了一個簡單的對比。從市場應(yīng)用需求來講，SiC 的市場應(yīng)用和硅基 IGBT 完全重合，應(yīng)用場景明確，GaN 則瞄準(zhǔn)新興領(lǐng)域，如無線充電和無人駕駛 LiDAR，應(yīng)用場景存在一定的變數(shù)。從技術(shù)成熟度來講，SiC 二級管技術(shù)已成熟，MOS 管也已小批量供貨。而 SiC 基 GaN 雖然相對成熟，但成本高；Si 基 GaN 則仍不成熟。從性價比來講，SiC 比較明確，未來大量量產(chǎn)后有望快速拉低成本。而 GaN 的則有待觀察，如果新型應(yīng)用不能如期上量，成本下降會比較緩慢。不過 Si 基 GaN 最大的優(yōu)勢在于可以和傳統(tǒng) CMOS 產(chǎn)線兼容，而 SiC 則做不到這點。

 

芯未來，施行“8+12”戰(zhàn)略布局

盡管半導(dǎo)體市場風(fēng)云際會，公司整體戰(zhàn)略是開辟“超越摩爾”新路，深耕“特色+優(yōu)勢”工藝，實行“8+12”的戰(zhàn)略布局。

 

圖片來源：嘉賓演講 PPT 

 

8 英寸的戰(zhàn)略定位是“廣積糧”，重點是“積”。華虹宏力有近 20 年的特色工藝技術(shù)積累，是業(yè)內(nèi)首個擁有深溝槽超級結(jié)(Deep Trench Super Junction，DT-SJ)及場截止型 IGBT(Field Stop，F(xiàn)S IGBT)工藝平臺的 8 英寸代工廠，公司現(xiàn)已推出第三代 DT-SJ 工藝平臺。在 IGBT 方面讓客戶產(chǎn)品能夠比肩業(yè)界主流的國際 IDM 產(chǎn)品。

 

公司積累了眾多戰(zhàn)略客戶多年合作的情誼；連續(xù) 32 個季度盈利的赫赫成績，也為華虹宏力積累了大量的資本。

 

正因為有這些積累，華虹宏力可以開始布局 12 英寸先進(jìn)工藝。

 

12 英寸的戰(zhàn)略定位是“高筑墻”，重點是“高”。華虹宏力將通過建設(shè) 12 英寸生產(chǎn)線，延伸 8 英寸特色工藝優(yōu)勢，拓寬護(hù)城河，提高技術(shù)壁壘，拉開與身后競爭者的差距。

 

在擴(kuò)充產(chǎn)能的同時，技術(shù)節(jié)點也推進(jìn)到 90/55 納米，以便給客戶提供更先進(jìn)的工藝支持，攜手再上新臺階。

 

李健總結(jié)到，只有積累了雄厚的底蘊，才能夠在更高的舞臺上走得更穩(wěn)。