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電源與能源管理對(duì)人類(lèi)社會(huì)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展變得越來(lái)越關(guān)鍵。一項(xiàng)對(duì)全球電力消耗狀況的統(tǒng)計(jì)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(shí)的能源。這個(gè)數(shù)字意味著，相當(dāng)于節(jié)約了15個(gè)核電站的發(fā)電量、減排3200萬(wàn)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(diǎn)行業(yè)的能效問(wèn)題，例如汽車(chē)、工業(yè)等領(lǐng)域。許多國(guó)家和地區(qū)都在大力推進(jìn)電動(dòng)車(chē)的發(fā)展，在電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額方面，美國(guó)計(jì)劃2030年達(dá)到50%，歐洲計(jì)劃2030年達(dá)到37.5%，中國(guó)電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)體量目前已經(jīng)是世界第一，計(jì)劃在2025年達(dá)到30%。具體到地區(qū)和城市方面，美國(guó)加州目標(biāo)是到2035年，所有上市新車(chē)和客車(chē)必須實(shí)現(xiàn)零排放；英國(guó)從2030年起不再銷(xiāo)售汽油和柴油車(chē)，到2035年，只有100%零排放汽車(chē)才能上市銷(xiāo)售；中國(guó)則要求汽車(chē)制造商到2030年電動(dòng)汽車(chē)占總銷(xiāo)量的40%。
當(dāng)然，設(shè)立遠(yuǎn)景目標(biāo)的不只有國(guó)家和地區(qū)，汽車(chē)制造商也在宣布自己雄心勃勃的目標(biāo)。對(duì)于汽車(chē)制造來(lái)說(shuō)，電動(dòng)車(chē)采用電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源既是一項(xiàng)重大變革，也意味著需要一整套全新的動(dòng)能系統(tǒng)的引入。這套系統(tǒng)不會(huì)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(yùn)行，車(chē)身重量也能夠得到降低。這讓整個(gè)汽車(chē)制造業(yè)發(fā)生了動(dòng)蕩，也為許多跨界從業(yè)者帶來(lái)了入局機(jī)會(huì)。中國(guó)目前就有100 多家OEM正在開(kāi)發(fā)電動(dòng)和混動(dòng)汽車(chē)，例如比亞迪，以及理想、小鵬、蔚來(lái)等新秀，市場(chǎng)一片生機(jī)盎然的景象。
寬禁帶半導(dǎo)體VS. 傳統(tǒng)硅基MOSFET和IGBT
在實(shí)現(xiàn)高效能、節(jié)能降耗的過(guò)程中，電力科技一直都起著關(guān)鍵作用，而未來(lái)的重點(diǎn)方向之一就是新材料的運(yùn)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(lái)看，從發(fā)電側(cè)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)輸配電、儲(chǔ)電和變流，再到最終的用電側(cè)、即終端用戶，三大核心要點(diǎn)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(chǎng)帶來(lái)了更多優(yōu)勢(shì)。SiC和GaN擁有工作電壓高、開(kāi)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(diǎn)所決定，SiC和GaN能夠用于更高級(jí)別的電力科技應(yīng)用，這在過(guò)去用硅材料是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，它們能夠?qū)崿F(xiàn)更簡(jiǎn)單、高效的拓?fù)?，在能效提升、物料成本降低方面發(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(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，目前市場(chǎng)份額達(dá)到50%，在汽車(chē)領(lǐng)域占比甚至達(dá)到60%。
據(jù)ST汽車(chē)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(chē)的電動(dòng)化過(guò)程中，功率半導(dǎo)體越來(lái)越受重視。動(dòng)力總成市場(chǎng)方面，IGBT、硅基MOSFET、SiC MOSFET將在汽車(chē)市場(chǎng)共同驅(qū)動(dòng)發(fā)展。全新的電能技術(shù)在2020年僅占40%，但是2025年將超過(guò)50%，碳化硅占其中的1/4，相比2020年有巨大提升。在動(dòng)力電機(jī)逆變器應(yīng)用中，SiC MOSFET比IGBT更有優(yōu)勢(shì)，包括總芯片面積、開(kāi)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(gè)10 kHz 210 kW 的動(dòng)力電機(jī)逆變器為例，對(duì)比1200V SiC MOSFET和IGBT可以看出，SiC MOSFET有明顯的效率優(yōu)勢(shì)，而這些性能也會(huì)轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的行駛里程。
據(jù)了解，ST的SiC MOSFET產(chǎn)品兩大核心優(yōu)勢(shì)是：導(dǎo)通電阻 (Ron) x 裸片面積和 Ron x 柵極電荷 (Qg)，通過(guò)每次技術(shù)的迭代，都會(huì)得到大約20%-25%的改良幅度，這會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的性能提升和成本降低。
Edoardo Merli進(jìn)一步解釋說(shuō)，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(kāi)關(guān)性能。用普通硅技術(shù)改善 FoM 變得越來(lái)越困難，而SiC 技術(shù)是進(jìn)一步改進(jìn)FoM的關(guān)鍵。
隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)加速發(fā)展，許多整車(chē)廠商和配套供應(yīng)商都在采用 800V驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以加快充電速度，減輕電動(dòng)汽車(chē)重量。ST的新一代SiC 器件專(zhuān)門(mén)為這些應(yīng)用需求進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電機(jī)逆變器、車(chē)載充電機(jī)、DC/DC變換器和電子空調(diào)壓縮機(jī)。新一代產(chǎn)品還適合工業(yè)應(yīng)用，可提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)、可再生能源轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)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(qiáng)調(diào)，對(duì)于SiC這樣的新興技術(shù)來(lái)說(shuō)，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(guò)收購(gòu)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(kuò)展規(guī)模，進(jìn)一步整合生產(chǎn)鏈條，來(lái)提高制造能力。意大利卡塔尼亞作為布局的重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了翻倍，目前正準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)從6英寸到8英寸的改造。此外，還有在摩洛哥布斯庫(kù)拉和中國(guó)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)?；姆庋b服務(wù)。
半導(dǎo)體的規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(shuō)這是一個(gè)里程碑事件，標(biāo)志著產(chǎn)能的進(jìn)一步擴(kuò)大，降低了總擁有成本。隨著產(chǎn)量擴(kuò)大，提升規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，也將進(jìn)一步推進(jìn)發(fā)展應(yīng)用，有利于積累深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、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(jìn)。
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(jìn)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(gè)生產(chǎn)鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)，需要未來(lái)持續(xù)開(kāi)展更多工作來(lái)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(jì)劃在外延工廠引入自動(dòng)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(chǎng)需求。通過(guò)結(jié)合芯片和封裝兩個(gè)層面的不斷創(chuàng)新，ST預(yù)計(jì)SiC營(yíng)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(chē)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(huì)相對(duì)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(huì)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(kāi)關(guān)能效也比硅基晶體管高，從而可以取得非常低的開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)頻率更高意味著應(yīng)用電路可以采用尺寸更小的無(wú)源器件。所有這些優(yōu)點(diǎn)讓設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，與目前隨處常見(jiàn)的充電器相比，采用GaN 晶體管的PC機(jī)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(gè)攻堅(jiān)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(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的內(nèi)置電源，例如，充電器、PC機(jī)外部電源適配器、LED 照明驅(qū)動(dòng)器、電視機(jī)等家電；以及功率更高的電信電源、工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車(chē)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(xiàng)是G-Drive，整合于同樣的應(yīng)用中，目前已經(jīng)推向市場(chǎng)。
據(jù)了解，ST的100V~650V各類(lèi)GaN產(chǎn)品將會(huì)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(chē)市場(chǎng)進(jìn)行了推廣使用。據(jù)了解，目前已有超過(guò)100萬(wàn)輛汽車(chē)搭載了基于其SiC解決方案的動(dòng)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(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)，電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際上也是新概念。因此，仍在與電動(dòng)車(chē)企合作，研究SiC的缺陷、性能，以及在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的潛在可靠性問(wèn)題，然后尋找可靠性改進(jìn)方法。例如，ST已經(jīng)針對(duì)應(yīng)用特性制定了晶圓篩查或應(yīng)力測(cè)試方法，以及不合格產(chǎn)品的識(shí)別方法，然后將根據(jù)特定用例不斷改進(jìn)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(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升整個(gè)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(guò)這些舉措與技術(shù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的量產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。
他同時(shí)補(bǔ)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(jìn)行投入，以便應(yīng)對(duì)未來(lái)海量的、不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
ST還宣布了2027年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，屆時(shí)，將100%采購(gòu)可再生能源發(fā)電，通過(guò)合作計(jì)劃和合作伙伴關(guān)系等推進(jìn)在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
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