布局碳化硅十八年 安森美如何改变芯片未来

2022年第一季度财报中，全球知名半导体厂商安森美（onsemi）再一次明确了亚洲市场（除日本外）的重要性。在芯片荒和俄乌战争的阴影下，亚洲地区对安森美全球市场的贡献依然过半，仅比2021年底降低了2个百分点。 

图片来源：安森美财报

“中国是安森美最核心的市场之一，贡献了近一半营业额。”电驱动云论坛上，安森美中国区汽车市场技术负责人，吴桐博士强调。

黑天鹅乱舞时，和客户必须靠得更近。这是业内的基本共识，安森美也不例外。缺货的大环境下，“深度合作，因需供给”是最新的供应趋势。实际上，安森美在韩国、马来西亚、中国的苏州和深圳都设了产线，其在亚太地区拥有完善的供应链体系已成既定事实。

在确保供应链安全的情况下，吴桐表示，安森美未来的工作重点将放在电动汽车和工业两个领域。以电动汽车为例，无论是主驱、充电、智能驾驶和车机娱乐系统，或是域控制器等新概念，都需要基于相应的半导体解决方案，这也是企业绝佳的增长点。

来源：安森美官网

缺芯潮根源 供不应求

要紧追增长点，首先需要分析大环境下的忧虑——缺芯潮。

从需求角度看，在拥抱电动化的大背景下，汽车行业也不例外。传统燃油车内半导体的使用比例普遍不高，但随着电动汽车和插电混动汽车的飞速普及，半导体在汽车电子方向上的占比有了大幅提升；

从成本上来衡量，先前一辆汽车所使用半导体器件的价值不超过50美元，现在或许有一千美元以上。

图片来源：安森美吴桐

随着新能源汽车的发展，整车采用半导体器件的数量成几何倍数增长，造成电动汽车市场的半导体需求总量呈现指数级飞跃。

从供应链的角度来看，半导体器件的投产周期长，扩产也需要额外增购设备。就半导体供应商而言，随着市场对生产设备需求的大幅增加，其向上级供应商订购的周期也在拉长：之前扩增一条产线只需几个月，现在可能要顺延至数年，这就造成了恶性循环。

这样来看，当前并没有短期方案可有效改善大环境下的缺芯潮。吴桐认为，为自救，半导体行业需要基于长期性的产能规划实现有序增容，采用智能化的投产方式以适应下游客户的需求。

安森美目前的扩产路径，是通过垂直整合产业链，前后端互通保证连贯性。通过技术自研和收购的方式，从6英寸向8英寸晶圆进行布局。

以安森美布局电驱动领域的碳化硅器件为例。

碳化硅（SiC）又称宽禁带半导体，相比元素半导体（比如硅），禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、抗辐射能力强、频率高。可用于高温、高频、抗辐射及大功率器件。

早在2004年， 名为TranSiC（之后被安森美收购）开始了对于SiC BJT转换器的研究；2016年，安森美以24亿美元现金完成对FairChild（仙童半导体）的收购，这促进了安森美全系列低中高压产线整合。同年，安森美推出第一款碳化硅产品：M1 1200V MOSFET。六年后，该产品的第四代也即将面世。

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2021年8月，安森美宣布和碳化硅生产商GT Advanced Technologies (GTAT) 达成最终收购协议，以4.15亿美元现金收购GTAT。

吴桐表示，碳化硅相比于硅的技术难点，在于从研磨和切割到晶柱成型的整个过程。而GTAT不仅拥有碳化硅产能，还有设备制造的能力，收购GTAT意味着安森美完成了对碳化硅产业链前端的整合。

预计收购GTAT后，安森美会着力推进8英寸晶圆市场化，大力扩展产线以补充产能。在碳化硅方面，2022-2023年的资本支出预计会占到其总收入的12%。

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高压化 电驱动发展未来方向

布局十八年，安森美为何看好碳化硅的发展前景？

吴桐表示，电驱动发展大方向是从400 V到800 V，系统发展趋势是用SiC MOSFET取代Si IGBT。

平台高压化，从需求讲是为解决里程焦虑，这是从电动车问世以来制约其市场需求的“老大难”问题，传统燃油车续航里程平均接近700公里，而电车续航超过700公里已属于佼佼者。

吴桐认为，目前流行的换电模式和平台高压化殊途同归，双方可实现相互加成。除此以外，从技术上讲，平台高压化还可以带来充电效率的提升：电压提高，同等功率下的电损耗低，效率提升，续航也会相应得到提升。

此外，800 V系统还可以带来新的技术和市场增长点。目前，400 V系统中IGBT的成本和性能都已经达到了较好的平衡，市面上还没有企业进行800 V系统的量产，新市场对技术的包容度更高，可以在性能上有所突破。

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平台的高压化必然带来元器件的更新。比如400 V下，Si IGBT的实际耐压需求接近600 V，当电压提升到800 V，元器件的实际耐压需求将达到1200 V，这要求适用于400 V的Si IGBT必须被有更高耐压值的元器件所替代，比如宽禁带半导体SiC。

碳化硅上车 路漫漫其修远兮

吴桐表示，“碳化硅的出现给了下游市场很大的空间去做提升，无论是从功率密度还是功率等级，甚至在开关频率等方面的可操控性也有了升级，其中EV（电动车）是碳化硅器件重点关注的行业。”

但是应该注意，从出现新的技术增长点，到规模化生产，再到同主流产品Si IGBT争夺装车量和市占率，每个阶段都要经历漫长的研发和产能规划过程。

从结果回溯，助力碳化硅上车。产业链前后端需要系统性的整合与升级，下游需求提供清晰的优化方向，上游供应配合实现性能的突破，上下游的信息交互是一个双向促进的过程。

在此之前，必须打通碳化硅供应链，实现生产规模与产品良率的同步提升，进而降低产品单价，打造市场优势，安森美的布局也是针对这一难点。

图片来源：安森美吴桐

目前，安森美和绝大多数看好碳化硅前景的半导体企业，均处于着手解决碳化硅器件在制造、切割、互连、封装等工艺技术痛点的阶段。

从制造工艺看，碳化硅作为化合物，晶圆提纯的工艺难度高于硅单质，生长的环境温度更高且容易产生杂质，且目前尚未达到规模化产出，相比于硅良率更低。

就切割过程而言，单质硅容易切薄，且硅柱很长，取优质部分可以切头去尾。然而碳化硅的硬度介于刚玉和金刚石之间，既硬且脆，在切薄的过程中需要先切厚再减薄。“比如说需要100的晶片，但我要切成200，然后再做减薄。”吴桐表示切割过程中会有许多浪费，目前工艺不成熟的情况下，产品利用率、性价比和可靠性都不高。

在半导体掺杂过程中，传统的硅基半导体掺杂工艺多样，较为成熟的有热扩散和离子注入技术，都可以改变晶体中载流子的种类和浓度，从而调节其电学特性。

但这两类方法并不适用于碳化硅，以热扩散为例，其原理在于加热使晶体产生大量热缺陷，加剧热运动，提高原子的扩散系数，而碳化硅中原子的扩散系数极低，且在注入的激活退火中，大部分注入后杂质的扩散小到可以忽略不计。

吴桐表示，目前碳化硅只有一种特殊的掺杂方法，但其产能低、效率相比离子注入更低，也会对良率造成影响。但他同时也强调，安森美从2004年就开始布局碳化硅，在工艺的成熟度上属于行业前列，这也是安森美争夺这一领域龙头地位的信心所在。

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碳化硅将如何改变模块封装

吴桐表示，模块设计在未来是走向塑封、小型和轻量级、大功率密度这几个方向。具体而言，碳化硅的参与可以从五个角度改变封装技术。

首先是可靠性测试，由于Si IGBT对于功率的要求不高，传统的六合一模块中可靠性是较大的短板，在对碳化硅器件封装可靠性的未来验证中，会着重分析功率循环和极温循环这两大测试。

图片来源：安森美吴桐

相较于Si材料，SiC材料的CTE系数更大，SiC芯片在边缘产生的热应力更大。随着使用时间的增加，在功率循环过程中芯片层会与下部焊料层产生分离的现象，甚至会造成焊料层出现空洞。这些空洞带来的直接后果就是热阻升高，器件的热传导能力下降，散热变差。

相比于传统焊接技术，银烧结技术的应用可以很好的解决上述问题。银烧结技术也被称为低温连接技术，是指采用微米和纳米级的银颗粒通过烧结工艺进行材料连接的技术，是大功率模块封装中的关键技术。

吴桐表示，这主要是因为银烧结属于纳米多孔的材料，吸收应力和导热的能力都很强，使用银烧结技术对器件可靠性的提升有一定帮助。

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与此同时，互连工艺也会发生改变。在相同的电流负载下，SiC MOSFET的面积是Si IGBT面积的一半。这一优势带来引线键合上的困难，随着SiC MOSFET的面积减小，单位电流密度增大，但单位面积上的键合丝数量是相对固定的，造成单根键合丝所承载电流量的增加。

从以下的模块测试图可以看出，高温点出现在键合点处。从切面图分析，模块的失效一方面是由于热阻提升，另一方面则是键合丝脱落。在极端情况下，还可能因为电流过大烧毁键合丝。

以上都会损伤器件的可靠性，在多次评估后，安森美提出用塑封模块代替灌胶模块，会将器件整体的可靠性提升到原有水平的四倍以上。

图片来源：安森美吴桐

为了优化电感，在模块的具体设计上也会有所改变。

相同电流等级下，Si IGBT芯片的面积相比SiC MOSFET更大，所以可键合位点更多，但寄生电感量最小化不仅仅是通过键合丝数量的增加就可以达到的，吴桐表示，键合丝、基板材质、芯片连接处等设计是优化电感的关键，比如采用DPC（电镀陶瓷基板）、激光焊、叠层设计等等。

最后是对封装材料的升级，保证器件在高温工况下的可靠运行。

为提高SiC MOSFET的电流输出能力，增强器件的性价比，可以将原本的最高结温150℃进一步提升到200℃，相当于在成本相同的情况下多输出100 A电流。功率器件逐步向高运行结温的转变，也是安森美提倡塑封的一大原因。

功率半导体行业内的共识是：限制器件通流能力的主要是器件的热设计。比方说，不同的散热能力下，器件传输电流的能力不一样。如果通流能力弱，为了传输同样的电流，需要并联多个器件，相比一个而言，成本有很大的劣势。

通过对器件封装的升级，从而提升其散热能力，即便封装成本会有一定程度的增加，但系统层级下的通流能力更强。整体来看，此方案的性价比还是很高，也能满足终端的需求。

图片来源：安森美官网

碳化硅会是下一个行业风口吗？它的到来和应用是否会加速高压化平台架构的建设？目前存在的诸多技术痛点又将如何解决？碳化硅上车之路漫漫，已布局近二十年的安森美能否成为行业龙头，引领技术的下一步突破？

新事物的发展总会带来诸多期待，但最终落点还是如吴桐所言：“用更好的技术服务这个市场。”

（以上内容来自安森美中国区汽车市场技术负责人吴桐博士在2022年6月24日由盖世汽车主办的2022中国汽车电驱动与关键技术云论坛发表的《碳化硅如何改变电动车的未来》主题演讲。）