国产SiC MOSFET起量,派恩杰上半年逆势供货超1.2kk!

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-08-07 10:26

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去年底派恩杰斩获新能源汽车龙头企业的数千万订单,在上半年缺货严重这样的极端态势下,派恩杰仍然供货了超1.2kk,其中大部分为大功率MOSFET芯片。国产车规SiC迎来爬坡上量的新阶段。


逆势出货1.2kk,国产SiC批量上车


凭借耐高压、耐高温、低损耗等优越性能,SiC正成为电动汽车的“香饽饽”。目前SiC芯片最大的市场是来自于OBC(车载充电器)、车载空调压缩机及主驱逆变器中,尤其是在EV主逆变器上的应用,新能源汽车为SiC功率元件市场带来高速增长。据TrendForce集邦咨询研究的数据显示,预估2022年车用SiC功率元件市场规模将达到10.7亿美元,至2026年将攀升至39.4亿美元。


来源:TrendForce


即使SiC的成本仍然居高不下,但由于电路系统的优化提升,最终却可以节省5%以上的能耗,使得综合成本更低。特别是在800V高压平台中,为满足大电流、高电压的需求,电机控制器的主驱逆变器将不可避免的由硅基IGBT替换为SiC MOSFET。在3月份的APEC 2022上英飞凌SiC业务副总裁Peter Friedrichs表示:“有些客户已经不想谈论硅了。”


随着新能源车渗透率不断提高,SiC迎来大规模上车时刻。特斯拉的Model 3和Model Y均已经全面升级为SiC的主驱逆变器。国内电动车品牌这几年飞速发展,在SiC的导入方面也较积极。例如,2022年3月28日蔚来汽车官方宣布在合肥完成了ET7车主交付仪式,该车型搭载新一代800V SiC平台,相比IGBT,电流提升30%,综合功率效率也得到了较大的提升;另一家国产电动车品牌小鹏汽车的G9系列基于800V高压SiC平台打造,这也是国内首款基于800V碳化硅平台的量产车。据悉,小鹏G9将在8月启动预订,9月正式迎来上市和用户交付。


据市场机构分析,今年全球电动车规模可到922.1万辆,年增长率达48%,全球新能源汽车的高速发展和需求量的激增,以及SiC的逐渐普及,也让各大SiC芯片供应商深谙稳定供货能力的重要性。


如同汽车其他类芯片缺货一样,由于SiC上游材料的短缺,据台媒中央社6月份的报道, SiC MOSFET供应持续吃紧,交期仍在42周以上,有的甚至更长。 SiC材料是坚硬易碎的非氧化物陶瓷材料,长晶时间长,加工制造过程困难,虽然部分厂商如ST、Cree、SiCrystal、Soitec已经推进到了8英寸,但8英寸的应用涉及到整个产业上下游的配合,而这之间的磨合又需要几年时间。因此目前主流的制程是6英寸,现在晶圆原材料的可靠性在稳步提升中,不过由于每片晶圆能制造的晶片数量有限,6英寸芯片的产能始终难以满足终端井喷式增长的需求。


纵观全球SiC市场格局,ST、英飞凌、Wolfspeed、罗姆、Onsemi以及三菱是全球前六大SiC芯片供应商,他们总共占据了80%的全球市场份额。国内具有SiC MOSFET研发和量产能力的企业少之又少,国产芯片上车且持续供货的企业更加稀缺,而派恩杰半导体则是这凤毛麟角中的一员。


成立于2018年的派恩杰,这几年一路过五关斩六将,2021年派恩杰成为国内第一家量产车规级SiC MOSFET的厂商,2021年底,派恩杰便宣布成功拿下新能源汽车龙头企业的数千万订单。而来到2022年年中,在全球市场缺芯的大环境下,国内更是“一芯难求”,在这样的背景下,上半年派恩杰逆势供货超1.2kk,成功导入整车厂和Tier 1厂商。国产SiC芯片不仅稳定安全上车,出货量还在逐步提高!这也从一定程度上解决了国产SiC MOSFET相对空白和缺货的窘境。


起底派恩杰供应链,探索其背后的SiC实力


为何派恩杰不仅能获得众多新能源巨头车企的认可,还实现了可靠供货,在巨头林立的SiC MOSFET市场中分得一杯羹呢?就让我们来分析下个中缘由。


故事要从派恩杰创始人黄兴博士在北卡州立大学的求学经历开始讲起,黄兴博士师从B. Jayant.Baliga 及 Alex Q. Huang,这两个教授可以说都为当今的电力电子领域做出了巨大贡献。其中, B. Jayant.Baliga 于1980年在美国GE通用电气公司发明了IGBT, 并且率先预言了SiC材料对功率器件领域的巨大影响,指出了替代IGBT的下一代器件必将是SiC MOSFET器件。而 Alex Q. Huang教授是超大功率场控发射极关断晶闸管(ETO)发明人,并且参加了中国第一批功率器件MOSFET、IGBT的开发, 他提出了一个功率器件半导体材料评估的品质因数HDFM指标,该研究于2004年发表于IEEE期刊,至今仍被应用。Alex Q. Huang曾经领导的美国北卡州立大学Power America项目团队还帮助如今世界最大的SiC代工厂X-Fab成功改造了他们的工厂,使其可以在硅产线上生产碳化硅。黄兴博士也参与了该硅线改造,这也为其如今的代工支撑埋下了种子。


2018年黄兴博士回国创立了派恩杰半导体,提前布局车规级别的SiC MOSFET。在国内供应链还尚未完全完善的情况下选择Fabless的运营模式,并利用专业的流片技术方案赢得了X-Fab的认可,成为X-Fab在亚洲的第一家客户。


同时,由于参与过X-Fab的改造,所以黄博士对于其机台工艺配置非常了解,短短两年就研发出一套适用于此代工厂的全新电路设计。派恩杰团队通过X-fab平台展现了强大的研发能力,从而在SiC产品的量产上也占据优势。据统计,从2018年起到2022年年中,派恩杰研发与生产总共流片SiC SBD 3.5kk只,SiC MOSFET 7kk只,总计逾万张六英寸SiC晶圆。


2019年4月,黄兴博士与X-Fab团队达成合作的现场


从技术和产品上来看, 派恩杰SiC MOSFET很重要的一个特点和优势是,其所选用的结构是平面栅结构,这是行业内应用最早、最广泛、最可靠的架构。 目前主流的SiC器件均使用该结构,而且未来几年平面栅将仍然是车用SiC MOSFET的主流。由于碳化硅材料不同于硅材料,光刻机在作业时可无限量缩小pitch,从而达到更好的HDFM效率。而硅基芯片由于无法实现这一点,只有挖沟槽来提高效率。所以,SiC MOSFET的技术路线并不一定会重复Si MOSFET的发展历史。基于平面栅结构,派恩杰已经发布了650V/1200V/1700V各个电压平台的SiC MOSFET(如下图所示),并对碳化硅MOSFET浪涌电流、短路能力、栅极可靠性等方面做了很多突破。


派恩杰产品发布时间轴一览


  • 在抗浪涌方面,派恩杰半导体采用自己搭建的10ms正弦半波浪涌极限测试平台和10us方波半波浪涌极限测试平台,对其1200V的SiC MOSFET P3M12080K3进行抽样测试10ms IFSM>120A, 10usIFSM>1100A。


10us浪涌极限测试平台


  • 虽然相较于Si IGBT,SiC MOSFET电流密度更高且栅极氧化层较薄,其短路能力要弱于Si IGBT,但其依然有一定的短路能力。下表是派恩杰半导体1200V/650V产品短路能力:


1200V/650V MOSFET器件短路耐量


  • 在栅极可靠性方面,派恩杰严格按照AEC-Q101标准进行,为了提高SiC MOSFET的栅极可靠性,还通过TDDB实验建立栅氧加速模型并建立筛选机制来消除潜在的失效可能性器件。


2021年派恩杰发布了一款全球Qgd x Rds(on)(HDFM开关品质因数)最小的MOSFET产品,HDFM数值越低说明器件的综合损耗更小,效率更高。理想情况下,在1200V,80mΩ应用的场景下,派恩杰MOSFET的HDFM 只有32.9,在一众SiC品牌中优势尽显,如C品牌Gen 3是38.7,S品牌是45.8,R品牌是49.8。整体而言,派恩杰的SiC产品具有业内领先的HDFM指标和较低的开关损耗,以及在高温下运行下有较高的效率和较小的体积。


图源:派恩杰


所以综合看下来, 派恩杰能在缺芯和缺产能的大环境下实现SiC MOSFET可靠稳定的供货,一方面得益于其过硬的专业技术,例如采用平面栅结构,保持技术的领先;再者,从一开始就落子在SiC市场最大的汽车应用领域;另外有全球最成熟的SiC代工厂X-Fab为其提供产能保障。富有远见的战略规划使派恩杰能在电动车SiC普及元年及时上车。


未来的努力重点和方向


在SiC芯片稳定上车之后,派恩杰也将目光放在了更高级别的SiC模块,SiC模块是行业内芯片玩家竞争的下一个致胜武器,如英飞凌这样的国际大厂都已用自家的芯片做模块产品,据英飞凌称,其SiC模块的充电模块功率可达60千瓦以上,而采用MOSFET/IGBT单管的设计还在15-30千瓦的水平。在这方面,国内也是相对空白的区域。接下来,派恩杰将利用车规级SiC芯片优势做好模块设计,为车企做好一站式服务。


如果放眼整个国内SiC产业链,我们仍存在一些薄弱的环节,如上游的原材料和代工领域。目前全球SiC原材料紧缺,缺芯潮还将愈演愈烈。派恩杰作为国内SiC产业中的佼佼者,派恩杰正与本土原材料厂商开展深度合作,积极采买国内第三代半导体原材料寄送至X-Fab对接验证。除此之外,派恩杰还正在携手中国市场的合作伙伴,以自身与国际大厂的先进合作经验,帮助本土供应链快速成长。


结语


得SiC者得天下,在SiC的国际角逐中,派恩杰以实打实的出货量率先挤进这个PK圈,并且小有所成。更深远来看,快速增长的SiC工业市场亦不容小觑,能在车企导入,那么自然也可以“降维”提供给工业级市场。未来国产SiC企业前景十足。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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