ST第三代碳化硅技術(shù)問世 瞄準(zhǔn)汽車與工業(yè)市場應(yīng)用

電源與能源管理對人類社會未來的永續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。意法半導(dǎo)體汽車和離散組件產(chǎn)品部（ADG）執(zhí)行副總裁暨功率晶體管事業(yè)部總經(jīng)理Edoardo MERLI說明，從圖二可以看到由于全球能源需求正在不斷成長，我們必須控制碳排放，并將氣溫上升控制在1.5度以下，減排對此非常重要，但要實現(xiàn)這些要有科技的支持，包括可再生能源的利用，ST對此也有制定一些具體的目標(biāo)。


 
圖二

圖三顯示的是一些關(guān)于如何利用電力科技實現(xiàn)各種節(jié)能目標(biāo)的具體數(shù)據(jù)，圖中是對全球電力消耗狀況的統(tǒng)計。僅就工業(yè)領(lǐng)域來說，如果能將電力利用效率提升1%，就能節(jié)省95.6億千瓦時（TWh）的能源。那么這意味著什么呢？舉個直觀的例子，這相當(dāng)于我們節(jié)省了15個核電站的發(fā)電量、減排3200萬噸二氧化碳，或者是數(shù)千桶的石油。


 
圖三

可以看到僅僅是工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄娏眯实奶嵘湍軌蛴腥绱梭@人的節(jié)能效果。永續(xù)發(fā)展一直是根植于我們企業(yè)文化的核心理念，ST早就宣布在2027年成為一家永續(xù)發(fā)展的企業(yè)，也就是在2027年實現(xiàn)企業(yè)的碳中和。


 
圖四

圖五顯示的是ST企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，剛才提到ST要在2027年實現(xiàn)碳中和，這也與2021巴黎協(xié)議確立的2025年將升溫控制在1.5度以下的目標(biāo)相符。ST非常希望，也在致力達(dá)成此一目標(biāo)，這將透過利用可再生能源來達(dá)標(biāo)。我們要在2027年降低電力消耗，目前我們正在積極參與和投身一系列相關(guān)項目和合作計劃，進(jìn)而達(dá)成此目標(biāo)。

 
圖五

以上是向大家介紹一些背景信息，下面來看ST的優(yōu)勢（如圖六）。ST擁有多項新能源科技，比如寬能隙技術(shù)已經(jīng)催生出一系列相關(guān)應(yīng)用，幫助我們達(dá)成之前提到的目標(biāo)。剛才也提到，功率技術(shù)對達(dá)到高效應(yīng)用與節(jié)能降耗扮演著關(guān)鍵作用，其中的重點就是碳化硅和氮化鎵這兩種新材料，如圖所示，它們相較普通硅材料具備更好的效能。寬能隙半導(dǎo)體擁有運作電壓高、開關(guān)速度快、運作溫度高、導(dǎo)通電阻低、產(chǎn)生熱量少、耗散功率低、效能高這些優(yōu)勢，節(jié)能效果非常出色。由于兩種技術(shù)各有不同特點，各自的應(yīng)用情境也有所不同。


 

圖六

透過圖七，大家應(yīng)該會對碳化硅與氮化鎵各自對應(yīng)的應(yīng)用需求有一個更加清晰的概念，主要是功率利用和開關(guān)頻率。可以看到碳化硅與氮化鎵導(dǎo)體能夠滿足的需求略有不同，簡單來說就是帶來更強(qiáng)的功率。碳化硅能夠提升開關(guān)頻率，而氮化鎵消耗的電能更少。這項技術(shù)與現(xiàn)有的硅科技能夠形成互補，不過功能上也有些許重迭，今后將會不斷優(yōu)化和完善。剛才講到碳化硅與氮化鎵催生了一系列新的應(yīng)用，也帶來了一些新的限制，這些都需要我們加深了解并突破。



 
圖七

接著來看整條電力轉(zhuǎn)換鏈（圖八），從發(fā)電側(cè)開始，經(jīng)過輸配電、儲電和變流，再到最終的用電側(cè)也就是終端使用者。毫無疑問，以碳化硅和氮化鎵為主的全新電力技術(shù)能夠在整條電力轉(zhuǎn)換鏈的各個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，做出卓有成效的貢獻(xiàn)。


 
圖八

圖九顯示的是兩種材料的屬性，這些材料能夠用于更高級別的功率技術(shù)應(yīng)用，這些技術(shù)用過去的硅材料是無法實現(xiàn)的，當(dāng)然也能夠透過全新的拓?fù)鋷眢@人的功率利用效率，這些都會形成終端應(yīng)用的優(yōu)勢。


 

圖九

圖十是對碳化硅應(yīng)用優(yōu)勢的重點摘要，涵蓋領(lǐng)域包括汽車制造、工業(yè)應(yīng)用等，許多優(yōu)勢對終端使用者都是顯而易見的。


以電動汽車制造為例，碳化硅可用于制造牽引逆變器、充電樁、DC-DC轉(zhuǎn)換器等配套設(shè)備，這些能夠帶來更長的行駛里程、車輛自重的減輕，這些都是使用者在使用過程中可以直觀感受到的。除此之外當(dāng)然還有性能更強(qiáng)的電動汽車充電站，碳化硅能夠加快充電速度，縮短充電時間，進(jìn)而促進(jìn)電動汽車的推廣和普及。


 
圖十

碳化硅的工業(yè)應(yīng)用還包括提升服務(wù)器和數(shù)據(jù)云端內(nèi)存的供電效率，最終降低使用者整體成本，此外還可應(yīng)用于自動化的工業(yè)驅(qū)動馬達(dá)制造，碳化硅能夠讓設(shè)備體積、尺寸和重量減小，最終同樣會降低使用者整體成本，而在可再生能源、太陽能電站、風(fēng)車和服務(wù)器供電站等領(lǐng)域也有同樣作用?？梢哉f碳化硅在工業(yè)和汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用擁有以上三大優(yōu)勢，但它的應(yīng)用情境并不僅限于此。

圖十一可以看到碳化硅正在逐步獲得采用，雖然還未進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段，但我們已經(jīng)與許多企業(yè)展開合作，也就是說ST正在對基于碳化硅的應(yīng)用展開系統(tǒng)性的研究、引進(jìn)和建模。碳化硅多數(shù)應(yīng)用于短距飛機(jī)逆變器的制造，因為這類飛行器屬于無人機(jī)和飛機(jī)的混合體，但這種材料也被應(yīng)用于長距飛機(jī)的制造。因此碳化硅不僅在汽車制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，航空領(lǐng)域也是如此。



 
圖十一

我們再來看汽車制造領(lǐng)域（圖十二），電動車采用馬達(dá)作為動力來源可以說是一項重大變革，也是一整套全新的動能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)不會產(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行，車身重量也減少了。而且制造電動車相較內(nèi)燃機(jī)車更加簡易，這讓整個汽車制造業(yè)發(fā)生了動蕩，也為許多跨界從業(yè)者帶來了進(jìn)入市場機(jī)會。


 
圖十二

圖十三顯示的是一系列的長期目標(biāo)，許多國家和地區(qū)都在引進(jìn)電動車，或者聲稱自己將會引進(jìn)，但具體的計劃略有不同。美國計劃2030年電動車市占率達(dá)到50%，歐洲37.5%，中國更有野心一些。目前中國電動車市場已經(jīng)是世界第一，因此將目標(biāo)定在2025年。

 
圖十三

歐洲和美國的境況略有不同，因此目標(biāo)也不一樣，比如加州和英國設(shè)立的目標(biāo)。當(dāng)然，設(shè)立電動車長期目標(biāo)不只有國家，汽車制造商也宣布自己雄心勃勃的目標(biāo)，并不遺余力地去實現(xiàn)。這些廠商包括通用汽車、富豪、吉利等，中國還有許多早就在此領(lǐng)域布局的廠商，比如比亞迪，以及理想、小鵬、蔚來這些市場新秀，市場一片生機(jī)盎然的景象。

圖十四顯示的是組成電動車最重要的運行系統(tǒng)，包括各種類別電動車、新能源車、新動能車的二氧化碳減排等級。48瓦的低電耗是這些車輛零排放的主要原因，節(jié)能幅度大約可達(dá)15%～20%。整套架構(gòu)下還有一些大型汽車制造商正在采用的技術(shù)，但目前仍然受到來自產(chǎn)業(yè)本身或多或少的限制。



 
圖十四

圖十五是動力總成（TAM），透過這張圖能夠了解節(jié)能技術(shù)的重要性，特別是半導(dǎo)體技術(shù)，包括這項技術(shù)正在發(fā)生的變化，這些新材料在未來幾年將發(fā)揮重要作用。全新的功率技術(shù)2020年僅占市場40%，但到2025年就會超過50%，其中碳化硅的比重更是高達(dá)這50%的1/4，相較2020年已經(jīng)有了大幅的提升。我們在碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域一直沖鋒前陣，包括ST的美國合作伙伴。我們2017年就已大規(guī)模量產(chǎn)，雙方合作非常順暢，規(guī)模亦是不斷擴(kuò)大。



 
圖十五

再向大家介紹一下碳化硅逆變器相比IGBT逆變器的優(yōu)勢（圖十六），包括總芯片面積、開關(guān)損耗、總損耗和接面溫度，更妥善的溫度管理、充電速度的明顯提升等等。

再看右邊的圖表，以ST的解決方案為主要參數(shù)作為參考。這是一個210千瓦的牽引逆變器，供電為10kHz和1200SiC MOSFET，與IGBT解決方案進(jìn)行比較。可以看到碳化硅相較IGBT所獲得的優(yōu)勢，特別是在最常見的應(yīng)用領(lǐng)域，正如圖中灰色區(qū)域顯示的低負(fù)載僅90%，因此在效率上有明顯的優(yōu)勢，這些性能也會轉(zhuǎn)化為更長的行駛里程。



 
圖十六

圖十七是ST自有技術(shù)和產(chǎn)品，目前已經(jīng)擁有第三代碳化硅技術(shù)，大部分已經(jīng)處于生產(chǎn)階段。對這項技術(shù)的研究最早可追溯到25年前，而這項技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三代，而且已經(jīng)量產(chǎn)，下面會向大家說明這些技術(shù)在每一代的改良與進(jìn)展。



 
圖十七

我們想在這里強(qiáng)調(diào)的是，每當(dāng)ST邁向下一個技術(shù)時，都會進(jìn)一步改良主要的優(yōu)勢，然后擴(kuò)大技術(shù)的應(yīng)用范圍，并針對某些特定應(yīng)用情境展開客制化設(shè)計。大家可以看到我們的產(chǎn)品家族成員已經(jīng)非常多元，不斷有新的功率技術(shù)誕生。除了650-1200V的第三代技術(shù)，我們還有高達(dá)2200V的高功率產(chǎn)品。

圖十八是ST最新相關(guān)新聞稿，包括一些創(chuàng)新成果和新推出的技術(shù)，此外非常重要的還有我們可靠的生產(chǎn)制造發(fā)展策略，這是支撐龐大生產(chǎn)的關(guān)鍵。



 
圖十八

圖十九是ST的兩大產(chǎn)品優(yōu)點：RDS(on) x 芯片面積和RDS (on) x Qg，可以看到每次技術(shù)升級的過程中這一優(yōu)勢都會得到優(yōu)化，優(yōu)化幅度大約20%-25%，這會大幅提升性能和大幅降低成本。



 
圖十九

圖二十是ST在碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域的市場地位的重點摘要，擁有著相當(dāng)高的市占率，去年的市占率已達(dá)50%，汽車領(lǐng)域甚至達(dá)到60%。ST的執(zhí)行長 Jean-Marc Chery曾經(jīng)說過，ST的目標(biāo)是2024年在碳化硅領(lǐng)域達(dá)10億美元的年營收，包括晶體管、二極管和功率模塊。我們希望與各行各業(yè)進(jìn)行合作，包括所有汽車制造和工業(yè)界的一線OEM廠商，目前已有超過90個項目正在與這些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)共同合作。


 
圖二十

剛才提到ST已經(jīng)推出第三代碳化硅技術(shù)，第四代技術(shù)也將推入市場，預(yù)計今年年底就會獲得資格并上市。當(dāng)然，我們致力于研發(fā)的不只是碳化硅技術(shù)，也有深度參與許多其它晶圓的研發(fā)。為了充分發(fā)掘和發(fā)揮碳化硅、氮化鎵的性能優(yōu)勢，我們同樣需要探索許多類型的前沿理念和技術(shù)。圖中展示的就是一些例子，包括混合組件和大型組件。圖中展示碳化硅技術(shù)在各種應(yīng)用情境中的優(yōu)勢，包括損耗降低、頻率提升、成本降低、尺寸、重量和體積的減小。


圖二十一說明ST圍繞碳化硅這些新興技術(shù)發(fā)展策略的其它要點，剛才講過這一市場正處于蓬勃發(fā)展階段，各位也看到了這項技術(shù)的優(yōu)勢和豐富的應(yīng)用情境，這也能夠解釋市場需求正迅速增加。

對于碳化硅這樣的新興技術(shù)來說，掌控甚至擁有自己的一整套產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)欠浅Ｖ匾?，ST也做了很多操作。目前我們已經(jīng)透過收購Norstel AB（已更名為ST SiC AB）完成建立生產(chǎn)線。我們亦有制造碳化硅基材并設(shè)立多家工廠，不斷擴(kuò)充規(guī)模，進(jìn)一步整合生產(chǎn)鏈，以進(jìn)一步提升制造能力。意大利卡塔尼亞作為我們的重點基地之一也讓我們的生產(chǎn)能力獲得大幅度提升，我們在新加坡的生產(chǎn)線規(guī)模更是翻倍，目前我們正準(zhǔn)備將生產(chǎn)線從6吋改造為8吋。我們還有在摩洛哥布斯庫拉和中國深圳的基地作為后段工廠。深圳是我們進(jìn)行相關(guān)封裝的主要工廠，為領(lǐng)先的企業(yè)提供規(guī)模化的封裝。


 
圖二十一

我們的碳化硅產(chǎn)能到2024年將比2017年提升10倍，而從2024年到2027年規(guī)模也將進(jìn)一步擴(kuò)充，發(fā)展空間巨大，我們建立這些大型工廠的目的就是滿足市場的需求、支持ST自己的發(fā)展。

剛才講過碳化硅技術(shù)目前仍然處于雛形階段，因此仍然有許多領(lǐng)域需要我們進(jìn)一步探索和改良（圖二十二）。首先是晶圓原材料的高成本，目前我們已經(jīng)在與許多合作伙伴開展技術(shù)研發(fā)試圖解決這一問題。其次是外延成本，我們也在努力透過質(zhì)量改善解決，但這涉及到整個生產(chǎn)鏈的各個環(huán)節(jié)，因此需要未來開展更多的運作。

可以說這也是我們將外延層納入自身整個產(chǎn)業(yè)鏈的原因之一，不只是為了控制成本和產(chǎn)量，也是為了提升產(chǎn)品質(zhì)量。剛才提到ST已經(jīng)進(jìn)行8吋生產(chǎn)線的升級，我們的第一批8吋原型也已經(jīng)誕生于ST SiC AB。目前我們打算在外延工廠導(dǎo)入自動化技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)流程，進(jìn)而提升自身生產(chǎn)制造的彈性以滿足市場需求。



 
圖二十二

當(dāng)然，我們在碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域取得的成功并非從天而降，二十五年前我們就在研究這項技術(shù)（圖二十三），充分利用卡塔尼亞的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，并與意大利國家科研委員會、卡塔尼亞大學(xué)共同研究這個新材料，透過對這項技術(shù)本身，生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)備的一系列改良，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，最終獲得了今天的成果。


 
圖二十三

接著介紹PowerGaN這項技術(shù)（圖二十四），之前大家已經(jīng)看到氮化鎵與碳化硅以及其它硅材料的比較，包括在功率需求、開關(guān)頻率層面的性能，今天我們已經(jīng)完成了原型開發(fā)。實際上我們對這項技術(shù)共有兩個發(fā)展方向：一個叫做D-MODE，其應(yīng)用于G-FET、Gascode這了變流器，另一個是整合于同樣應(yīng)用中的G-DRIVE，目前已經(jīng)進(jìn)入市場。我們G-HEMT變流器，功率為650V，可以滿足大部分市場需求，100V產(chǎn)品也會催生一系列應(yīng)用。



 
圖二十四

下面是關(guān)于ST碳化硅技術(shù)的最新新聞稿（圖二十五），最近我們也已推出PowerGan解決方案，大部分是針對消費性產(chǎn)品的解決方案。


 
圖二十五

圖二十六可以看到這些技術(shù)的具體應(yīng)用情境，包括ST將碳化硅、氮化鎵與傳統(tǒng)硅材料解決方案進(jìn)行比較后的優(yōu)勢?？梢钥吹竭@種材料大小只有過去材料的1/4，重量只有1/3，功率提升50%，功率損耗降低20%。我們也對這些技術(shù)進(jìn)行整合，催生一系列新的應(yīng)用，包括針對終端消費者推出的各種應(yīng)用組合。大家可以看到在此過程中我們技術(shù)的進(jìn)化，多元的應(yīng)用正在被導(dǎo)入市場。



 
圖二十六

圖二十七有一個應(yīng)用列表，透過不同的顏色來做更詳細(xì)的分類。大家應(yīng)該還記得之前的產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖，其中包括不同種類的解決方案和應(yīng)用情境。氮化鎵在汽車領(lǐng)域也在獲得越來越多重視，包括在車輛充電系統(tǒng)的應(yīng)用。我們也有提供基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換器，雖然并未整合到整個系統(tǒng)。


 
圖二十七

圖二十八呈現(xiàn)的是ST產(chǎn)品策略的核心：我們在此領(lǐng)域也有開展一些并購，包括法國創(chuàng)新型企業(yè)EXAGAN，其中G-FET、G-Drive和D-Mode這些產(chǎn)品就是源于這間公司。我們也與臺積電合作，進(jìn)而讓我們提前推出許多內(nèi)測科技產(chǎn)品，透過臺積電快速地推入市場。我們的最終目標(biāo)是完善我們的內(nèi)測技術(shù)，最終服務(wù)于我們清晰明確的產(chǎn)品策略。

目前我們針對氮化鎵產(chǎn)品已經(jīng)有完整的規(guī)劃，100V到650V各類產(chǎn)品將會陸續(xù)推出，這些都會透過ST 8吋工廠生產(chǎn)。我們在卡塔尼亞也有一條GaN-on-Si RF生產(chǎn)線用于生產(chǎn)氮化鎵產(chǎn)品，大部分都是針對5G和6G基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。



 
圖二十八

毫無疑問，功率技術(shù)是ST的核心所在，甚至能夠影響人類社會的未來。除了傳統(tǒng)的IGBT、MOSFET技術(shù)，我們將更多的全新科技推入市場，因為這些科技讓我們和使用者獲得更高的能源利用效率，進(jìn)而減少能源流失，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。汽車和工業(yè)已成為碳化硅的首要應(yīng)用領(lǐng)域，我們也已進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段。我們目前處在這一市場的領(lǐng)導(dǎo)者地位，正在引領(lǐng)碳化硅的應(yīng)用。我們也在持續(xù)不斷地在新興科技和生產(chǎn)線改良，以因應(yīng)對未來巨量、不斷成長的市場需求。氮化鎵在市場上大規(guī)模普及可能會再晚一些，因為要等到技術(shù)成熟，但碳化硅已有非常廣泛的應(yīng)用范圍。我們已在碳化硅市場獲得領(lǐng)導(dǎo)地位，未來也會朝著這一方向不斷探索。



 
圖二十九