走进ST生产线，了解一颗SiC功率器件的诞生

来源：与非网

在功率元器件领域中，SiC作为新一代材料备受瞩目，与传统使用的Si相比，SiC元器件实现低导通电阻、高速开关、高温工作。且使用SiC元器件能让设备变得更小、功耗更低。因具备高耐压、高耐热性，使得之前不能使用的小空间和严酷环境下的安装成为可能。以汽车为例，应用于混合动力汽车、电动汽车，可大幅度降低油耗，扩大室内空间。用于太阳能发电时，功率损耗率能减少50%，有望为地球环境问题的缓解做出巨大贡献。这就使得这个新型材料器件非常适合于在电源、汽车、铁路、工业设备、家用消费电子设备等各个领域。尤其是今年来随着电动车等产业的发展要求，市场对SiC的需求大增。

据麦姆斯咨询分析，2018年全球有超过20家的汽车业者，在OBC中使用SiC肖特基二极管(Schottky Diodes)或SiC MOSFET；未来SiC功率半导体在OBC市场中有望以CAGR 44%的速度成长至2023年。麦姆斯也指出，未来将有愈来愈多的汽车制造商会在主逆变器中采用SiC功率半导体，特别是中国车商，近几年更是纷纷考虑使用SiC功率元件，因此，2017~2023年，SiC功率元件在主逆变器市场的CAGR，更可能高达108%。这就推动市场的爆发性进展。

面对这样的成长态势，SiC功率器件厂商正在积极布局。

ST公司总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery

“此前，电力设备被认为是智能基础设施和智能家居的推动者，但ST的管理团队已经意识到，能源管理将是宽禁带材料未来的关键驱动力，”近日，在ST一场关于SiC功率器件的发布会上，ST公司总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery向与非网记者表示，“在高压电力设备领域SiC功率器件将成为游戏规则改变者，ST作为这项技术的先驱，希望能快速取得领先地位，让市场占有率达到30%以上。”在他眼里，“ST一定要成为高压设备的领导者。”

Jean-Marc Chery于2018年5月就任ST新一任首席执行官，就内部人士介绍，Jean-Marc在帮助ST摆脱ST-E造成的巨额亏空阶段立下汗马功劳，在他的努力下，大概3年前ST终于扭亏为盈，进入了快速增长期，Jean-Marc也因此得到董事会的信任得以接任首席执行官。Jean-Marc提到，“去年管理层更换后，我们重新审视了ST的战略，决定将重点放在物联网和智能驾驶上，并决定在物联网和智能驾驶上增加对电源管理的投入。”

从这场发布会看来，显然，ST制定了一份野心勃勃的计划，以期控制电动汽车和其他高压应用的碳化硅电力市场。

要实现这一目标，SiC功率器件技术、产品和生产上的瓶颈就成为ST必需克服的难关。而众所周知，目前限制SiC功率器件产能的最关键因素是SiC晶圆的生产周期过长、产能受限。由于碳化硅需要在2000°C以上高温（硅晶仅需在1500°C），以及350MPa以上才能达成。若透过添加一些特殊的助烧剂，或者气体沉积的方式，则可使碳化硅烧成温度降到2000°C左右，且在常压就能进行。依据目前的硅晶圆产业的生产情况，一般而言，生产8寸的硅晶棒，需要约2天半的时间来拉晶，6寸的硅晶棒则需要约一天。接着，待晶棒冷却之后，再进行晶圆的切片和研磨。至于碳化硅晶圆，光长晶的时间，就约需要7至10天，而且生成的高度可能只有几寸而已（硅晶棒可达1至2米以上），再加上后续的加工制程也因为硬度的影响而相对困难，因此其产能十分有限，品质也不稳定。

SiC晶圆供应商方面，目前国际上仅有少数企业（Cree、Norstel、新日铁住金等）能提供稳定的产量，中国国内企业如天科合达、山东天岳等也已实现商品化。这就可以理解，近日ST的几个市场动作，包括意向收购Norstel AB 55%的股权，以及与Cree签订多年SiC晶圆供货协议，都旨在保持稳定的上游供货渠道，从而保证SiC功率器件的产能。

ST公司汽车和分立器件部门总裁Marco Monti

此次发布会所在的意大利西西里岛卡塔尼亚市，就坐落着ST最重要的SiC晶圆和芯片生产厂。ST公司汽车和分立器件部门总裁Marco Monti介绍，卡塔尼亚工厂自2003年以来开始生产碳化硅，从2英寸的晶圆开始，现在可处理6种由包括Cree在内的许多供应商生产的碳化硅晶圆。除了正在讨论收购的挪威Norstel的大部分股份，Marco也表示ST正推动供应商合作伙伴生产8英寸SiC晶圆，用于大批量生产。“这样做的目的是要满足多供应商原则，实现垂直整合，在内部保证SiC功率器件的产能目标。”

ST公司位于卡塔尼亚的工厂的生产路线图

ST公司SiC MOSFET产品路线图

而在Marco看来，除了晶圆产能的限制，SiC功率器件的生产过程也有很大难度，包括前道工序的衬底缺陷、衬底透明度、掺杂剂活化，以及后道工序的硅片减薄、镀金属、晶圆完成度等方面都需要精细的工艺技术支持。“ST是SiC工艺方面的专家，与供应商有良好的合作伙伴关系，同时保证研发和生产之间的紧密协作，这些都为我们成为SiC功率器件的领导者提供了保障。”

ST公司销售、市场、沟通和战略发展总裁Marco Cassis

ST公司销售、市场、沟通和战略发展总裁Marco Cassis从市场和应用的角度表示，根据iHS Markit的预测，SiC功率器件的市场容量将在2025年达到37亿美元以上，在汽车和工业市场上都将得到广泛应用，其中电动和混合动力汽车占比将接近70%，传统的IGBT正被SiC MOSFET取代，“ST目前在汽车市场是全球最大的SiC功率器件供应商，2018年营收超过1亿美元，预计2019年营收将超过2亿美元。”支持其作出这一乐观估计的是这样一组数据，“全球超过20家汽车制造商已经采用ST的产品，包括8家欧洲车企将在2019-2020年上量，与雷诺-日产-三菱联盟在多个SiC FET/二极管项目上开展合作，与现代起亚共同开发多个项目。”

SiC器件市场容量预测（来源iHS Markit）

而透过ST这场SiC功率器件的媒体沟通会，以及众多芯片厂商对SiC功率器件的竞逐，笔者看到的是汽车电子市场的竞争正日益白热化。一方面随着汽车的电动化，电源和功率器件在整车成本中的比重在不断增加，让芯片厂商把竞争焦点集中在此，另一方面，汽车级电源和功率器件对工艺、新材料等的高要求也让这块市场的门槛不断提高，芯片厂商之间也出现越来越明显的成本和资源对抗。

相信未来，围绕汽车电子，尤其电源和功率器件领域，芯片厂商之间的这场争夺战会越来越热闹。