ST第三代碳化硅技术问世 瞄准汽车与工业市场应用

电源与能源管理对人类社会未来的永续发展至关重要。意法半导体汽车和离散组件产品部（ADG）执行副总裁暨功率晶体管事业部总经理Edoardo MERLI说明，从图二可以看到由于全球能源需求正在不断成长，我们必须控制碳排放，并将气温上升控制在1.5度以下，减排对此非常重要，但要实现这些要有科技的支持，包括可再生能源的利用，ST对此也有制定一些具体的目标。


 
图二

图三显示的是一些关于如何利用电力科技实现各种节能目标的具体数据，图中是对全球电力消耗状况的统计。仅就工业领域来说，如果能将电力利用效率提升1%，就能节省95.6亿千瓦时（TWh）的能源。那么这意味着什么呢？举个直观的例子，这相当于我们节省了15个核电站的发电量、减排3200万吨二氧化碳，或者是数千桶的石油。


 
图三

可以看到仅仅是工业领域对电力利用效率的提升就能够有如此惊人的节能效果。永续发展一直是根植于我们企业文化的核心理念，ST早就宣布在2027年成为一家永续发展的企业，也就是在2027年实现企业的碳中和。


 
图四

图五显示的是ST企业的发展目标，刚才提到ST要在2027年实现碳中和，这也与2021巴黎协议确立的2025年将升温控制在1.5度以下的目标相符。ST非常希望，也在致力达成此一目标，这将透过利用可再生能源来达标。我们要在2027年降低电力消耗，目前我们正在积极参与和投身一系列相关项目和合作计划，进而达成此目标。

 
图五

以上是向大家介绍一些背景信息，下面来看ST的优势（如图六）。ST拥有多项新能源科技，比如宽能隙技术已经催生出一系列相关应用，帮助我们达成之前提到的目标。刚才也提到，功率技术对达到高效应用与节能降耗扮演着关键作用，其中的重点就是碳化硅和氮化镓这两种新材料，如图所示，它们相较普通硅材料具备更好的效能。宽能隙半导体拥有运作电压高、开关速度快、运作温度高、导通电阻低、产生热量少、耗散功率低、效能高这些优势，节能效果非常出色。由于两种技术各有不同特点，各自的应用情境也有所不同。


 

图六

透过图七，大家应该会对碳化硅与氮化镓各自对应的应用需求有一个更加清晰的概念，主要是功率利用和开关频率。可以看到碳化硅与氮化镓导体能够满足的需求略有不同，简单来说就是带来更强的功率。碳化硅能够提升开关频率，而氮化镓消耗的电能更少。这项技术与现有的硅科技能够形成互补，不过功能上也有些许重迭，今后将会不断优化和完善。刚才讲到碳化硅与氮化镓催生了一系列新的应用，也带来了一些新的限制，这些都需要我们加深了解并突破。



 
图七

接着来看整条电力转换链（图八），从发电侧开始，经过输配电、储电和变流，再到最终的用电侧也就是终端使用者。毫无疑问，以碳化硅和氮化镓为主的全新电力技术能够在整条电力转换链的各个环节发挥作用，做出卓有成效的贡献。


 
图八

图九显示的是两种材料的属性，这些材料能够用于更高级别的功率技术应用，这些技术用过去的硅材料是无法实现的，当然也能够透过全新的拓扑带来惊人的功率利用效率，这些都会形成终端应用的优势。


 

图九

图十是对碳化硅应用优势的重点摘要，涵盖领域包括汽车制造、工业应用等，许多优势对终端使用者都是显而易见的。


以电动汽车制造为例，碳化硅可用于制造牵引逆变器、充电桩、DC-DC转换器等配套设备，这些能够带来更长的行驶里程、车辆自重的减轻，这些都是使用者在使用过程中可以直观感受到的。除此之外当然还有性能更强的电动汽车充电站，碳化硅能够加快充电速度，缩短充电时间，进而促进电动汽车的推广和普及。


 
图十

碳化硅的工业应用还包括提升服务器和数据云端内存的供电效率，最终降低使用者整体成本，此外还可应用于自动化的工业驱动马达制造，碳化硅能够让设备体积、尺寸和重量减小，最终同样会降低使用者整体成本，而在可再生能源、太阳能电站、风车和服务器供电站等领域也有同样作用。可以说碳化硅在工业和汽车制造领域的应用拥有以上三大优势，但它的应用情境并不仅限于此。

图十一可以看到碳化硅正在逐步获得采用，虽然还未进入大规模量产阶段，但我们已经与许多企业展开合作，也就是说ST正在对基于碳化硅的应用展开系统性的研究、引进和建模。碳化硅多数应用于短距飞机逆变器的制造，因为这类飞行器属于无人机和飞机的混合体，但这种材料也被应用于长距飞机的制造。因此碳化硅不仅在汽车制造领域广泛应用，航空领域也是如此。



 
图十一

我们再来看汽车制造领域（图十二），电动车采用马达作为动力来源可以说是一项重大变革，也是一整套全新的动能系统。这套系统不会产生二氧化碳排放，有着更高的功率，能够在更低的气温下运行，车身重量也减少了。而且制造电动车相较内燃机车更加简易，这让整个汽车制造业发生了动荡，也为许多跨界从业者带来了进入市场机会。


 
图十二

图十三显示的是一系列的长期目标，许多国家和地区都在引进电动车，或者声称自己将会引进，但具体的计划略有不同。美国计划2030年电动车市占率达到50%，欧洲37.5%，中国更有野心一些。目前中国电动车市场已经是世界第一，因此将目标定在2025年。

 
图十三

欧洲和美国的境况略有不同，因此目标也不一样，比如加州和英国设立的目标。当然，设立电动车长期目标不只有国家，汽车制造商也宣布自己雄心勃勃的目标，并不遗余力地去实现。这些厂商包括通用汽车、富豪、吉利等，中国还有许多早就在此领域布局的厂商，比如比亚迪，以及理想、小鹏、蔚来这些市场新秀，市场一片生机盎然的景象。

图十四显示的是组成电动车最重要的运行系统，包括各种类别电动车、新能源车、新动能车的二氧化碳减排等级。48瓦的低电耗是这些车辆零排放的主要原因，节能幅度大约可达15%～20%。整套架构下还有一些大型汽车制造商正在采用的技术，但目前仍然受到来自产业本身或多或少的限制。



 
图十四

图十五是动力总成（TAM），透过这张图能够了解节能技术的重要性，特别是半导体技术，包括这项技术正在发生的变化，这些新材料在未来几年将发挥重要作用。全新的功率技术2020年仅占市场40%，但到2025年就会超过50%，其中碳化硅的比重更是高达这50%的1/4，相较2020年已经有了大幅的提升。我们在碳化硅应用领域一直冲锋前阵，包括ST的美国合作伙伴。我们2017年就已大规模量产，双方合作非常顺畅，规模亦是不断扩大。



 
图十五

再向大家介绍一下碳化硅逆变器相比IGBT逆变器的优势（图十六），包括总芯片面积、开关损耗、总损耗和接面温度，更妥善的温度管理、充电速度的明显提升等等。

再看右边的图表，以ST的解决方案为主要参数作为参考。这是一个210千瓦的牵引逆变器，供电为10kHz和1200SiC MOSFET，与IGBT解决方案进行比较。可以看到碳化硅相较IGBT所获得的优势，特别是在最常见的应用领域，正如图中灰色区域显示的低负载仅90%，因此在效率上有明显的优势，这些性能也会转化为更长的行驶里程。



 
图十六

图十七是ST自有技术和产品，目前已经拥有第三代碳化硅技术，大部分已经处于生产阶段。对这项技术的研究最早可追溯到25年前，而这项技术现在已经发展到了第三代，而且已经量产，下面会向大家说明这些技术在每一代的改良与进展。



 
图十七

我们想在这里强调的是，每当ST迈向下一个技术时，都会进一步改良主要的优势，然后扩大技术的应用范围，并针对某些特定应用情境展开客制化设计。大家可以看到我们的产品家族成员已经非常多元，不断有新的功率技术诞生。除了650-1200V的第三代技术，我们还有高达2200V的高功率产品。

图十八是ST最新相关新闻稿，包括一些创新成果和新推出的技术，此外非常重要的还有我们可靠的生产制造发展策略，这是支撑庞大生产的关键。



 
图十八

图十九是ST的两大产品优点：RDS(on) x 芯片面积和RDS (on) x Qg，可以看到每次技术升级的过程中这一优势都会得到优化，优化幅度大约20%-25%，这会大幅提升性能和大幅降低成本。



 
图十九

图二十是ST在碳化硅应用领域的市场地位的重点摘要，拥有着相当高的市占率，去年的市占率已达50%，汽车领域甚至达到60%。ST的执行长 Jean-Marc Chery曾经说过，ST的目标是2024年在碳化硅领域达10亿美元的年营收，包括晶体管、二极管和功率模块。我们希望与各行各业进行合作，包括所有汽车制造和工业界的一线OEM厂商，目前已有超过90个项目正在与这些产业领导企业共同合作。


 
图二十

刚才提到ST已经推出第三代碳化硅技术，第四代技术也将推入市场，预计今年年底就会获得资格并上市。当然，我们致力于研发的不只是碳化硅技术，也有深度参与许多其它晶圆的研发。为了充分发掘和发挥碳化硅、氮化镓的性能优势，我们同样需要探索许多类型的前沿理念和技术。图中展示的就是一些例子，包括混合组件和大型组件。图中展示碳化硅技术在各种应用情境中的优势，包括损耗降低、频率提升、成本降低、尺寸、重量和体积的减小。


图二十一说明ST围绕碳化硅这些新兴技术发展策略的其它要点，刚才讲过这一市场正处于蓬勃发展阶段，各位也看到了这项技术的优势和丰富的应用情境，这也能够解释市场需求正迅速增加。

对于碳化硅这样的新兴技术来说，掌控甚至拥有自己的一整套产业链是非常重要的，ST也做了很多操作。目前我们已经透过收购Norstel AB（已更名为ST SiC AB）完成建立生产线。我们亦有制造碳化硅基材并设立多家工厂，不断扩充规模，进一步整合生产链，以进一步提升制造能力。意大利卡塔尼亚作为我们的重点基地之一也让我们的生产能力获得大幅度提升，我们在新加坡的生产线规模更是翻倍，目前我们正准备将生产线从6吋改造为8吋。我们还有在摩洛哥布斯库拉和中国深圳的基地作为后段工厂。深圳是我们进行相关封装的主要工厂，为领先的企业提供规模化的封装。


 
图二十一

我们的碳化硅产能到2024年将比2017年提升10倍，而从2024年到2027年规模也将进一步扩充，发展空间巨大，我们建立这些大型工厂的目的就是满足市场的需求、支持ST自己的发展。

刚才讲过碳化硅技术目前仍然处于雏形阶段，因此仍然有许多领域需要我们进一步探索和改良（图二十二）。首先是晶圆原材料的高成本，目前我们已经在与许多合作伙伴开展技术研发试图解决这一问题。其次是外延成本，我们也在努力透过质量改善解决，但这涉及到整个生产链的各个环节，因此需要未来开展更多的运作。

可以说这也是我们将外延层纳入自身整个产业链的原因之一，不只是为了控制成本和产量，也是为了提升产品质量。刚才提到ST已经进行8吋生产线的升级，我们的第一批8吋原型也已经诞生于ST SiC AB。目前我们打算在外延工厂导入自动化技术优化生产流程，进而提升自身生产制造的弹性以满足市场需求。



 
图二十二

当然，我们在碳化硅应用领域取得的成功并非从天而降，二十五年前我们就在研究这项技术（图二十三），充分利用卡塔尼亚的技术生态系统，并与意大利国家科研委员会、卡塔尼亚大学共同研究这个新材料，透过对这项技术本身，生产流程、生产设备的一系列改良，不断提升产品质量和可靠性，最终获得了今天的成果。


 
图二十三

接着介绍PowerGaN这项技术（图二十四），之前大家已经看到氮化镓与碳化硅以及其它硅材料的比较，包括在功率需求、开关频率层面的性能，今天我们已经完成了原型开发。实际上我们对这项技术共有两个发展方向：一个叫做D-MODE，其应用于G-FET、Gascode这了变流器，另一个是整合于同样应用中的G-DRIVE，目前已经进入市场。我们G-HEMT变流器，功率为650V，可以满足大部分市场需求，100V产品也会催生一系列应用。



 
图二十四

下面是关于ST碳化硅技术的最新新闻稿（图二十五），最近我们也已推出PowerGan解决方案，大部分是针对消费性产品的解决方案。


 
图二十五

图二十六可以看到这些技术的具体应用情境，包括ST将碳化硅、氮化镓与传统硅材料解决方案进行比较后的优势。可以看到这种材料大小只有过去材料的1/4，重量只有1/3，功率提升50%，功率损耗降低20%。我们也对这些技术进行整合，催生一系列新的应用，包括针对终端消费者推出的各种应用组合。大家可以看到在此过程中我们技术的进化，多元的应用正在被导入市场。



 
图二十六

图二十七有一个应用列表，透过不同的颜色来做更详细的分类。大家应该还记得之前的产品发展蓝图，其中包括不同种类的解决方案和应用情境。氮化镓在汽车领域也在获得越来越多重视，包括在车辆充电系统的应用。我们也有提供基础转换器，虽然并未整合到整个系统。


 
图二十七

图二十八呈现的是ST产品策略的核心：我们在此领域也有开展一些并购，包括法国创新型企业EXAGAN，其中G-FET、G-Drive和D-Mode这些产品就是源于这间公司。我们也与台积电合作，进而让我们提前推出许多内测科技产品，透过台积电快速地推入市场。我们的最终目标是完善我们的内测技术，最终服务于我们清晰明确的产品策略。

目前我们针对氮化镓产品已经有完整的规划，100V到650V各类产品将会陆续推出，这些都会透过ST 8吋工厂生产。我们在卡塔尼亚也有一条GaN-on-Si RF生产线用于生产氮化镓产品，大部分都是针对5G和6G基础设施的应用。



 
图二十八

毫无疑问，功率技术是ST的核心所在，甚至能够影响人类社会的未来。除了传统的IGBT、MOSFET技术，我们将更多的全新科技推入市场，因为这些科技让我们和使用者获得更高的能源利用效率，进而减少能源流失，达到节能的目标。汽车和工业已成为碳化硅的首要应用领域，我们也已进入大规模量产阶段。我们目前处在这一市场的领导者地位，正在引领碳化硅的应用。我们也在持续不断地在新兴科技和生产线改良，以因应对未来巨量、不断成长的市场需求。氮化镓在市场上大规模普及可能会再晚一些，因为要等到技术成熟，但碳化硅已有非常广泛的应用范围。我们已在碳化硅市场获得领导地位，未来也会朝着这一方向不断探索。



 
图二十九