華虹集團旗下上海華虹宏力半導體制造有限公司(“華虹宏力”)戰(zhàn)略,、市場與發(fā)展部李健在第八屆年度中國電子ICT媒體論壇暨2019產業(yè)和技術展望研討會上以《電動汽車“芯”機遇》為題為現(xiàn)場嘉賓分享電動汽車給功率半導體帶來的發(fā)展機遇,并重點介紹了華虹宏力在功率半導體領域的工藝技術,。
李健開場就表示,今天在這里和大家共同探討一下電動汽車孕育的新機遇,。當機遇來的時候,,我們必須要有核心的技術,才能夠抓住機遇,,開創(chuàng)我們的未來,。
芯機遇,電動汽車助力功率半導體再迎春天
李健表示,,電動汽車是半導體產業(yè)的發(fā)展新機遇,,是半導體發(fā)展下一個十年的引領載體。他說,,從2017年開始,,智能手機已顯出疲態(tài),半導體產業(yè)急需新的市場應用拉動上揚,,而能夠擔任多技術融合載體重任的當屬智能汽車,。
李健分析說,首先汽車“電子化”是大勢所趨,,從汽車成本結構來看,,未來芯片成本有望占汽車總成本的50%以上,這將給半導體帶來巨大的市場需求,。
其次,,雖然汽車是個傳統(tǒng)的制造業(yè),但是個能讓人熱血沸騰的制造業(yè),,因為汽車產業(yè)承載了人類的夢想,。當傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)遇到當今的半導體,就像千里馬插上翅膀,,會變成下一個引領浪潮的“才子”,。李健表示,自動駕駛處理器,、ADAS芯片為電動汽車帶來冷靜的頭腦,;同時,IGBT,、MOSFET等功率半導體器件為電動汽車帶來更強壯的肌肉,,讓千里馬跑得更快。
汽車電動化是全球趨勢,。有數據表明,,2020年,,全球新能源車的銷售目標為700萬臺,而中國內地為200萬臺,。有別于傳統(tǒng)汽車,,新能源車配有電機、電池,、車載充電機,、電機逆變控制器和電動車空調壓縮機PTC加熱器等,這都需要大量的功率器件芯片,。除了車輛本身“電動化”之外,,還給后裝零部件市場和配套用電設施帶來新需求,比如直流快速充電樁,。
圖片來源:嘉賓演講PPT
電動汽車中功率芯片的用途非常廣泛,,如啟停系統(tǒng)、DC/DC變壓器(高壓轉12V),、DC/AC主逆變器+DC/DC升壓,、發(fā)電機、車載充電機等,,都要用到功率器件,。
李健以IGBT為例,對電動汽車中功率器件的規(guī)模進行了介紹,,他說一臺電動車總共需要48顆IGBT芯片,其中前后雙電機共需要36顆,,車載充電機需要4顆,,電動空調8顆。同時后裝維修零配件市場按1:1配套,。如果2020年國內電動汽車銷量達到200萬臺,,國內市場大約需要每月10萬片8英寸車規(guī)級IGBT晶圓產能(按每片晶圓容納120顆IGBT芯片折算)?;趪鴥入妱榆囀袌稣既蚴袌龅?/3,,2020年全球汽車市場可能需要超過每月30萬片8英寸IGBT晶圓產能!
李健表示,,除了電動汽車市場,,IGBT在其它應用市場中也廣受歡迎,業(yè)內有看法認為還需要新建十座IGBT晶圓廠,。
芯技術,,華虹宏力聚焦功率器件特色工藝
華虹宏力從2002年開始自主創(chuàng)“芯”路,是全球第一家提供功率器件代工服務的8英寸純晶圓代工廠,。2002年到2010年,,陸續(xù)完成先進的溝槽型中低壓MOSFET/SGT/TBO等功率器件技術開發(fā),;2010年,高壓600V ~700V溝槽型,、平面型MOSFET工藝進入量產階段,;2011年第一代深溝槽超級結工藝進入量產階段,同年1200V溝槽型NPT IGBT工藝也完成研發(fā)進入量產階段,;2013年,,第2代深溝槽超級結工藝推向市場,同時600V~1200V溝槽型場截止型IGBT(FDB工藝)也成功量產,。
作為華虹宏力的核心業(yè)務之一,,公司在功率器件方面主要聚焦在以下4個方面:
圖片來源:嘉賓演講PPT
一是溝槽型MOS/SGT,適合小于300V電壓的應用,,如汽車輔助系統(tǒng)應用12V/24V/48V等,。硅基MOSFET是功率器件工藝的基礎,后續(xù)工藝都是基于這個工藝平臺不斷升級,、完善,,華虹宏力致力于優(yōu)化pitch size,提升元胞密度,,降低導通電阻,。華虹宏力的MOSFET產品已通過車規(guī)認證,并配合客戶完成相對核心關鍵部件如汽車油泵,、轉向助力系統(tǒng)等的應用,。目前華虹宏力8英寸MOSFET晶圓出貨已超過700萬片。
二是超級結MOSFET工藝(DT-SJ),,涵蓋300V到800V,,應用于汽車動力電池電壓轉12V低電壓及直流充電樁功率模塊。超級結MOSFET最顯著特征為P柱結構,,華虹宏力采用擁有自主知識產權的深溝槽型P柱,,可大幅降低導通電阻,同時,,在生產制造過程中可大幅縮短加工周期,、降低生產成本。超級結MOSFET適用于500V~900V電壓段,,它的電阻更小,,效率更高,散熱相對低,,所以在要求嚴苛的開關電源里有大量的應用,。
超級結MOSFET是華虹宏力功率半導體工藝平臺的中流砥柱。2011年,第一代超級結MOSFET工藝開始量產,;2013年,,通過技術創(chuàng)新,優(yōu)化pitch size,,降低結電阻,,推出第二代超級結MOSFET工藝;2015年,,進一步優(yōu)化,,推出2.5代超級結MOSFET工藝;2017年,,第三代超級結MOSFET工藝試生產,。
李健表示,相比前代的平面型柵極,,華虹宏力第三代超級結MOSFET在結構上有了創(chuàng)新,,采用垂直溝槽柵(Vertical trench)結構,有效降低結電阻,,進一步優(yōu)化pitch size,,可提供導通電阻更低、芯片面積更小,、開關速度更快和開關損耗更低的產品解決方案,。
用單位面積導通電阻來衡量的話,華虹宏力超級結MOSFET工藝每一代新技術都優(yōu)化25%以上,,持續(xù)為客戶創(chuàng)造更多價值,。
李健強調,垂直溝槽柵超級結MOSFET是華虹宏力自主開發(fā),、擁有完全知識產權的創(chuàng)“芯”技術,。
三是IGBT,作為電動汽車的核心,,主要是在600V~3300V甚至6500V高壓上的應用,,如汽車主逆變,、車載充電機等,。
李健表示,硅基IGBT作為電動汽車的核“芯”,,非??简灳A制造的能力和經驗。從器件結構來看,,IGBT芯片正面類似普通的MOSFET,,難點在于實現(xiàn)背面結構。
華虹宏力是國內為數不多可用8英寸晶圓產線為客戶代工的廠商之一,公司擁有背面薄片,、背面高能離子注入,、背面激光退火以及背面金屬化等一整套完整的FS IGBT的背面加工處理能力,使得客戶產品能夠比肩業(yè)界主流的國際IDM產品,。
IGBT晶圓的背面加工需要很多特殊的工藝制程,。以最簡單的薄片工藝來說,一般正常的8英寸晶圓厚700多微米,,減薄后需要達到60微米甚至更薄,,就像紙一樣,不采用特殊設備,,晶圓就會翹曲而無法進行后續(xù)加工,。
華虹宏力IGBT早期以1200V LPT、1700V NPT/FS為主,;目前集中在場截止型(FS)工藝上,,以600伏和1200伏電壓段為主;3300V~6500V高壓段工藝的技術開發(fā)已經完成,,正在進行產品驗證,。
四是GaN/SiC新材料,未來五到十年,,SiC類功率器件會成為汽車市場的主力,,主要用于主逆變器和大功率直流快充的充電樁上。
李健介紹說,,寬禁帶材料(GaN/SiC)優(yōu)勢非常明顯,,未來10到15年,寬禁帶材料的市場空間非常巨大,,但目前可靠性還有待進一步觀察,。
李健對GaN和SiC進行了一個簡單的對比。從市場應用需求來講,,SiC的市場應用和硅基IGBT完全重合,,應用場景明確,GaN則瞄準新興領域,,如無線充電和無人駕駛LiDAR,,應用場景存在一定的變數。從技術成熟度來講,,SiC二級管技術已成熟,,MOS管也已小批量供貨。而SiC基GaN雖然相對成熟,,但成本高,;Si基GaN則仍不成熟。從性價比來講,SiC比較明確,,未來大量量產后有望快速拉低成本,。而GaN的則有待觀察,如果新型應用不能如期上量,,成本下降會比較緩慢,。不過Si基GaN最大的優(yōu)勢在于可以和傳統(tǒng)CMOS產線兼容,而SiC則做不到這點,。
芯未來,,施行“8+12”戰(zhàn)略布局
盡管半導體市場風云際會,公司整體戰(zhàn)略是開辟“超越摩爾”新路,,深耕“特色+優(yōu)勢”工藝,,實行“8+12”的戰(zhàn)略布局。
圖片來源:嘉賓演講PPT
8英寸的戰(zhàn)略定位是“廣積糧”,,重點是“積”,。華虹宏力有近20年的特色工藝技術積累,是業(yè)內首個擁有深溝槽超級結(Deep Trench Super Junction,,DT-SJ)及場截止型IGBT(Field Stop,,F(xiàn)S IGBT)工藝平臺的8英寸代工廠,公司現(xiàn)已推出第三代DT-SJ工藝平臺,。在IGBT方面讓客戶產品能夠比肩業(yè)界主流的國際IDM產品,。
公司積累了眾多戰(zhàn)略客戶多年合作的情誼;連續(xù)32個季度盈利的赫赫成績,,也為華虹宏力積累了大量的資本,。
正因為有這些積累,華虹宏力可以開始布局12英寸先進工藝,。
12英寸的戰(zhàn)略定位是“高筑墻”,,重點是“高”。華虹宏力將通過建設12英寸生產線,,延伸8英寸特色工藝優(yōu)勢,,拓寬護城河,提高技術壁壘,,拉開與身后競爭者的差距,。
在擴充產能的同時,技術節(jié)點也推進到90/55納米,,以便給客戶提供更先進的工藝支持,,攜手再上新臺階,。
李健總結到,,只有積累了雄厚的底蘊,才能夠在更高的舞臺上走得更穩(wěn)。