如何赢得一半以上的碳化硅MOSFET市场份额，并将其持续扩大？
✦ 本文转载自：21ic
✦ 作者：刘岩轩
ST获得了全球50%以上的SiC MOSFET市场份额；并且在宽禁带半导体领域进行了衬底技术收购、产能投资，拥有了全生产链条的掌控力。本文分享了ST在SiC领域获得成功的原因，如何排名市场前列的未来战略规划，以及对于整个宽禁带器件行业的前景解读。
随着全球能源结构的升级不断深入，宽禁带半导体器件因为其优势特性而备受行业内关注。ST在碳化硅领域投资已经超过25年，获得了全球50%以上的SiC MOSFET市场份额；并且在氮化镓领域也积极开展技术研发和资本投入，加快推进GaN战略。近日ST专门召开了宽禁带半导体线上媒体沟通会，意法半导体汽车和分立器件产品部(ADG) 执行副总裁，功率晶体管事业部总经理Edoardo Merli针对宽禁带半导体的技术优势、战略布局进行了精彩的分享。
▲ 意法半导体汽车和分立器件产品部(ADG) 执行副总裁，功率晶体管事业部总经理Edoardo Merli
宽禁带器件的优势和当前局限
据IEA（ International Energy Agency）预测，电力消耗的需求持续增长，从2020到2030全球电力需求增长率将超过30%。而另一方面，受制于全球环境恶化的重重压力，全球约定的碳排量需要大幅降低，可再生能源的发电比率需要持续提高。
从2019年的用电比例来看，工业是用电量大头。全球工业用电效率提高1%，则可节约出约15个核电站的发电量。从电能产生、到电能输送、存储到最终使用，如何从整个电力转换链上进行提高能源利用效率，增加可再生能源使用率是整个行业关注的热点话题。而诸如SiC和GaN这类宽禁带器件因为其天然的特性，相比传统的硅器件有着更好的效能。
与传统的硅基器件相比，GaN和SiC的工作电压更高、开关速度更快、导通电阻更低，因此在能效方面可以做到超越。虽然都是宽禁带器件，但GaN和SiC的器件特性也有着明显的差异，其中SiC的工作电压要比GaN高得多，因此更适用于高压的应用中，譬如汽车和工业等大功率系统设备中；而GaN的开关频率要更快，因此更适合快充、射频开关等应用领域，例如一些小型化的电源适配器等、射频开关等。借助SiC和GaN这类宽禁带器件，可以在传统拓扑上实现更简单和高效的设计，从而实现系统层面上整体的成本降低，实现小型化和轻量化。
得益于宽禁带半导体的这些优势，在工业、消费、电动汽车等领域都可以帮助产业实现更高能效升级。其中电动汽车作为能源结构升级的重要应用领域之一，各国和各地区都做出了转型的承诺。受益于整个汽车产业的范式转变，碳化硅器件的需求将会持续扩大。
以电动汽车的逆变器为例，SiC MOSFET逆变器相比IGBT逆变器可以实现更高的集成度、更小的体积，并且将开关损耗减少80%。据Edoardo Merli分享，采用SiC MOSFET逆变器的电动汽车，在全工作负载的情况下，整体的能效都要比IGBT逆变器好得多。而且实际汽车的使用过程中，超过95%的工况都是在低负载的情况，这种低负载工况下IGBT逆变器和SiC MOSFET逆变器的能效比相差了3～4个百分点。
虽然宽禁带器件有着领先传统硅材料器件的优势，但在生产良率、成本、系统集成、可靠性等方面与非常成熟的硅工艺而言仍有着不小的差距。
碳化硅已经实现了大规模的商用，但相比硅材料在生产上需要的条件更为严苛，需要更高的温度、更新的工艺和其他加工条件。在产出率和工序方面，碳化硅仍然落后于硅。如何实现工艺上的迭代升级、提高生产良率和可靠性，是SiC器件要解决的关键问题。而GaN的可靠性不足是其在进入工业和汽车等领域一个限制，此外在更高压的工作条件下实现更高的开关频率仍需要业界进行摸索。
另外在设计上，宽禁带器件的驱动特性与传统硅器件有所不同，在开发者进行新材料器件集成的时候，做到直接的器件替换并不轻松，需要对整个驱动电路进行相应的改进，做到良好的驱动电路与主晶体管的匹配，才能实现最佳的能效表现。因此很多宽禁带器件厂商通常也会推出配套的驱动器件，或者是合封的模块，方便开发者进行系统集成。但总体而言，要在传统硅器件应用中进行替换，仍需要开发者投入一些额外的工作量。
总体而言，作为一种新材料器件，提高可靠性、降低成本、让开发者实现更便捷的设计等工作仍需要业界努力，宽禁带器件的发展仍在路上。
ST的SiC和GaN产品布局
ST在宽禁带器件上的投资布局也是由来已久。在SiC领域ST已经深耕25余年，当前有超过50%的SiC MOSFET市场份额，在汽车领域占比甚至达到了60%，预期到2024年将会达到10亿美元的年度盈利。
在产品迭代上ST的SiC器件已经实现了一代、二代和三代SiC产品的量产出货；第四代的SiC产品预计也将在今年年底通过认证测试，从明年开始推向市场。如下图所示，Rds(on) x Area和Rds(on) x Qg是SiC器件的重要性能参数，而ST的SiC器件每次迭代过程中都会实现大约20～25%的改良，从而实现了性能的提升和成本的降低。
为客户提供广泛的产品组合，方便客户挑选更适合的产品解决方案，是ST一直坚持的产品策略。在SiC产品布局上，ST也正在推出不同封装类型的产品，其中既包括分立封装的器件，也包括多裸片合封的模块化产品，例如例如，ACEPACK1-2和 ACEPACK DRIVE，通过平台化的模块封装，来简化用户的设计难题。
在GaN电源产品规划方面，ST有PowerGaN和MasterGaN两个产品组合，PowerGaN主要是分立GaN晶体管，而MasterGaN则是驱动和晶体管组成的系统级封装。除了以上两个电源方面的产品组合外，ST同样也在规划针对移动基站的GaN PA。
据Edoardo Merli分享，ST将继续推广PowerGaN 路线图中输入电压从650V开始的G-FET、G-DRIVE和G-HEMT产品，在现有的G-HEMT产品中增加100V产品。氮化镓产品组合也会进一步扩大，增加导通电阻不同的晶体管产品，此外还会继续推广MasterGaN系统级封装。像碳化硅产品一样，氮化镓产品也提供广泛的封装形态，例如QFN等分立封装、可以集成电池的新封装ST LISI等。此外ST也将继续研究嵌入式裸片封装技术，以便进一步提高封装的集成度。射频GaN的产品，也预计会在今年年底推出。
保持制胜的战略：完整制造链全盘掌控
保持并扩大在SiC市场上50%的份额，并持续扩大GaN产品的市场份额，将会是ST在宽禁带半导体上的重要方向。对此，ST从上下游分别制定了战略，并且进行双轮驱动：制造上持续投资，实现全盘的掌控能力；客户端进行紧密的应用端合作，共同进行产品定义。客户端的获取的大量反馈信息，又回馈到产品的设计、生产制造环节进行迭代升级。
“除了技术研发外，我们还在制定一个完整制造链的战略。这个战略的重点是让ST真正拥有功率半导体技术的制造实力。”Edoardo Merli表示，“我们正在投入巨资扩大SiC和GaN的产能，ST非常看好这两种技术，所以将碳化硅和氮化镓功率技术写进公司未来十年总体发展重大战略之中。”
完整的制造链战略包括从前道的衬底加工道最后的封装测试上，在整个制造链条上实现具备可控的实力，从而实现产能扩大。碳化硅衬底是制造链本身的重要组成部分，对芯片的成本、产量和质量影响很大。对于瑞典 Norstel AB公司（已更名为ST SiC AB）的收购，使ST拥有了前道的碳化硅衬底制造技术，并把这项技术融入其自己的制造链中。未来ST的碳化硅产品的部分衬底将会由该工厂提供，部分采购自第三方。
据Edoardo Merli介绍，第一批晶棒和 8 英寸晶片原型已经在该工厂完成制造，目前正在进行晶片利用率表征分析，让原型晶片走完全部工序，以便开发完整的工艺技术，8 英寸晶片预计将会在2024年年底实现量产。瑞典ST SiC AB工厂将被打造成一个综合性工厂，未来将不仅仅承担着衬底生长的任务，还要承担从外延到扩散的其他后续工序，甚至有可能提供晶元测试。ST在意大利卡塔尼亚和新加坡的两个主要制造基地，也正在进行生产规模扩大，从6英寸产线向8英寸产线改造升级。后道的封测主要是在深圳和摩洛哥布斯库拉两个工厂完成，后道的产能也同样会实现一倍的提升。
在GaN方面，同样也采取类似的产能投资和发展策略。ST正在与台积电开展合作，从而将许多内测产品提前向市场发布，通过台积电的渠道更好地触达市场。最终目标是完善ST的内测技术，最终服务于其清晰明确的产品战略。ST对Power GaN技术的推广已经在路上，100V到650V各类产品将会陆续出炉，这些也都会在8英寸生产线上诞生。此外，ST卡塔尼亚也有一条硅基GaN生产线用于氮化镓PA产品生产，这是为5G和6G基础设施进行布局。
除了上述完整的制造链战略之外，ST的另一个重要策略是在客户端：大量的产品搭载提供有价值的反馈信息；与头部客户紧密的合作，先行进行新一代产品定义探索。
凭借着超50%市场份额，ST可以获得大量的产品应用反馈，这也是其区别于其他厂商的重要护城河。今天有一百多万辆的汽车在使用基于ST碳化硅解决方案的动力总成，这是一个非常宝贵的信息源，为ST克服前面提到的挑战，找到很多攻克技术难题的方法，提供了非常有价值的信息。Edoardo Merli表示，产品的采用率越高，收集的反馈信息也就越多，越能了解产品在具体应用中的性能表现，便于ST在后续提高产品性能、质量和可靠性，还可以利用这些信息定义新产品的特性，满足不同应用的需求。
与头部客户的紧密合作，可以让产品定义实现领先市场的方向探索。以与雷诺的战略合作为例，ST紧密与OEM共同开发符合市场前景的解决方案，然后OEM厂商可以将解决方案交给EMS或一级供应商去进行量产。这种合作可以让ST真正地定义技术，以最好的方式来实现产品定义。这种与芯片原厂进行紧密合作的方式，已经逐渐成为新的汽车行业格局的重要趋势。
总结
ST在SiC上战略已经完成布局，凭借着完整的生产链掌控力和领先的市场份额，将会在双轮驱动节奏下进入的快速发展期。在Power GaN上的产品也将受益于8英寸产线的投资，此外在GaN PA上的探索也将会是非常有趣的产品方向。
