意法半導體 (ST) 旗下既有碳化硅 (SiC)、也有氮化鎵 (GaN)，怎么定位這些產品？如何保持可靠性？汽車和離散組件產品部 (ADG) 大眾市場業務拓展負責人 Giovanni Luca SARICA 一開場就聲明：擁有同級產品中的＂最佳效能＂是最大優勢，這對于研發和制造電動汽車的車廠來說極其重要。理論上，碳化硅是＞600V 高壓應用系統的最佳選擇，例如，純電動汽車 (EV) 的驅動馬達逆變器 (inverter)，而氮化鎵 (GaN) 則是功率轉換系統的理想方案，特別適用于車載充電器或 48V 直流轉換器。事實上，氮化鎵非常適用于混合動力汽車 (HEV)。
照片人物：ST汽車和離散組件產品部 (ADG) 大眾市場業務拓展負責人 Giovanni Luca SARICA
鞏固料源后，下個策略目標：8 英寸晶圓生產 SiC
一言以蔽之，SiC 和 GaN 不僅可提升效能，還可縮小被動組件和冷卻系統的尺寸，使新能源汽車的模塊廠能研發功率配置更緊密的解決方案。ST 迄今擁有逾 70 項碳化硅相關專利，掌握所有復雜制造工藝技術，是業界首家可量產符合嚴格汽車質量要求的碳化硅半導體廠；之所以能達到可靠性要求，歸功于在汽車領域的多年研發經驗及走在 SiC 制造工藝最前沿的堅定承諾。順帶一提，為鞏固碳化硅料源、提升制造彈性以促進在汽車和工業的商用化，ST 今年初與羅姆 (ROHM) 子公司、也是歐洲 SiC 晶圓市占第一的 SiCrystal 簽訂碳化硅晶圓長期供應協議。
圖1：新能源汽車的三大電源模塊
資料來源：ST 提供
SiCrystal 將向 ST 提供總價超過 1.2 億美元之先進 6 英寸碳化硅芯片，滿足碳化硅功率組件日益成長的需求。至于氮化鎵是一項非常新的技術，雖然眼下市場規模還很小，但是很有前景。ST 在加快 SiC 投入的同時，也圍繞 GaN 展開多項商業行動，例如，與最大的科研機構和知名大學合作探索氮化鎵的物理和熱屬性，擴大材料領域的專業知識——SARICA 強調，這是發現、了解問題并防止任何可能出現問題的基本步驟。同時，ST 還加入 JEDEC 委員會的 GaN 專題工作組，對于評估、制訂最佳 GaN 測試方法和規范以達到汽車可靠性，至為重要。
SARICA 經由比較物料清單 (BOM) 發現：電動汽車的整車半導體平均總成本是傳統汽車的兩倍，而電動汽車有高達五成的總成本與功率組件有關。因此，對于功率芯片市場最大供貨商之一的 ST 來說，通過制造 12 英寸功率芯片來擴大硅芯片產能、強化產品競爭力，非常具有策略意義；有鑒于電氣化正在推動電源產品需求強勁成長，下個策略目標是將 SiC 從 6 英寸遷移到 8 英寸生產線，這點從收購 Norstel 公司就不難感知其意在產業鏈垂直整合的用心，惟仍將繼續擴展 6 英寸硅芯片生產；一旦市場需要，ST 可盡快支持并加速 8 英寸 SiC 生產線升級。
圖2：硅 vs. 寬能隙功率組件之市場定位
資料來源：ST 提供
SiC 的成本優勢不在于組件本身，而在車輛整體成本！
如此一來，可同時提升總體產能并帶來規模經濟效益，預料屆時多數半導體生產線都將開始采用 8 英寸制造設備。SARICA 透露，根據 2019 年第三方獨立研調機構的整車半導體成本推算，單純就功率組件比較，SiC 方案的每輛整車成本較 IGBT 多出 300 美元。如今，隨著制造規模變大、SiC 技術改善，ST 推估兩者的成本差距正在縮小；與硅基組件相比，SiC 的成本優勢不在于組件本身，而在車輛整體成本！當采用 SiC 時，開關頻率可以設計得更高以提升組件效能、降低被動組件的尺寸／成本。眾所周知，被動組件在應用系統總成本中的占比很高。
當采用較小的被動組件時，還可縮小模塊的整體尺寸并再次降低應用整體成本。再者，當 SiC 解決方案獲得更高效能時，還可降低動力電池冷卻系統的尺寸——這是導致整體成本增加的主因。根據獨立分析機構預測，相較傳統硅基解決方案，SiC 解決方案可使＂整車半導體成本＂節省 2,000 美元。另一方面，SiC 有助于提升車輛性能、延長新能源汽車的續航里程、帶來更好的綜合使用者體驗，并加快車輛充電速度。這些要素對于新能源汽車的市場普及極為重要。ST 觀察到，SiC 在新能源汽車市場的應用趨勢正在上升，惟車用 GaN 組件還未＂上路＂。
圖3：SiC MOSFET 在電動車的優勢
資料來源：ST 提供
由于成本因素和性能優勢，SiC 最初被廣泛用于高階車款，但今天已成為中階量產純電動汽車 (BEV) 的致勝方案，預估 2020 年將有 40% 以上的純電動汽車采用 SiC，2025年滲透率將會更高，將有逾七成的電動汽車使用碳化硅。SiC MOSFET 主要用于驅動馬達逆變器，在該領域市占超過八成的 ST 觀察到：多數制造大廠已在下一代新能源汽車上選用 SiC MOSFET，但這并不意味 IGBT 將會消失，所有中階電動汽車和 HEV 將繼續使用 IGBT。展望未來，IGBT 將繼續在車用組件中發揮作用，主要用于四輪汽車的副邊逆變器 (secondary inverter)。
低階車款仍有 IGBT 生存空間，空調纟統逆變器是新舞臺
這種情況下，IGBT 可能是一個很好的折衷方案。此外，傳統內燃機 (ICE) 汽車通常通過傳動皮帶驅動空調壓縮機運轉，當傳統汽車變成電動汽車時，空調系統需要另外增加一個逆變器，對于 IGBT，這又是一個新的大市場。ST 亞太區功率離散組件和模擬產品部區域營銷及應用副總裁 Francesco MUGGERI 揭示，將 SiC MOSFET 和 IGBT 相提并論時，95% 皆鎖定在＂驅動馬達的逆變器＂身上；直到兩年前，它還是 IGBT 的天下，主要用于早期的電動汽車或低階的低電壓 HEV，但 IGBT 性能比不上 SiC。此刻市場雖已起了變化，但 IGBT 仍將繼續存在。
照片人物：ST 亞太區功率離散組件和模擬產品部區域營銷及應用副總裁 Francesco MUGGERI
放眼坊間在售車款。特斯拉兩年前推出的 Model S 和近期推出的 Model 3 新車，中高階量產車款已完全采用 SiC，而低階車款仍沿用 IGBT。MUGGERI 認為，雖然 SiC MOSFET 產品仍處于起步階段，尚有改進的空間，但受惠于產能增加、擁有成本降低及續航里程延長，未來市場將更屬意 SiC 技術。目前 SiC MOSFET 主要用于驅動馬達逆變器和車載充電器，而車上其它系統仍然使用 MOSFET，也許將來低壓部分將轉而使用 GaN。ST 不僅是首家 SiC 車規級產品供貨商，更是第一家＂完成汽車產品可靠性測試＂的公司，成功經驗將有利 GaN 的開發和問市。
MUGGERI 表示，當涉及新技術時，＂價值創造＂是關鍵。相較傳統硅技術，SiC 和GaN 等新技術眼下還處于市場導入初期，但發展速度非常快速。SiC 技術的最大結溫能達到 200℃ 上，而最好的傳統硅基組件只能在 175℃ 以下運作；SiC 技術使組件能承受非常惡劣的工作條件，且耗散功率更低。從這個角度看，這些新技術所創造的價值遠超過先前；這涉及許多要素，包括成本結構、技術復雜性和創新。長遠來看，SiC 和 GaN 售價終將趨于親民，但因為其創造的巨大價值和技術本身的復雜性，仍將與硅基組件保持適當的價格差距。
圖4：ST 將智慧功率硅的成功延續到智慧功率 GaN
資料來源：ST 提供
