意法半导体 (ST) 旗下既有碳化硅 (SiC)、也有氮化镓 (GaN)，怎么定位这些产品？如何保持可靠性？汽车和离散组件产品部 (ADG) 大众市场业务拓展负责人 Giovanni Luca SARICA 一开场就声明：拥有同级产品中的＂最佳效能＂是最大优势，这对于研发和制造电动汽车的车厂来说极其重要。理论上，碳化硅是＞600V 高压应用系统的最佳选择，例如，纯电动汽车 (EV) 的驱动马达逆变器 (inverter)，而氮化镓 (GaN) 则是功率转换系统的理想方案，特别适用于车载充电器或 48V 直流转换器。事实上，氮化镓非常适用于混合动力汽车 (HEV)。
照片人物：ST汽车和离散组件产品部 (ADG) 大众市场业务拓展负责人 Giovanni Luca SARICA
巩固料源后，下个策略目标：8 英寸晶圆生产 SiC
一言以蔽之，SiC 和 GaN 不仅可提升效能，还可缩小被动组件和冷却系统的尺寸，使新能源汽车的模块厂能研发功率配置更紧密的解决方案。ST 迄今拥有逾 70 项碳化硅相关专利，掌握所有复杂制造工艺技术，是业界首家可量产符合严格汽车质量要求的碳化硅半导体厂；之所以能达到可靠性要求，归功于在汽车领域的多年研发经验及走在 SiC 制造工艺最前沿的坚定承诺。顺带一提，为巩固碳化硅料源、提升制造弹性以促进在汽车和工业的商用化，ST 今年初与罗姆 (ROHM) 子公司、也是欧洲 SiC 晶圆市占第一的 SiCrystal 签订碳化硅晶圆长期供应协议。
图1：新能源汽车的三大电源模块
资料来源：ST 提供
SiCrystal 将向 ST 提供总价超过 1.2 亿美元之先进 6 英寸碳化硅芯片，满足碳化硅功率组件日益成长的需求。至于氮化镓是一项非常新的技术，虽然眼下市场规模还很小，但是很有前景。ST 在加快 SiC 投入的同时，也围绕 GaN 展开多项商业行动，例如，与最大的科研机构和知名大学合作探索氮化镓的物理和热属性，扩大材料领域的专业知识——SARICA 强调，这是发现、了解问题并防止任何可能出现问题的基本步骤。同时，ST 还加入 JEDEC 委员会的 GaN 专题工作组，对于评估、制订最佳 GaN 测试方法和规范以达到汽车可靠性，至为重要。
SARICA 经由比较物料清单 (BOM) 发现：电动汽车的整车半导体平均总成本是传统汽车的两倍，而电动汽车有高达五成的总成本与功率组件有关。因此，对于功率芯片市场最大供货商之一的 ST 来说，通过制造 12 英寸功率芯片来扩大硅芯片产能、强化产品竞争力，非常具有策略意义；有鉴于电气化正在推动电源产品需求强劲成长，下个策略目标是将 SiC 从 6 英寸迁移到 8 英寸生产线，这点从收购 Norstel 公司就不难感知其意在产业链垂直整合的用心，惟仍将继续扩展 6 英寸硅芯片生产；一旦市场需要，ST 可尽快支持并加速 8 英寸 SiC 生产线升级。
图2：硅 vs. 宽能隙功率组件之市场定位
资料来源：ST 提供
SiC 的成本优势不在于组件本身，而在车辆整体成本！
如此一来，可同时提升总体产能并带来规模经济效益，预料届时多数半导体生产线都将开始采用 8 英寸制造设备。SARICA 透露，根据 2019 年第三方独立研调机构的整车半导体成本推算，单纯就功率组件比较，SiC 方案的每辆整车成本较 IGBT 多出 300 美元。如今，随着制造规模变大、SiC 技术改善，ST 推估两者的成本差距正在缩小；与硅基组件相比，SiC 的成本优势不在于组件本身，而在车辆整体成本！当采用 SiC 时，开关频率可以设计得更高以提升组件效能、降低被动组件的尺寸／成本。众所周知，被动组件在应用系统总成本中的占比很高。
当采用较小的被动组件时，还可缩小模块的整体尺寸并再次降低应用整体成本。再者，当 SiC 解决方案获得更高效能时，还可降低动力电池冷却系统的尺寸——这是导致整体成本增加的主因。根据独立分析机构预测，相较传统硅基解决方案，SiC 解决方案可使＂整车半导体成本＂节省 2,000 美元。另一方面，SiC 有助于提升车辆性能、延长新能源汽车的续航里程、带来更好的综合使用者体验，并加快车辆充电速度。这些要素对于新能源汽车的市场普及极为重要。ST 观察到，SiC 在新能源汽车市场的应用趋势正在上升，惟车用 GaN 组件还未＂上路＂。
图3：SiC MOSFET 在电动车的优势
资料来源：ST 提供
由于成本因素和性能优势，SiC 最初被广泛用于高阶车款，但今天已成为中阶量产纯电动汽车 (BEV) 的致胜方案，预估 2020 年将有 40% 以上的纯电动汽车采用 SiC，2025年渗透率将会更高，将有逾七成的电动汽车使用碳化硅。SiC MOSFET 主要用于驱动马达逆变器，在该领域市占超过八成的 ST 观察到：多数制造大厂已在下一代新能源汽车上选用 SiC MOSFET，但这并不意味 IGBT 将会消失，所有中阶电动汽车和 HEV 将继续使用 IGBT。展望未来，IGBT 将继续在车用组件中发挥作用，主要用于四轮汽车的副边逆变器 (secondary inverter)。
低阶车款仍有 IGBT 生存空间，空调纟统逆变器是新舞台
这种情况下，IGBT 可能是一个很好的折衷方案。此外，传统内燃机 (ICE) 汽车通常通过传动皮带驱动空调压缩机运转，当传统汽车变成电动汽车时，空调系统需要另外增加一个逆变器，对于 IGBT，这又是一个新的大市场。ST 亚太区功率离散组件和模拟产品部区域营销及应用副总裁 Francesco MUGGERI 揭示，将 SiC MOSFET 和 IGBT 相提并论时，95% 皆锁定在＂驱动马达的逆变器＂身上；直到两年前，它还是 IGBT 的天下，主要用于早期的电动汽车或低阶的低电压 HEV，但 IGBT 性能比不上 SiC。此刻市场虽已起了变化，但 IGBT 仍将继续存在。
照片人物：ST 亚太区功率离散组件和模拟产品部区域营销及应用副总裁 Francesco MUGGERI
放眼坊间在售车款。特斯拉两年前推出的 Model S 和近期推出的 Model 3 新车，中高阶量产车款已完全采用 SiC，而低阶车款仍沿用 IGBT。MUGGERI 认为，虽然 SiC MOSFET 产品仍处于起步阶段，尚有改进的空间，但受惠于产能增加、拥有成本降低及续航里程延长，未来市场将更属意 SiC 技术。目前 SiC MOSFET 主要用于驱动马达逆变器和车载充电器，而车上其它系统仍然使用 MOSFET，也许将来低压部分将转而使用 GaN。ST 不仅是首家 SiC 车规级产品供货商，更是第一家＂完成汽车产品可靠性测试＂的公司，成功经验将有利 GaN 的开发和问市。
MUGGERI 表示，当涉及新技术时，＂价值创造＂是关键。相较传统硅技术，SiC 和GaN 等新技术眼下还处于市场导入初期，但发展速度非常快速。SiC 技术的最大结温能达到 200℃ 上，而最好的传统硅基组件只能在 175℃ 以下运作；SiC 技术使组件能承受非常恶劣的工作条件，且耗散功率更低。从这个角度看，这些新技术所创造的价值远超过先前；这涉及许多要素，包括成本结构、技术复杂性和创新。长远来看，SiC 和 GaN 售价终将趋于亲民，但因为其创造的巨大价值和技术本身的复杂性，仍将与硅基组件保持适当的价格差距。
图4：ST 将智慧功率硅的成功延续到智慧功率 GaN
资料来源：ST 提供
