電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃晶晶）成立于2018年的派恩杰半導(dǎo)體，從成立之初就聚焦于碳化硅MOSFET，緊鑼密鼓布局車(chē)規(guī)級(jí)半導(dǎo)體芯片，并已順利“上車(chē)”，產(chǎn)品已應(yīng)用于汽車(chē)OBC等領(lǐng)域。據(jù)悉從銷(xiāo)售規(guī)模來(lái)看，應(yīng)當(dāng)是目前國(guó)內(nèi)碳化硅MOS銷(xiāo)售體量最大的公司。我們知道，國(guó)內(nèi)的碳化硅產(chǎn)品主要還是集中在碳化硅二極管，推出碳化硅MOSFET的廠商并不多，同時(shí)應(yīng)用到新能源汽車(chē)上的更是鳳毛麟角。殊不知，派恩杰的SiC MOSFET產(chǎn)品在汽車(chē)OBC市場(chǎng)，已經(jīng)獲得了新能源汽車(chē)龍頭企業(yè)數(shù)千萬(wàn)訂單，并已開(kāi)始低調(diào)供貨。

十多年自研技術(shù)，突破SiC MOSFET難點(diǎn)

派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人黃興是美國(guó)北卡州立大學(xué)的博士，在美國(guó)有11余年碳化硅、氮化鎵功率器件研發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，也是全球首款6英寸碳化硅3300伏MOSFET器件和首個(gè)可雙向耐壓碳化硅結(jié)終端結(jié)構(gòu)的發(fā)明者。他師從IGBT之父B?賈揚(yáng)?巴利加（B. Jayant Baliga），在Cree / RFMD(Qorvo) / UnitedSiC等有長(zhǎng)達(dá)十年的SiC&GaN功率器件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人黃興

2019年3月，派恩杰成立僅6個(gè)月即發(fā)布了第一款可兼容驅(qū)動(dòng)650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技術(shù)的1200V SiC MOS，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。2020年先后發(fā)布用于5G數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器與工業(yè)輔助電源的650V、1700V工業(yè)級(jí)MOS以及用于車(chē)載充電機(jī)的650V車(chē)規(guī)級(jí)MOS。2021年2月發(fā)布1200V大電流車(chē)規(guī)級(jí)MOS，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)單管及模塊。

截至目前，派恩杰已經(jīng)發(fā)布了50余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOS、GaN HEMT功率器件產(chǎn)品。



派恩杰的碳化硅MOS對(duì)標(biāo)的是國(guó)外大廠的產(chǎn)品，那么具體有哪些優(yōu)勢(shì)呢？在接受包括電子發(fā)燒友網(wǎng)在內(nèi)的行業(yè)媒體采訪時(shí)，黃興進(jìn)行了分析。

具體來(lái)看，派恩杰碳化硅MOS的技術(shù)是對(duì)標(biāo)CREE第三代平面柵碳化硅MOS，在數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)上做對(duì)比，例如行業(yè)里面評(píng)價(jià)碳化硅MOS的一個(gè)優(yōu)劣性指標(biāo)叫HDFM，它就是器件的Rds(on)×器件的Qgd。派恩杰的產(chǎn)品在整個(gè)Rds(on)×Qgd，在所有的平面柵技術(shù)里面是最好的。然后，與市面上所有的碳化硅芯片HDFM值對(duì)比上，派恩杰HDFM指標(biāo)僅次于英飛凌，也就說(shuō)在開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗里面，可以給客戶最優(yōu)的解決方案的。

另外，黃興指出，在客戶端實(shí)測(cè)，我們一些抗極限功況，比如峰值功率、峰值電流和一些雪崩測(cè)試，我們現(xiàn)在可以達(dá)到相關(guān)比較苛刻的工業(yè)要求和車(chē)規(guī)要求。另外在設(shè)計(jì)端，我們也有自己的一個(gè)迭代速度，碳化硅MOS上車(chē)主要還是以平面柵的技術(shù)為主，我們也是堅(jiān)持平面柵技術(shù)，并會(huì)不斷迭代優(yōu)化，像Rds(on)×Qgd這個(gè)HDFM指標(biāo)越做越小，以此保持技術(shù)上的先進(jìn)性。

研發(fā)碳化硅MOS的難點(diǎn)在于，碳化硅材料本身的一些模型數(shù)據(jù)的缺失，最開(kāi)始很多人都不知道怎么去仿真碳化硅。就算到目前為止，很多商用軟件在仿真碳化硅的時(shí)候，給出的預(yù)測(cè)都是非常不準(zhǔn)確的。這就給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了很大的難度，很多人在仿真里面可以設(shè)計(jì)出來(lái)一個(gè)很好的器件，但是一旦流片出來(lái)，發(fā)現(xiàn)跟設(shè)計(jì)的完全不一樣。這里面就是因?yàn)檎麄€(gè)仿真軟件對(duì)于像碳化硅這類(lèi)比較細(xì)分的領(lǐng)域，不會(huì)專(zhuān)門(mén)為碳化硅投入太多的資源，所以導(dǎo)致這方面模型是缺失的。這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)者從最底層的物理上的模型，對(duì)碳化硅材料進(jìn)行校準(zhǔn)。比如說(shuō)碳化硅自己的電子遷移率、雪崩擊穿模型，以及熱學(xué)仿真模型，工藝柵氧生長(zhǎng)，包括柵氧界面態(tài)的一些缺陷的模型，都是需要設(shè)計(jì)者通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)去提取迭代，然后完善的。

“我們這個(gè)模型是我從09年在北卡州立大學(xué)做研究以來(lái)，一直不斷在這個(gè)行業(yè)里面積累，包括跟很多業(yè)內(nèi)科學(xué)家合作，提取出來(lái)這樣一個(gè)模型，這個(gè)模型可以相對(duì)準(zhǔn)確的讓我們的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配程度很好。這樣就極大的縮短了我們?cè)谔蓟柙O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間，這是一方面。”黃興進(jìn)一步說(shuō)道。

除了在設(shè)計(jì)上需要精準(zhǔn)的底層物理模型之外，另一方面，碳化硅本身材料成本比較高。黃興博士算了一筆賬，一張硅基MOS的wafer成本大概在500元人民幣左，一張?zhí)蓟鑧afer在3萬(wàn)元人民幣左右。一個(gè)PN（part number）如果按200片的硅晶圓，需要10萬(wàn)元。但200片碳化硅wafer，每片3萬(wàn)塊錢(qián)人民幣，一個(gè)（part number）的研發(fā)投入至少要600萬(wàn)人民幣以上。若開(kāi)發(fā)幾十款料號(hào)，成本將大幅上升。同時(shí)還有迭代的速度也很關(guān)鍵。由于碳化硅加工難度比較大，很多工廠不具備這樣的加工條件，就會(huì)極大的限制整個(gè)研發(fā)迭代的速度，這也是目前很多碳化硅公司很難推出成熟產(chǎn)品一個(gè)重要原因。

派恩杰合作的代工廠是有30年車(chē)規(guī)的全球首家提供150mm SiC工藝的X-FAB。派恩杰和X-FAB均表示，雙方將持續(xù)深度合作，充分發(fā)揮派恩杰?chē)?guó)際一流水平的產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)和在X-FAB高擴(kuò)展性和汽車(chē)品質(zhì)的代工服務(wù)，降低SiC器件的成本，保障產(chǎn)能，加速SiC功率器件的應(yīng)用。

SiC MOSFET“上車(chē)”，汽車(chē)OBC最先起量，主驅(qū)逆變還得再等等

汽車(chē)OBC即車(chē)載充電器，用于在外接電源接通蓄電池之間起到保護(hù)作用。早前五年前已有國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)將碳化硅用于OBC上，有人認(rèn)為隨著充電樁尤其是超級(jí)快充樁的普及，OBC將被取代。黃興認(rèn)為，事實(shí)并非如此。OBC雖然功率比較小，像快充這種充電樁一般都是200千瓦、300千瓦這個(gè)體量，而OBC只有11千瓦，最多22千瓦。這個(gè)充電速度肯定不能同日而語(yǔ)，但OBC作為一個(gè)應(yīng)急的充電方案給客戶在使用電動(dòng)汽車(chē)時(shí)提供了一個(gè)極大的安全保障。

另一方面，隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及和應(yīng)用，汽車(chē)OBC也有作為儲(chǔ)能電池往外放電的需求。比如戶外用電時(shí)將電量反向釋放給電器設(shè)備供電。這在歐美市場(chǎng)有明顯需求。而國(guó)內(nèi)一些車(chē)廠也將雙向OBC作為標(biāo)配。作為雙向解決方案，用碳化硅是最劃算的，它跟儲(chǔ)能的方案極其類(lèi)似，能量存在著雙向流動(dòng)，比如輸入效率99%，輸出99%，綜合效率達(dá)98%。

從器件的耐壓等級(jí)來(lái)看，派恩杰提供覆蓋650伏、1200伏、1700伏三個(gè)電壓平臺(tái)的器件。目前派恩杰主要在汽車(chē)OBC上面應(yīng)用的是單管1200伏的碳化硅MOS和650伏碳化硅MOS，這兩種耐壓器件針對(duì)客戶的系統(tǒng)電壓平臺(tái)，也就是800伏的系統(tǒng)用1200伏耐壓器件，400伏的系統(tǒng)是用的650耐壓器件。

然而，對(duì)于國(guó)產(chǎn)碳化硅MOS應(yīng)用于汽車(chē)電驅(qū)，需要過(guò)可靠性和產(chǎn)能兩個(gè)難關(guān)。黃興表示，從國(guó)內(nèi)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，可能先解決量的問(wèn)題，先至少保證國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈在工業(yè)級(jí)應(yīng)用的產(chǎn)能，再不斷提升可靠性。量的問(wèn)題依賴(lài)碳化硅襯底、外延、代工等廠商的發(fā)展速度，需要不斷的迭代，預(yù)估兩三年內(nèi)能夠逐漸實(shí)現(xiàn)。

從芯片到模塊，將自建碳化硅模塊封裝產(chǎn)線

派恩杰希望將芯片設(shè)計(jì)上的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，延展到模塊領(lǐng)域。在碳化硅MOS用于工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域上，派恩杰積累了大量的數(shù)據(jù)，因此能夠?qū)⑿酒瑑?yōu)勢(shì)和特性聯(lián)合到整個(gè)模塊設(shè)計(jì)當(dāng)中。黃興表示，我們會(huì)進(jìn)行上下聯(lián)動(dòng)的調(diào)校和優(yōu)化，讓模塊去適應(yīng)芯片，同一個(gè)技術(shù)能夠更好的銜接，類(lèi)比于英飛凌，它的很多功率模塊也是使用自有芯片才做得如此成功。預(yù)計(jì)派恩杰的自有碳化硅模塊封裝產(chǎn)線將于2022年初動(dòng)工，到2022年底將有樣品發(fā)布。

制造工藝方面，派恩杰的碳化硅模塊使用納米銀焊接的技術(shù)，出于碳化硅現(xiàn)在的效率考慮，將不會(huì)使用雙面冷卻，而是單面冷卻。還會(huì)選擇工作高溫的一些封裝材料，來(lái)提高整個(gè)碳化硅的工作結(jié)溫，同時(shí)提高可靠性。黃興說(shuō)，除了工藝制造端的提升以外，我們更多的核心是在聯(lián)合上下游從材料的挑選到芯片的篩選，到整個(gè)模塊，我們會(huì)建一整套完整的可靠性數(shù)據(jù)模型，讓我們的模塊符合車(chē)規(guī)要求。

由于現(xiàn)在整體碳化硅供應(yīng)鏈的資源比較稀缺，而汽車(chē)需求又在不斷擴(kuò)大，據(jù)悉，在國(guó)際龍頭企業(yè)碳化硅MOS的交期從52周延長(zhǎng)到80周。黃興分析，碳化硅產(chǎn)能的限制不在foundry fab，而是在原材料。比如以Cree的產(chǎn)能為例，Cree等效6寸片的產(chǎn)能大概是一年72萬(wàn)片。假設(shè)像GT advanced，II-VI，住友電工，Si Crystal全部加起來(lái)是Cree的2-3倍，全球整個(gè)原材料的產(chǎn)能也就是一年不到200萬(wàn)片。而全球整個(gè)市場(chǎng)需求，僅中國(guó)大陸的汽車(chē)市場(chǎng)一年就至少需要100萬(wàn)片，全球總需求應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)整個(gè)碳化硅原材料供給。

現(xiàn)在很多擴(kuò)產(chǎn)的策略不是要新建更多foundry，而是更多去驗(yàn)證推動(dòng)國(guó)產(chǎn)襯底原材料廠商的技術(shù)，幫助他們迭代，能夠讓他們釋放產(chǎn)能。派恩杰也在foundry和襯底原材料端與國(guó)內(nèi)廠商合作溝通，希望助力國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈實(shí)現(xiàn)突破和量產(chǎn)。

小結(jié)：

碳化硅MOS不限于汽車(chē)領(lǐng)域，在工業(yè)變頻控制器、空壓機(jī)、水泵、工業(yè)傳動(dòng)以及儲(chǔ)能、光伏逆變等都能得到應(yīng)用。派恩杰已經(jīng)率先進(jìn)入碳化硅MOSFET領(lǐng)域并實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)、車(chē)規(guī)級(jí)量產(chǎn)出貨，必將在政策推動(dòng)、新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的機(jī)遇下，實(shí)現(xiàn)更高的成長(zhǎng)。