透过意法半导体，浅析宽禁带布局的关键
2020年底，意法半导体（ST）宣布到2027年实现碳中和目标和100%采用可再生能源，是目前已知消息中，有望最早实现这个目标的半导体公司。ST此前曾表示，此举是践行公司的可持续发展之路的重要举措。
而除了开源可再生能源之外，通过节能，可进一步实现减排目标。ST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援引了IEA的数据：2019年全球总用电量约为23,000亿千瓦时(TWh)，其中工业使用了42%的电力。“如果仅将工业用电效率提升1%，就可以节约95.6亿千瓦时的电能，相当于15个核电站的发电量，等效于1100万吨煤或5500万桶石油，并减排3200万吨二氧化碳。”
ST做出如此大胆果断的承诺，背后正是看到了电力电子技术的进步，而除了广泛利用先进的电力系统之外，作为主要供应商的功率器件和控制器供应商，ST也一直在推出包括宽禁带半导体在内的诸多先进的电力电子底层技术，促进电力电子在开源和节流两方面同时进步。
图示：根据Omdia 2020年统计数据显示，ST在多项功率细分产品中位居市场前列。
目前，ST的宽禁带半导体布局主要围绕碳化硅和氮化镓两类主流产品进行。与传统硅基MOSFET和IGBT相比，宽禁带为功率晶体管市场带来了诸多优势。具体而言，宽禁带半导体具有工作电压高、开关速度快、工作温度高，导通电阻低等显著优势。而细分来看，氮化镓的开关速度比碳化硅快，但是碳化硅的工作电压和栅极驱动电压都比氮化镓要高。
Merli表示，宽禁带半导体与现有的硅技术可以很好的形成互补，同时，碳化硅与氮化镓之间也可以有更好的互补：碳化硅关注更高的功率，而氮化镓则可以实现更低的能耗。Merli也强调，目前这三类器件目前在部分功能上还有重叠，ST今后也将会不断优化和完善。
图示：碳化硅、氮化镓、IGBT与Si MOSFET的功率、频率及应用分布图，很多地方都有重合。
Merli以具体应用举例，如下图所示的几种类型的拓扑结构中，针对传统的LLC拓扑，硅和氮化镓都可以实现，而对于三项三电平逆变器，例如Vienna拓扑等，碳化硅可以实现更高的频率和能效，对于图腾柱PFC等应用而言，则只能选择氮化镓或碳化硅。
图示：针对不同拓扑，需要不同的功率器件
Merli强调道：“ST是一家多元化的芯片商，拥有IGBT、MOSFET、宽禁带半导体等诸多产品线，可以为客户和合作伙伴提供广泛的技术和产品，这意味着客户可以从中选择最适合的解决方案和技术。”
电动汽车将成为碳化硅的关键
特斯拉2017年在Model 3中首次选择了ST的碳化硅功率器件，成为了第一家选择该技术的汽车制造商，而此后数年间，各家车厂纷纷选择碳化硅的方案。
根据ST CEO Jean-Marc Chery在2021年四季度财报电话会时所述，目前ST的碳化硅有90 个正在进行的设计项目，涵盖72家客户。Chery说道：“我们有一个明确的目标，既到 2024 年碳化硅产品（晶体管、二极管和电力模块）的营收要达10亿美元，并且占有30%的市场份额，这其中包括了电动汽车，也包括工业市场的强劲需求。”正如此前Omdia的汇总所示，ST在碳化硅的MOSFET上最具竞争力。
Merli具体介绍了汽车和工业用碳化硅的前景。具体而言，在电动汽车中碳化硅可以应用于逆变器、充电桩、DC-DC转换器、OBC（车载充电机）等；而针对工业应用，则包括了服务器、云存储、电机驱动、太阳能电站、风力发电机组等各类应用中。
除此之外，碳化硅还可应用于航空领域。尽管疫情影响，空中客车和罗尔斯-罗伊斯已经搁置了他们的混合动力飞机项目E-FanX。但eVTOL（固定翼全电动垂直起降）的电动直升机正在迅速发展，包括空客和赛峰都瞄准了这一“有望达到700亿美元”的市场，据统计，目前全世界范围内，至少有数十种正在研制的eVTOL型号、上百个专注这一领域的企业。这一市场显然除了对可靠性的极高需求之外，对产品的功率密度、效率以及尺寸都有着最高要求。
图示：Yolo 2019年的报告显示，电动汽车市场将是碳化硅的最大市场。
Merli表示，随着各国车企纷纷在电动汽车上的激进表态，ST对于碳化硅的未来非常有信心，尤其是中国。Merli援引OMDIA的趋势分析：2020年，功率器件只占动力总成芯片的40%，其中碳化硅更是只占了一小部分，而到2025年，碳化硅将超过MOSFET，成为功率器件的主流技术，同时功率器件总体在动力总成中的占比也将大于50%，这意味着碳化硅将是增长最快的功率器件。
图示：碳化硅将在动力总成上越来越多
为了证明碳化硅的优势，Merli给出了210千瓦牵引逆变器的一组数据进行对比。IGBT+二极管的方案无论是总芯片面积、开关损耗、总损耗方面均数倍于1.2kV的碳化硅 MOSFET。实际测试结果也表明，针对城市道路或高速公路等相对轻载的工况下，碳化硅的效率远高于IGBT，即便在满载状态时也是如此。
图示：碳化硅与IGBT对比
产品的快速迭代
ST的碳化硅历史可以追溯到25年前，1996年，ST就与卡塔尼亚大学物理系合作，开展碳化硅的研究，第一代二极管于2007年正式量产，尽管相对于老对手英飞凌而言，落后了几年，但随着产品被特斯拉选中，ST的碳化硅近几年进入了快速迭代期，几乎每两年就要更新一代。
ST在碳化硅上的历史
目前，ST的650V/1200V 第三代碳化硅 MOSFET正式投产，该系列通过优化Ron和Qg两个参数，更适合高频应用，同时也分为650V、750V、900V和1200V四个产品线，满足细分市场的需求。
图示：ST在碳化硅MOSFET产品上的路线图
同时，第四代产品正在开发过程中，预计今年Q4获批量产，第四代产品频率可达1MHz，Ron*area预计是第一代的20%，Ron比第三代要小15%。
在2019年，System Plus Consulting给出的碳化硅 MOSFET对比报告中，ST的产品FoM还较大，但随着几次迭代，ST平面工艺已经有了极大进步。ST对于其新一代碳化硅产品时是这样描述的：ST最新的平面 MOSFET利用全新的第三代碳化硅技术平台，为晶体管行业树立了新的品质因数 (FoM) 标杆，业界认可的FoM [导通电阻 (Ron) x 裸片面积和Ron x 栅极电荷 (Qg)]算法表示晶体管能效、功率密度和开关性能。用普通硅技术改善 FoM 变得越来越困难，因此，碳化硅技术是进一步改进FoM的关键。
图示：System Plus Consulting此前给出的产品性能对比
目前ST提供丰富的产品形态，既有采用分立封装的器件，又有在同一个封装中安装多个裸片的模块化可扩展方案，例如，ACEPACK SMIT、HU3PAK和STPAK封装，以及模块化封装，例如，ACEPACK1-2和 ACEPACK DRIVE。此外，Merli还补充道，除了1200V，ST还提供2200V超高压产品。
广泛的全产业链整合与合作
除了技术之外，Merli强调对于碳化硅这样的新兴技术，掌控甚至拥有完整的产业链是非常重要的。为此，ST近两年做了大量工作，首先在衬底及晶圆方面，包括先后与Wolfspeed/Cree和Rohm/碳化硅rystal签署多项晶圆供货协议，并且通过收购Norstel AB（已更名为ST 碳化硅 AB）完成自有的衬底生产线的建设。根据Merli的介绍，2020年一季度，ST首次内部供应6英寸碳化硅晶圆，2021年三季度推出了首8英寸晶圆原型，并计划于2024年量产，预计届时内部晶圆采购将占到总采购量的40%。
而在Fab上，ST正在将位于其卡塔尼亚工厂从6寸升级至8寸，并且在2021年三季度，位于新加坡的6英寸碳化硅生产线顺利通过认证。而在后道封装上，包括了中国深圳的赛意法和位于摩洛哥的布斯库拉工厂。
图示：意法半导体近期碳化硅相关动态总结
Merli强调，碳化硅作为新材料，在工艺、量产、良率、调参等方面需要不断优化。而IDM模式对于新型产业来说，不仅是为了节约成本和提高产能，更可帮助自己及合作伙伴共同积累knowhow，从而提升产品质量和产量，改善可靠性，并减少成本。
Merli表示，这一系列举措，可确保ST的碳化硅产能大幅提升，公司预计2024年的产能将比2017年提升十倍，而2024年之后公司仍承诺持续扩充产能。
除了生产之外，ST也和其他第三方厂商密切合作，开发模块类产品。比如最早就是APC同ST一起，为特斯拉提供碳化硅MOSFET模块。此外在2021年慕尼黑上海电子展上，ST曾经展示了与大湾区集成电路与系统应用研究院以及中科意创所开发的碳化硅主驱电机控制及48V逆变器等方案。
2021年，ST与雷诺签署战略协议，2022年初与法雷奥签署合作协议，通过一系列涵盖Tier1，OEM的深入合作，ST正在利用各种灵活合作方式，迅速扩大其在碳化硅的地位。Merli表示，ST正在通过和更多OEM深入合作，从而准确把握车厂需求，以便更好地定义产品。与此同时，Merli强调ST的任何合作都没有排他性，可以将最符合市场的产品提供给任何客户。
氮化镓正在复制碳化硅的成功
相比碳化硅而言，ST在氮化镓市场的活跃度较低，其中最重要的原因，主要因为目前氮化镓市场还主要以消费电子（快充）为主，这点和碳化硅有很大区别。但随着工业和汽车市场正在快速导入氮化镓，ST也开发了诸多产品，并宣布推出PowerGaN系列首款器件。
图示：根据Yole预测，消费类将是氮化镓市场的主要驱动力，而汽车市场则是增速最快的。
Merli大致介绍了一下PowerGaN的布局，和其他家略有不同，ST可同时提供D-Mode以及E-Mode在内的产品。其中D-Mode有两种架构的产品，包括采用Cascode架构，通过氮化镓 HEMT以及硅MOSFET级联的方式形成的G-FET，以及内置栅极驱动器及氮化镓HEMT的G-Drive。而E-Mode则是ST的氮化镓HEMT系列产品，具有更快的开关速度以及零Qrrr电荷，可支持更高频率转换，且包含100V和650V两类产品。
图示：ST的PowerGaN产品组成
针对氮化镓，ST采用了内外部混合代工模式进行，外部代工与台积电合作，内部生产则是位于法国的8英寸工厂。2020年，ST收购了Exagan的多数股权，Exagan是法国的一家拥有独特的外延层生长技术的创新型企业，是为数不多几家有能力在8英寸晶圆上大规模部署并制造GaN芯片的厂商。
除了PowerGaN系列之外，ST针对硅基氮化镓射频也有相应布局，同时也拥有集成驱动、控制与氮化镓系统级封装的MasterGaN系列产品。
Merli表示，氮化镓在工业和汽车中将有很广阔的应用前景，但相对于碳化硅来说，在电源市场中是一个更新的技术，因此仍需要不断提高可靠性，并不断改进性能，充分发挥其高频特性。
总结
就目前而言，无论是碳化硅还是氮化镓，市场都是一派乐观预测，此外再加上此轮半导体稀缺带来的影响，因此最终的产能问题无疑是会起到决定性作用。
除了ST之外，我们也能看到多家供应商针对产能进行着激进布局，包括但不限于英飞凌、博世、安森美、英诺赛科、Wolfspeed等。
而除了产能之外，客户的深度个性化需求，也让众多半导体企业开始直接与最终客户建立紧密对话，比如罗姆与吉利，宇通/通用与斯达、Wolfspeed，现代与英飞凌等都在共同开发碳化硅逆变器。
对于氮化镓而言，GaN Systems为美国电动汽车初创公司 Canoo 提供车载充电器，并与宝马签署了合作协议。Transphorm 与Marelli 合作，提供车载充电和 DC/DC 转换设备。Nexperia与Ricardo 合作，以色列的 VisIC Technologies与德国采埃孚合作，EPC与法国的 Brightloop 合作，Navitas与Brusa HyPower合作，Transphorm则同富士通合作。此外，包括PI，TI在内，均推出了不同的车用氮化镓器件。氮化镓尽管市场总规模不如碳化硅，但由于其是更新颖的技术，因此吸引了无数玩家。
但值得注意的是，汽车OEM越来越看重供应链的可靠性，因此更愿意从多个来源购买芯片。
无论从产能还是合作来看，ST一直在积极布局，以便抓住节能减排带来的新增长机遇，加速全球产业链朝向更加节能高效与高性价比的步伐。资料显示，2021年ST的资本支出为大约 21 亿美元，其中14 亿美元将投入全球产能扩建，7 亿美元用于战略计划。
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