布局碳化硅十八年安森美如何改变芯片未来

在2022年第一季度的财报中，全球知名的半导体厂商Yasumi再次明确了亚洲市场(除日本以外)的重要性。在芯片荒和俄乌战争的阴影下，亚洲对安三美全球市场的贡献仍过半，仅比2021年底低2个百分点。

"中国是安森美容的核心市场之一，贡献了将近一半的营业额."在电动云论坛上，中国区汽车市场技术负责人吴桐博士强调。

当一只黑天鹅狂舞时，它一定离它的顾客更近。这是业内的基本共识，安森美也不例外。在供不应求的形势下，“深度合作，按需供应”是最新的供应趋势。事实上，它已经在韩国、马来西亚、中国苏州、深圳建立了生产线，在亚太地区拥有完善的供应链体系已经成为既定事实。

在保证供应链安全的情况下，吴桐表示，未来的On Mei的工作重点将放在电动车和工业上。以电动汽车为例。无论是主驱动、充电、智能驾驶和车载娱乐系统等新概念，还是域控制器，都需要基于相应的半导体解决方案，这也是企业的绝佳增长点。

芯潮短缺的根源是供不应求。

要赶上增长点，首先要分析大环境下的焦虑——核心荒潮。

从需求来看，在拥抱电动化的大背景下，汽车行业也不例外。传统燃油汽车使用半导体的比例普遍不高，但随着电动汽车和插电式混合动力汽车的快速普及，半导体在汽车电子中的比例大大增加；

在成本方面，以前一辆汽车使用的半导体器件价值不超过50美元，现在可能超过1000美元。

随着新能源汽车的发展，整车使用的半导体器件数量呈几何级数增长，导致电动汽车市场对半导体的总需求呈指数级飞跃。

从供应链的角度来看，半导体器件的生产周期较长，产量的扩大也需要额外购买设备。对于半导体供应商来说，随着市场对生产设备需求的大幅增加，从上级供应商处订货的周期也在延长:以前扩建一条生产线只需要几个月，现在可能要推迟到几年，这就形成了恶性循环。

这样看来，目前在大环境下，并没有一个短期的方案能有效改善核心荒潮。吴桐认为，半导体行业为了自救，需要在长期产能规划的基础上实现有序的产能扩张，采用智能化的生产模式，满足下游客户的需求。

安森美目前扩大生产的路径是垂直整合产业链，保证前端和后端沟通的连续性。6英寸到8英寸晶圆的布局是通过自研和收购技术进行的。

以安森美布局电驱动领域的碳化硅器件为例。

碳化硅又称宽带隙半导体，与元素半导体(如硅)相比，具有宽带隙、击穿场强高、热导率高、抗辐射能力强、频率高等优点。可用于高温、高频、抗辐射和大功率器件。

早在2004年，TranSiC就开始了SiC BJT转换器的研究；2016年，安森以24亿美元现金完成对飞兆半导体(Fairchild Semiconductor)的收购，推动了安森低、中、高压全系列生产线的整合。同年，安梅推出了第一款碳化硅产品M1 1200V MOSFET。六年后，这款产品的第四代即将面世。

2021年8月，安森宣布与碳化硅生产商GT Advanced Technologies达成最终收购协议，以4.15亿美元现金收购GTAT。

吴桐说，碳化硅相对于硅的技术难点在于从研磨切割到晶柱成型的整个过程。GTAT不仅有碳化硅生产能力，还有装备制造能力。收购GTAT意味着安森完成了碳化硅产业链前端的整合。

预计收购GTAT后，ON Mei将重点推进8英寸晶圆的市场化，大力扩建生产线以补充产能。碳化硅方面，预计2022-2023年的资本支出将占其总收入的12%。

高压化电驱动的未来发展方向

布局18年，安森美为什么看好碳化硅的发展前景？

吴桐表示，电驱动的发展方向是从400 V到800 V，系统的发展趋势是用SiC MOSFET代替Si IGBT。

高压平台，从需求上来说，就是解决里程焦虑，这是电动车问世以来制约市场需求的“老大难”问题。传统燃油车的平均续航里程接近700公里，而电车700公里以上的续航能力已经名列前茅。

吴桐认为，目前流行的换电模式和平台高压有异曲同工之妙，双方可以实现互加。另外，从技术上讲，平台的高电压也可以提高充电效率:电压提高了，同等功率下功率损耗低，效率提高了，电池寿命也会相应提高。

此外，800 V系统还能带来新的技术和市场增长点。目前IGBT在400 V系统的成本和性能已经达到了很好的平衡，市场上还没有企业进行800 V系统的量产。新市场对技术的容忍度更高，可以在性能上有所突破。

平台的高压必然带来组件的更新。比如在400 V时，Si IGBT的实际耐压需求接近600 V，当电压提高到800 V时，元件的实际耐压需求会达到1200 V，这就要求适用于400 V的Si IGBT必须用耐压值更高的元件来代替，比如宽带隙半导体SiC。

上碳化硅的路很长，而且是修远。

吴桐表示，“碳化硅的出现给了下游市场很大的提升空间，在功率密度、功率水平甚至开关频率方面的可控性也得到升级，其中EV就是碳化硅器件重点发展的行业。”

但需要注意的是，从新的技术增长点的出现，到规模化生产，再到与主流产品Si IGBT的装载量和市场份额的竞争，每一个阶段都要经历漫长的RD和产能规划过程。

从结果回来，帮碳化硅上车。产业链前后端需要系统整合升级，下游需求提供明确的优化方向，上游供给配合实现业绩突破。上下游之间的信息交换是一个双向促进的过程。

在此之前，需要打通碳化硅供应链，实现生产规模和产品良率的同步提升，进而降低产品单价，创造市场优势。安森美的布局也是针对这个难点。

目前，安森美和大多数看好碳化硅前景的半导体企业都处于解决碳化硅器件在制造、切割、互连、封装等技术痛点的阶段。

从制造工艺上看，碳化硅作为一种化合物，晶圆提纯的工艺难度高于硅，生长环境温度更高且容易产生杂质，尚未达到大规模产出，低于硅。

就切割工艺而言，简单硅容易切薄，硅柱很长，可以切掉优质部分。而碳化硅的硬度介于刚玉和金刚石之间，硬而脆。在细化的过程中，需要先切粗再细化。“比如需要100片晶圆，但我要把它们切成200片晶圆，然后再做薄。”这意味着在吴桐的切割过程中会有大量的浪费。目前在不成熟的工艺下，产品利用率、性价比、可靠性都不高。

在半导体掺杂的过程中，传统的硅基半导体掺杂工艺多种多样，比较成熟的是热扩散和离子注入，可以改变晶体中载流子的种类和浓度，从而调节其电学特性。

但是，这两种方法都不适用于碳化硅。以热扩散为例，原理是加热使晶体产生大量热缺陷，加剧热运动，提高原子的扩散系数。而碳化硅中原子的扩散系数极低，在注入的激活退火中，大部分注入杂质的扩散可以忽略不计。

吴桐说，目前碳化硅只有一种特殊的掺杂方法，但其生产率低，效率低于离子注入，也会影响成品率。但他也强调，从2004年开始，安森就一直在布局碳化硅，从工艺成熟度来说，是行业前列的。这也是安森争夺该领域领先地位的信心所在。

碳化硅将如何改变模块封装？

吴桐说，未来模块设计将朝着塑封、小尺寸、轻重量和高功率密度的方向发展。具体来说，碳化硅的参与可以从五个方面改变封装技术。

首先，可靠性测试。由于硅IGBT的低功耗要求，传统六合一模块的可靠性是一个很大的缺点。在今后的碳化硅器件封装可靠性验证中，将重点分析功率循环和极端温度循环。

与Si材料相比，SiC材料的CTE系数较大，SiC芯片边缘的热应力也较大。随着使用时间的增加，芯片层在功率循环的过程中会与下层焊料层分离，甚至焊料层会出现空洞。这些空洞的直接后果就是热阻增加，器件的热导率降低，散热变差。

与传统焊接技术相比，银烧结技术的应用可以很好地解决上述问题。银烧结技术又称低温键合技术，是指通过烧结工艺将微米和纳米银颗粒与材料键合的技术，是大功率模块封装中的关键技术。

据吴桐介绍，这主要是因为银烧结是一种纳米多孔材料，具有很强的吸收应力和导热能力。采用银烧结技术有助于提高器件的可靠性。

同时，互联互通的过程也将发生变化。在相同的电流负载下，SiC MOSFET的面积是Si IGBT的一半。这个优点给引线键合带来了困难。随着SiC MOSFET面积的减小，单位电流密度增加，但单位面积的键合线数量相对固定，导致单根键合线承载的电流增加。

从下面的模块测试图可以看出，高温点出现在焊接点。从截面图分析，模块失效一方面是由于热阻增大，另一方面是由于键合线脱落。在极端情况下，焊线可能会因电流过大而烧毁。

以上种种都会损害器件的可靠性。经过多次评估，安森美提出用塑封模块替代灌胶模块，将使器件的整体可靠性提高到原来的4倍以上。

为了优化电感，模块的具体设计也将改变。

在相同的电流水平下，Si IGBT芯片的面积比SiC MOSFET的大，因此有更多的可焊接位置。然而，寄生电感的最小化不仅可以通过增加焊线的数量来实现。吴桐表示，键合线、基板材料、芯片接头等设计是优化电感的关键，如DPC、激光焊接、叠层设计等。

最后，封装材料升级，保证器件在高温下的可靠运行。

为了提高SiC MOSFET的电流输出能力，增强器件的性价比，可以将原来的最高结温150℃进一步提高到200℃，相当于在相同成本下多输出100 A的电流。功率逐渐向高工作结温转变也是安森美提倡塑封的一大原因。

功率半导体行业的共识是，器件的热设计是限制器件电流容量的主要因素。比如在不同的散热能力下，器件传导电流的能力是不一样的。如果电流容量较弱，为了传输相同的电流，需要并联多个设备。相比一台设备，成本有很大劣势。

通过升级器件封装，提高了其散热能力。即使封装成本会有一定程度的增加，但目前系统层面的能力更强。总体来说，这个方案性价比还是很高的，也能满足终端的需求。

碳化硅会是下一个行业出路吗？它的到来和应用是否会加速高压平台架构的建设？现有的很多技术痛点将如何解决？上车的路很长。布局近20年的安三美能否成为行业老大，引领下一次技术突破？

新事物的发展总会带来很多期待，但最后一点正如吴彤所说:“用更好的技术服务这个市场。”