國產(chǎn)SiC MOSFET“隱形王者”，打入汽車市場，迎接OBC爆發(fā)期

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃晶晶）成立于2018年的派恩杰半導體，從成立之初就聚焦于碳化硅MOSFET，緊鑼密鼓布局車規(guī)級半導體芯片，并已順利“上車”，產(chǎn)品已應用于汽車OBC等領域。據(jù)悉從銷售規(guī)模來看，應當是目前國內(nèi)碳化硅MOS銷售體量最大的公司。我們知道，國內(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，同時應用到新能源汽車上的更是鳳毛麟角。殊不知，派恩杰的SiC MOSFET產(chǎn)品在汽車OBC市場，已經(jīng)獲得了新能源汽車龍頭企業(yè)數(shù)千萬訂單，并已開始低調(diào)供貨。

十多年自研技術，突破SiC MOSFET難點

派恩杰半導體創(chuàng)始人黃興是美國北卡州立大學的博士，在美國有11余年碳化硅、氮化鎵功率器件研發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)驗，也是全球首款6英寸碳化硅3300伏MOSFET器件和首個可雙向耐壓碳化硅結終端結構的發(fā)明者。他師從IGBT之父B?賈揚?巴利加（B. Jayant Baliga），在Cree / RFMD(Qorvo) / UnitedSiC等有長達十年的SiC&GaN功率器件設計經(jīng)驗。

派恩杰半導體創(chuàng)始人黃興

2019年3月，派恩杰成立僅6個月即發(fā)布了第一款可兼容驅動650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技術的1200V SiC MOS，填補了國內(nèi)空白。2020年先后發(fā)布用于5G數(shù)據(jù)中心、服務器與工業(yè)輔助電源的650V、1700V工業(yè)級MOS以及用于車載充電機的650V車規(guī)級MOS。2021年2月發(fā)布1200V大電流車規(guī)級MOS，應用于電動汽車電驅單管及模塊。

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對標的是國外大廠的產(chǎn)品，那么具體有哪些優(yōu)勢呢？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，黃興進行了分析。

具體來看，派恩杰碳化硅MOS的技術是對標CREE第三代平面柵碳化硅MOS，在數(shù)據(jù)和實測上做對比，例如行業(yè)里面評價碳化硅MOS的一個優(yōu)劣性指標叫HDFM，它就是器件的Rds(on)×器件的Qgd。派恩杰的產(chǎn)品在整個Rds(on)×Qgd，在所有的平面柵技術里面是最好的。然后，與市面上所有的碳化硅芯片HDFM值對比上，派恩杰HDFM指標僅次于英飛凌，也就說在開關損耗和導通損耗里面，可以給客戶最優(yōu)的解決方案的。

另外，黃興指出，在客戶端實測，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試，我們現(xiàn)在可以達到相關比較苛刻的工業(yè)要求和車規(guī)要求。另外在設計端，我們也有自己的一個迭代速度，碳化硅MOS上車主要還是以平面柵的技術為主，我們也是堅持平面柵技術，并會不斷迭代優(yōu)化，像Rds(on)×Qgd這個HDFM指標越做越小，以此保持技術上的先進性。

研發(fā)碳化硅MOS的難點在于，碳化硅材料本身的一些模型數(shù)據(jù)的缺失，最開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候，給出的預測都是非常不準確的。這就給設計者帶來了很大的難度，很多人在仿真里面可以設計出來一個很好的器件，但是一旦流片出來，發(fā)現(xiàn)跟設計的完全不一樣。這里面就是因為整個仿真軟件對于像碳化硅這類比較細分的領域，不會專門為碳化硅投入太多的資源，所以導致這方面模型是缺失的。這就需要我們設計者從最底層的物理上的模型，對碳化硅材料進行校準。比如說碳化硅自己的電子遷移率、雪崩擊穿模型，以及熱學仿真模型，工藝柵氧生長，包括柵氧界面態(tài)的一些缺陷的模型，都是需要設計者通過不斷的實驗去提取迭代，然后完善的。

“我們這個模型是我從09年在北卡州立大學做研究以來，一直不斷在這個行業(yè)里面積累，包括跟很多業(yè)內(nèi)科學家合作，提取出來這樣一個模型，這個模型可以相對準確的讓我們的仿真和實驗結果匹配程度很好。這樣就極大的縮短了我們在碳化硅設計開發(fā)的時間，這是一方面?！秉S興進一步說道。

除了在設計上需要精準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3萬元人民幣左右。一個PN（part number）如果按200片的硅晶圓，需要10萬元。但200片碳化硅wafer，每片3萬塊錢人民幣，一個（part number）的研發(fā)投入至少要600萬人民幣以上。若開發(fā)幾十款料號，成本將大幅上升。同時還有迭代的速度也很關鍵。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，就會極大的限制整個研發(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)品一個重要原因。

派恩杰合作的代工廠是有30年車規(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)揮派恩杰國際一流水平的產(chǎn)品技術優(yōu)勢和在X-FAB高擴展性和汽車品質(zhì)的代工服務，降低SiC器件的成本，保障產(chǎn)能，加速SiC功率器件的應用。

SiC MOSFET“上車”，汽車OBC最先起量，主驅逆變還得再等等

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

另一方面，隨著電動汽車的普及和應用，汽車OBC也有作為儲能電池往外放電的需求。比如戶外用電時將電量反向釋放給電器設備供電。這在歐美市場有明顯需求。而國內(nèi)一些車廠也將雙向OBC作為標配。作為雙向解決方案，用碳化硅是最劃算的，它跟儲能的方案極其類似，能量存在著雙向流動，比如輸入效率99%，輸出99%，綜合效率達98%。

從器件的耐壓等級來看，派恩杰提供覆蓋650伏、1200伏、1700伏三個電壓平臺的器件。目前派恩杰主要在汽車OBC上面應用的是單管1200伏的碳化硅MOS和650伏碳化硅MOS，這兩種耐壓器件針對客戶的系統(tǒng)電壓平臺，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，對于國產(chǎn)碳化硅MOS應用于汽車電驅，需要過可靠性和產(chǎn)能兩個難關。黃興表示，從國內(nèi)整個產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢和特點來說，可能先解決量的問題，先至少保證國產(chǎn)供應鏈在工業(yè)級應用的產(chǎn)能，再不斷提升可靠性。量的問題依賴碳化硅襯底、外延、代工等廠商的發(fā)展速度，需要不斷的迭代，預估兩三年內(nèi)能夠逐漸實現(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計上的先發(fā)優(yōu)勢，延展到模塊領域。在碳化硅MOS用于工業(yè)和汽車領域上，派恩杰積累了大量的數(shù)據(jù)，因此能夠將芯片優(yōu)勢和特性聯(lián)合到整個模塊設計當中。黃興表示，我們會進行上下聯(lián)動的調(diào)校和優(yōu)化，讓模塊去適應芯片，同一個技術能夠更好的銜接，類比于英飛凌，它的很多功率模塊也是使用自有芯片才做得如此成功。預計派恩杰的自有碳化硅模塊封裝產(chǎn)線將于2022年初動工，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，出于碳化硅現(xiàn)在的效率考慮，將不會使用雙面冷卻，而是單面冷卻。還會選擇工作高溫的一些封裝材料，來提高整個碳化硅的工作結溫，同時提高可靠性。黃興說，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，到整個模塊，我們會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規(guī)要求。

由于現(xiàn)在整體碳化硅供應鏈的資源比較稀缺，而汽車需求又在不斷擴大，據(jù)悉，在國際龍頭企業(yè)碳化硅MOS的交期從52周延長到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72萬片。假設像GT advanced，II-VI，住友電工，Si Crystal全部加起來是Cree的2-3倍，全球整個原材料的產(chǎn)能也就是一年不到200萬片。而全球整個市場需求，僅中國大陸的汽車市場一年就至少需要100萬片，全球總需求應該遠遠超過整個碳化硅原材料供給。

現(xiàn)在很多擴產(chǎn)的策略不是要新建更多foundry，而是更多去驗證推動國產(chǎn)襯底原材料廠商的技術，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內(nèi)廠商合作溝通，希望助力國產(chǎn)供應鏈實現(xiàn)突破和量產(chǎn)。

小結：

碳化硅MOS不限于汽車領域，在工業(yè)變頻控制器、空壓機、水泵、工業(yè)傳動以及儲能、光伏逆變等都能得到應用。派恩杰已經(jīng)率先進入碳化硅MOSFET領域并實現(xiàn)工業(yè)級、車規(guī)級量產(chǎn)出貨，必將在政策推動、新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的機遇下，實現(xiàn)更高的成長。