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功率半导体器件助力华虹宏力再上新台阶

2019-04-21

华虹集团旗下上海华虹宏力半导体制造有限公司(“华虹宏力”)战略、市场与发展部李健在第八届年度中国电子ICT媒体论坛暨2019产业和技术展望研讨会上以《电动汽车“芯”机遇》为题为现场嘉宾分享电动汽车给功率半导体带来的发展机遇,并重点介绍了华虹宏力在功率半导体领域的工艺技术。

 

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李健开场就表示,今天在这里和大家共同探讨一下电动汽车孕育的新机遇。当机遇来的时候,我们必须要有核心的技术,才能够抓住机遇,开创我们的未来。

 

芯机遇,电动汽车助力功率半导体再迎春天

 

李健表示,电动汽车是半导体产业的发展新机遇,是半导体发展下一个十年的引领载体。他说,从2017年开始,智能手机已显出疲态,半导体产业急需新的市场应用拉动上扬,而能够担任多技术融合载体重任的当属智能汽车。

 

李健分析说,首先汽车“电子化”是大势所趋,从汽车成本结构来看,未来芯片成本有望占汽车总成本的50%以上,这将给半导体带来巨大的市场需求。

 

其次,虽然汽车是个传统的制造业,但是个能让人热血沸腾的制造业,因为汽车产业承载了人类的梦想。当传统的汽车制造业遇到当今的半导体,就像千里马插上翅膀,会变成下一个引领浪潮的“才子”。李健表示,自动驾驶处理器、ADAS芯片为电动汽车带来冷静的头脑;同时,IGBT、MOSFET等功率半导体器件为电动汽车带来更强壮的肌肉,让千里马跑得更快。

 

汽车电动化是全球趋势。有数据表明,2020年,全球新能源车的销售目标为700万台,而中国内地为200万台。有别于传统汽车,新能源车配有电机、电池、车载充电机、电机逆变控制器和电动车空调压缩机PTC加热器等,这都需要大量的功率器件芯片。除了车辆本身“电动化”之外,还给后装零部件市场和配套用电设施带来新需求,比如直流快速充电桩。

 

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图片来源:嘉宾演讲PPT

 

电动汽车中功率芯片的用途非常广泛,如启停系统、DC/DC变压器(高压转12V)、DC/AC主逆变器+DC/DC升压、发电机、车载充电机等,都要用到功率器件。

 

李健以IGBT为例,对电动汽车中功率器件的规模进行了介绍,他说一台电动车总共需要48颗IGBT芯片,其中前后双电机共需要36颗,车载充电机需要4颗,电动空调8颗。同时后装维修零配件市场按1:1配套。如果2020年国内电动汽车销量达到200万台,国内市场大约需要每月10万片8英寸车规级IGBT晶圆产能(按每片晶圆容纳120颗IGBT芯片折算)。基于国内电动车市场占全球市场的1/3,2020年全球汽车市场可能需要超过每月30万片8英寸IGBT晶圆产能!

 

李健表示,除了电动汽车市场,IGBT在其它应用市场中也广受欢迎,业内有看法认为还需要新建十座IGBT晶圆厂。

 

芯技术,华虹宏力聚焦功率器件特色工艺

 

华虹宏力从2002年开始自主创“芯”路,是全球第一家提供功率器件代工服务的8英寸纯晶圆代工厂。2002年到2010年,陆续完成先进的沟槽型中低压MOSFET/SGT/TBO等功率器件技术开发;2010年,高压600V ~700V沟槽型、平面型MOSFET工艺进入量产阶段;2011年第一代深沟槽超级结工艺进入量产阶段,同年1200V沟槽型NPT IGBT工艺也完成研发进入量产阶段;2013年,第2代深沟槽超级结工艺推向市场,同时600V~1200V沟槽型场截止型IGBT(FDB工艺)也成功量产。

 

作为华虹宏力的核心业务之一,公司在功率器件方面主要聚焦在以下4个方面:

 

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图片来源:嘉宾演讲PPT 

 

一是沟槽型MOS/SGT,适合小于300V电压的应用,如汽车辅助系统应用12V/24V/48V等。硅基MOSFET是功率器件工艺的基础,后续工艺都是基于这个工艺平台不断升级、完善,华虹宏力致力于优化pitch size,提升元胞密度,降低导通电阻。华虹宏力的MOSFET产品已通过车规认证,并配合客户完成相对核心关键部件如汽车油泵、转向助力系统等的应用。目前华虹宏力8英寸MOSFET晶圆出货已超过700万片。

 

二是超级结MOSFET工艺(DT-SJ),涵盖300V到800V,应用于汽车动力电池电压转12V低电压及直流充电桩功率模块。超级结MOSFET最显著特征为P柱结构,华虹宏力采用拥有自主知识产权的深沟槽型P柱,可大幅降低导通电阻,同时,在生产制造过程中可大幅缩短加工周期、降低生产成本。超级结MOSFET适用于500V~900V电压段,它的电阻更小,效率更高,散热相对低,所以在要求严苛的开关电源里有大量的应用。

 

超级结MOSFET是华虹宏力功率半导体工艺平台的中流砥柱。2011年,第一代超级结MOSFET工艺开始量产;2013年,通过技术创新,优化pitch size,降低结电阻,推出第二代超级结MOSFET工艺;2015年,进一步优化,推出2.5代超级结MOSFET工艺;2017年,第三代超级结MOSFET工艺试生产。

 

李健表示,相比前代的平面型栅极,华虹宏力第三代超级结MOSFET在结构上有了创新,采用垂直沟槽栅(Vertical trench)结构,有效降低结电阻,进一步优化pitch size,可提供导通电阻更低、芯片面积更小、开关速度更快和开关损耗更低的产品解决方案。

 

用单位面积导通电阻来衡量的话,华虹宏力超级结MOSFET工艺每一代新技术都优化25%以上,持续为客户创造更多价值。

 

李健强调,垂直沟槽栅超级结MOSFET是华虹宏力自主开发、拥有完全知识产权的创“芯”技术。

 

三是IGBT,作为电动汽车的核心,主要是在600V~3300V甚至6500V高压上的应用,如汽车主逆变、车载充电机等。

 

李健表示,硅基IGBT作为电动汽车的核“芯”,非常考验晶圆制造的能力和经验。从器件结构来看,IGBT芯片正面类似普通的MOSFET,难点在于实现背面结构。

 

华虹宏力是国内为数不多可用8英寸晶圆产线为客户代工的厂商之一,公司拥有背面薄片、背面高能离子注入、背面激光退火以及背面金属化等一整套完整的FS IGBT的背面加工处理能力,使得客户产品能够比肩业界主流的国际IDM产品。

 

IGBT晶圆的背面加工需要很多特殊的工艺制程。以最简单的薄片工艺来说,一般正常的8英寸晶圆厚700多微米,减薄后需要达到60微米甚至更薄,就像纸一样,不采用特殊设备,晶圆就会翘曲而无法进行后续加工。

 

华虹宏力IGBT早期以1200V LPT、1700V NPT/FS为主;目前集中在场截止型(FS)工艺上,以600伏和1200伏电压段为主;3300V~6500V高压段工艺的技术开发已经完成,正在进行产品验证。

 

四是GaN/SiC新材料,未来五到十年,SiC类功率器件会成为汽车市场的主力,主要用于主逆变器和大功率直流快充的充电桩上。

 

李健介绍说,宽禁带材料(GaN/SiC)优势非常明显,未来10到15年,宽禁带材料的市场空间非常巨大,但目前可靠性还有待进一步观察。

 

李健对GaN和SiC进行了一个简单的对比。从市场应用需求来讲,SiC的市场应用和硅基IGBT完全重合,应用场景明确,GaN则瞄准新兴领域,如无线充电和无人驾驶LiDAR,应用场景存在一定的变数。从技术成熟度来讲,SiC二级管技术已成熟,MOS管也已小批量供货。而SiC基GaN虽然相对成熟,但成本高;Si基GaN则仍不成熟。从性价比来讲,SiC比较明确,未来大量量产后有望快速拉低成本。而GaN的则有待观察,如果新型应用不能如期上量,成本下降会比较缓慢。不过Si基GaN最大的优势在于可以和传统CMOS产线兼容,而SiC则做不到这点。

 

芯未来,施行“8+12”战略布局

 

尽管半导体市场风云际会,公司整体战略是开辟“超越摩尔”新路,深耕“特色+优势”工艺,实行“8+12”的战略布局。

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图片来源:嘉宾演讲PPT 

 

8英寸的战略定位是“广积粮”,重点是“积”。华虹宏力有近20年的特色工艺技术积累,是业内首个拥有深沟槽超级结(Deep Trench Super Junction,DT-SJ)及场截止型IGBT(Field Stop,FS IGBT)工艺平台的8英寸代工厂,公司现已推出第三代DT-SJ工艺平台。在IGBT方面让客户产品能够比肩业界主流的国际IDM产品。

 

公司积累了众多战略客户多年合作的情谊;连续32个季度盈利的赫赫成绩,也为华虹宏力积累了大量的资本。

 

正因为有这些积累,华虹宏力可以开始布局12英寸先进工艺。

 

12英寸的战略定位是“高筑墙”,重点是“高”。华虹宏力将通过建设12英寸生产线,延伸8英寸特色工艺优势,拓宽护城河,提高技术壁垒,拉开与身后竞争者的差距。

 

在扩充产能的同时,技术节点也推进到90/55纳米,以便给客户提供更先进的工艺支持,携手再上新台阶。

 

李健总结到,只有积累了雄厚的底蕴,才能够在更高的舞台上走得更稳。


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