由“点”及“面”、以“静”制“动”：英飞凌如何制霸SiC市场？
今年以来，业内针对第三代半导体的投资可谓是热度高涨。从4月全国各地的半导体项目落地签约情况来看，碳化硅和氮化镓衬底、材料以及器件这类量产项目可谓备受关注，这也进一步印证了国内对于第三代半导体市场长期增长的看好。而在全球范围内，第三代半导体的也正稳中有进，据IHS的预估，今年碳化硅领域将会有近5000万美元的市场份额，再往后到2028年，预计市场份额会达到1亿6000万美元，整体年复合增长率达到16%的水平。
这也为不少深耕SiC领域多年的半导体厂商提供了巨大的增长契机，毕竟碳化硅能够适用的应用场景很多，典型比如电源供应器、不间断电源、电动汽车充电、马达驱动还有光伏跟储能等。因此，对于任何一家企业来说，无论是吃下上述哪一块标的市场，无疑都能从中获取巨额利润。
这正是得益于SiC本身的诸多优良特性，近日的英飞凌650V CoolSiC MOSFET在线媒体发布会上，英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源表示：“首先，在带隙(band gap)部分，碳化硅是传统硅材料的大概三倍;且单位面积的阻隔电压能力大概是7倍，从0.3-2.2MV/cm;电子迁移率方面则差不多，1.5cm2/ V·s、1.1cm2/ V·s ，热导率事实上也是大概3倍多，电子漂移速度也大概2倍左右。”
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源
对于工程设计者而言，这些特性能为器件和方案的设计带来诸多好处。典型比如，它可以运行在更高的电压，可以达到更高的效率，因为SiC各方面的速率都比较高，可以让功率器件轻薄短小，占比较小的空间，以及更高的开关频率，从而让体积减小，对于提升整体方案的性价比以及降成本有着莫大助益。
英飞凌650V CoolSiC MOSFET是如何炼成的?
身为全球领先的半导体供应商，英飞凌一直以来都在产品线的规划以及将技术与市场融合构建自身的综合竞争力方面有着自己另辟蹊径的独到方式。在英飞凌看来，无论市场形势如何变化，“英飞凌都乐意竞争，有竞争才会进步，英飞凌也是一直以来也在这个市场不惧竞争。”
今年2月底，英飞凌刚推出了8款不同的650V CoolSiC MOSFET产品。从静态导通电阻的角度来看，涵盖从27 mΩ到107 mΩ的4款不同的产品。当然这只是第一个阶段陈清源透露：“我们陆续会再推出更多的封装来应用不同的领域。目前我们目标市场，现在谈的很多的服务器、数据中心，比如通讯电源，无论是4G、5G、大基站、小基站，事实上碳化硅都是一个可以考虑而且还是很适合的产品。工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统，以及能源储存的部分，这些都是目标市场，而且这几个目标市场也是后续增长快速的市场。”
当然，落实到具体应用场景当中，尤其是电源领域，不可避免的还要关注器件的可靠度。比如像通讯电源这类目标市场，对器件的要求使用寿命可能要十年以上，服务器跟资料中心也大概5年-10年。因此，除了性能考量之外，它的坚固和可靠程度也是不能被忽略的，不然会造成以后不可挽回的成本和商誉的损失。
针对碳化硅产品的可靠度，英飞凌也做了很多的研讨。陈清源举例到：“包括增加坚固耐用度，在栅极氧化层的可靠度，我们做了很多优化，目前的坚固度已经很成熟了，IGBT跟CooIMOS接近。为了防止“误导通”，我们把VGS重新设计在大于4V上，这可以降低一些噪音进来的“误导通”。在一些特殊的拓扑，例如CCM图腾柱的拓扑，它有一些硬换向的体二极管，我们做了很大的优化，跟既有的硅体二极管的能力差异。”
再比如抗雪崩方面，在一个电源的应用环境，可能会有一些杂讯也好、还是一些电源的不稳定，电源的不稳定会超过额定电压650V。陈清源表示：“我们这个产品抗雪崩的能力，可以防止一些不适当使用造成器件的损坏、造成电源工具的损坏，抗短路的能力也是有的。这是针对可靠度，我们做的努力与结果。”
另外，由于工程师对于碳化硅没有传统硅那么熟悉，所以英飞凌在设计上面我们也做了一些更贴近工程师习惯的考量。陈清源指出：“借由我们长期以来跟很多业界的电源工器的领导厂商合作，我们也把VGS电压范围放宽。在0V电压可以关断VGS，就不会到负电压。不会像氮化镓要做一个负电压，造成整个电路的负担，在设计上也造成一些压力。所以说，英飞凌在整个碳化硅的技术上面，我们是兼顾性能、稳定和坚固性做一个很好的考量，无论在使用方面还是在设计上面都很方便，这也一直以来是英飞凌考量取得平衡的一个部分。”
为什么采取“沟槽式”设计?
对于MOSFET而言，栅极氧化层一直以来都是设计上的一个难点，并直接关乎到器件的可靠度表现。而目前，在碳化硅的前端工艺上，主要有平面式和沟槽式两种设计，平面式由于在导通状态下，器件性能与栅极氧化层可靠性之间需要做很大折衷，从设计层面上来讲可能要达到高可靠度难度不小;相比之下，沟槽式方案由于更容易达到性能要求且不偏离栅极氧化层的安全条件，因此被广为看好。
英飞凌采取的就是沟槽式的方案，陈清源解释到：“因为我们沟槽式的经验来自于CoolMOS这十几二十年的工作经验，我们得到了很多的专业技术。我们采用沟槽式的设计可以达到性能的要求，且不会偏离它的可靠度。就以碳化硅MOS为例，可能在同样的可靠度上，碳化硅沟槽式的设计会远比平面式的碳化硅MOS拥有更高的性能。我们在谈一个未来新的突破性的元件的时候，当然是首先看到它的性能，我们认为沟槽式是未来的趋势，借由这个沟槽式的设计，我们可以让它的性能发挥到极致。”
不过，由于沟槽式方案的栅极氧化层比较薄，在设计上还要兼顾器件的耐用性。但英飞凌表示，沟槽式的设计已经是英飞凌的一个优势，英飞凌在该技术上已经有20年的经验积累，无良是控制良率，还是控制它的稳定性，已经很有心得。
如何应对中国本土的市场竞争?
虽然在Si时代，本土企业并没有跟上国际大厂的步伐，但如今第三代半导体尤其是碳化硅领域，国内近年来正涌现出越来越多相当有实力的专业玩家，这也进一步加剧了碳化硅市场的竞争。况且，中国本土如今“国产替代”浪潮汹涌，如此形势之下，英飞凌将如何继续保持竞争优势?
对此，陈清源表示：“英飞凌对竞争一直以来都是乐见其成，我们有自己的优势。英飞凌在碳化硅领域也布局了几年，里面累积的专业技术知识和能力很多。针对新的竞争对手，如何能持续投入这么高资金成本的投资对他们来说也是个挑战。因为这是一个长期的比赛、马拉松，甚至超级马拉松。英飞凌有这个优势，除了在电源的领域经营了那么久，加上硅的生意可以支持我们持续的投资。当然，我们看到一些产品的特性，事实上它的高成长率会支持我们继续投资，这是我们乐见竞争、有竞争才有进步，这也是英飞凌的一个比较开放的观念。”
比如，英飞凌有自己的生产线，根据产能的需求，陈清源补充到：“‘良率’目前事实上已经能够做到不错的控制，我们的沟槽式的设计也不是这一两年，我们已经做了20年的CoolSiC MOSFET，所以良率的部分可能不会有太大的问题。”
同时，为保证持续充足且稳定的原材料供货，英飞凌也做足了准备。陈清源表示：“为了保障交货的稳定、安全，所有主要的元件我们会有不同的供应商。除了碳化硅材料包括衬底的供应商科锐(Cree)以外，英飞凌在美国和日本还有其他供应商，我们不会有产能的限制，因为我们有很多家供应商，共5家，科锐只是其中一家。实际上我们现在碳化硅二极管的量也很大，没有发生任何的供货问题。而且，我们会做一个中长期的计划，而且我们都是跟供应商签长约，尽量去避免这个问题。短期的话，我们会跟主要的客户做更多的沟通、更多的了解，适当的时间也会留一些余量。”
虽然目前只有8个产品，但陈清源表示会继续在年底还会有新产品，在2021年我们会扩展到50个产品以上。扩展这么多产品，当然也是为了满足市场应用的更多需求。在不同的应用场景，它可能选择不同的包装。为了价格的考量，在不同的瓦特数，选择不同的RDS(on)，英飞凌会不断把产品做的很完整，适用于各种不同的应用场域，实现由“点”及“面”的覆盖。
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