电动汽车碳化硅产业前行 半导体技术朝多元化演进

2021-07-12 09:07:02

与第一、二代半导体材料相比,第三代半导体材料拥有高频、高功率、抗高温、抗高辐射、光电性能优异等特点,更加适合于制造微波射频器件、光电子器件、电力电子器件,是未来半导体产业发展的重要方向。特别是近年来新能源汽车快速发展,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为核心的功率半导体,正在成为支撑着新能源汽车发展的关键技术之一。日前,《中国电子报》记者采访了欧洲半导体行业协会(ESIA)主席、意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery,探讨第三代半导体等技术的发展趋势。Jean-Marc Chery指出,半导体技术有助于相关应用实现更低的功耗和更少的气体排放,包括二氧化碳排放。意法半导体将专注于智能出行、电力和能源、物联网和5G三大发展趋势,将对CMOS、BCD智能功率、功率分立器件制造等可持续发展的技术进行开发。

电动汽车成为碳化硅技术创新重要平台

未来10年,汽车产业将逐渐完成从内燃机向电动化的转变,新能源汽车市场将取得高速发展。这极大推动了SiC等市场的发展与技术创新。

在谈到技术创新趋势时,Jean-Marc Chery表示,从最终应用模块、芯片制造工艺,到晶圆外延层和原材料等多个层面,第三代半导体都有着大量的创新发展空间。

“我们一方面在模块层面进行技术改进,电动汽车特别是与SiC相关的车用场景对改进逆变器、车载充电机和DC/DC变换器性能的要求十分强烈。另一方面,在制造工艺层面,我们量产的第三代SiC采用平面制造技术,已累计生产了成千上万片晶圆,积累了大量的研制经验。我们的用户都能受益于这种可靠且高性能的第三代半导体技术。同时我们也在开发第四代制造技术,并计划不断提高MOSFET的应力和电气性能。”Jean-Marc Chery表示。

“原材料和外延层方面也是实现碳化硅技术发展的重要环节。意法半导体两年前收购了Norstel公司,填补了6英寸晶圆制造技术的空白。试验结果证明,我们的产品技术性能高于竞争对手。最近,我们还交付了首个8英寸碳化硅晶圆,并计划在8英寸碳化硅晶圆上率先制造测试二极管,进行MOSFET流片和测试。”Jean-Marc Chery说。

电动汽车的应用与发展已成为碳化硅等第三代半导体技术创新的重要平台。Jean-Marc Chery表示,从应用模块、芯片制造工艺,到晶圆外延和材料,ST将成为为数不多的供应链完全垂直整合的半导体公司之一。这种全垂直整合的发展模式对供应链的掌控与在市场中的竞争都是一个重要的优势。

特斯拉Model 3是第一个采用碳化硅功率器件的电动车车型,据悉其采用的就是来自意法半导体的650V SiC MOSFET器件。相比Model s/x上采用的IGBT,SiC MOSFET能带来5%~8%的逆变器效率提升,这对电动车的续航能力有着显著提升。

半导体技术朝多元化演进

在谈到整个半导体行业的发展趋势时,Jean-Marc Chery认为,半导体技术大致可以分成三大部分。第一部分是独立电子、计算机和通信技术,其中基础技术是CMOS FinFET。当前,最先进的量产工艺是5纳米,采用的工艺就是FinFET架构的变体。这是在大规模引入极紫外光刻技术,逐步取代多重图形光刻后,取得的技术进展。目前,三星、台积电和英特尔等主要制造厂商正在开发下一代3纳米、2纳米工艺。在这个节点上,有可能会出现新的突破,主流的制造工艺有可能转向纳米芯片全环绕栅极技术,以延续摩尔定律。如果成功开发出新架构,摩尔定律将有望再延续一定的年限。此外,异构集成的技术也值得关注,如3D异构封装,将多个裸片堆叠得到尺寸最小的系统芯片、系统模块。

第二部分是存储器,包括NAND闪存和DRAM内存。它们在存储容量和能耗方面也遵循上述原则,产品变得越来越节能,性能越来越好。

第三部分是多元化半导体世界。在这个世界,并不追求极致的先进工艺,但却需要特色的工艺技术。首先是成熟的0.5微米到110纳米的8英寸晶片制造技术,其次是成熟的19纳米到28纳米的12英寸晶片制程。“我们将28纳米视为晶体管栅极的创新技术,用于制造成熟的12英寸晶片。当然,这个多元化产品的半导体世界很快就会用16纳米FinFET技术设计制造嵌入式处理解决方案和电源管理解决方案,以满足汽车和某些特定工业应用需求。”Jean-Marc Chery说。另外,还有一条技术路线是10/12纳米的FD-SOI技术。

“在这个多元化的世界里,技术节点分布得非常广泛,从0.5微米到110纳米的8英寸,再从19纳米到28纳米成熟的12英寸,然后再到FinFET双重图形和三重图形工艺。这就是我所看到的现状和趋势。”Jean-Marc Chery表示。

意法半导体将专注三大趋势:智能出行、电力和能源、物联网和5G。2020年以来,这三大趋势加速发展,并推动市场对半导体产品的需求。随着混合动力和插电式电动汽车及其支持基础设施的互联、数字服务和应用的普及,未来将从传统汽车转向更智能的移动解决方案。意法半导体可以提供广泛的产品组合,如基于碳化硅技术的功率器件和用于电动汽车的电池管理解决方案,以及多核微控制器等。在电力和能源方面,随着人们越来越依赖互联网和云服务,数据中心容量不断扩大,进一步增加了对能源的需求,需要大幅提高基础设施的运营效率,升级配电网络,部署智能电网。在物联网和5G方面,意法半导体希望支持智能、互联的物联网设备发展,为设备制造商提供产品和相关开发生态系统。

2027年日常运营全部使用可再生能源

绿色发展越来越受到各国重视。在今年全国两会期间,碳达峰和碳中和被首次写入政府工作报告。意法半导体对绿色理念也十分重视,在采访中Jean-Marc Chery宣布,意法半导体将于2027年实现碳中和目标,承诺到2027年,日常运营中100%使用可再生能源。

“凭借我们的处理器解决方案、电力电子解决方案和模拟器件解决方案,意法半导体将成为减少排放和建设美好地球的重要推动者。”Jean-Marc Chery说。为了达到这个目标,意法半导体将升级改造Crolles和Agrate工厂的PFC处理设备,让这两处工厂的PFC排放为零,同时优化电力和能源消耗。在制定严格的降低电力和能源消耗计划同时,意法半导体承诺100%使用可再生能源。意法半导体还尽力降低货物运输和员工出行产生的排放,尽量采用线上的方式开展业务、和客户交流。

Jean-Marc Chery强调,半导体技术有助于实现更低的功耗和更少的温室气体排放。如果世界想要大幅节能减排,并增加设备数量和服务,满足社会需求,那么半导体技术是重要解决方案。

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