71
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。
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。
图片来源：嘉宾演讲 PPT
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：
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。
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。
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。
阅读全文
