創新破局，英飛凌功率半導體鑄就零碳“芯”格局

眾所周知，低碳化和數字化是降低碳排放和提升電力需求的重要驅動力。根據國際能源署（IEA）2022年發布的“按領域劃分的全球能源相關二氧化碳排放量”報告，2021年二氧化碳排放量升至36.6Gt。發電、交通運輸、工業和建筑幾大領域的二氧化碳排放量分別占到總排放量的40%、25%、22%和8%，而這其中，發電和交通運輸兩大領域又占到總和的2/3以上，是脫碳目標的重中之重。

在IIC Shanghai 2024國際集成電路展覽會暨研討會同期舉辦的“2024國際綠色能源生態發展大會”上，英飛凌工業與基礎設施業務大中華區高級技術總監陳立烽以“創新破局，英飛凌功率半導體鑄就零碳‘芯’格局”為題，分享了英飛凌的零碳布局。

他認為，在目前所消耗的大部分能源還并不是綠色能源的背景下，如果希望降低二氧化碳排放量，在2050年和2060年分別達到碳中和和碳達峰的目標，需要通過以下幾個路徑：

第一，從減少化石能源本身使用減少二氧化碳的排放。

第二，減少排放或減少化石能源的使用，不能以犧牲工業發展和人們的生活水平為代價，需要有更多的電力產生，也即必須有更多的綠色能源。

第三，當然，最好是能平衡這些能源的使用。

“可以看到，如果按照國際能源署的預估，從2050年的純碳中和的目標來看，我們消耗的綜合電力能源占50%，我們的出發點就是如何實現更有效的電力利用。”他補充說。

在這個過程中，英飛凌作為全球功率系統和物聯網領域的半導體領導者，在整個電力系統中一直都是關鍵且最為全面的賦能者，在能源轉換的各個領域都有自己的布局：

第一，在能源產生方面布局新能源發電，包括光伏和風電的應用。“從半導體角度來看，英飛凌是全球第一個功率半導體的賦能者”。

第二，西電東送。國家電網在這方面的基礎設施投資非常大。這里也涉及到電力的轉換，也就涉及半導體的應用。

第三，能源的儲存，包括能源的消耗。“這個消耗實際上遍布工業到各個消費領域，包括交通，不管像高鐵還是像現在所用的新能源車等多個領域”。

而在這些領域，英飛凌都已經做好市場布局，并掌握了其中的關鍵技術包括材料。“在整個產業鏈中，我們是一家系統方案提供商。從系統角度來講，需要有控制器（DSP或MCU），需要有驅動器……”

在功率系統中，英飛凌在從硅到碳化硅以及氮化鎵這三種功率半導體主要材料上都有布局。從產品的覆蓋度、應用的覆蓋度，包括背后的產能發展等等，都有英飛凌關注的應用。

陳立烽認為，在這個過程中，碳化硅扮演著越來越重要的角色。“特別是近幾年來，在實現碳排放減碳的過程中，我們認為碳化硅可以助力未來的發展”。

未來的發展需要更多的能源，未來的發展也需要更清潔、高效的能源，這些是碳化硅能夠賦予的。碳化硅從特性上來看，有三個維度的優勢：

第一，它可以實現更高的頻率，這意味著更小的體積，也意味著更低的系統成本。

第二，碳化硅本身所體現出的低導通電阻特性，可以實現更低的損耗，把系統的功率轉化效率提高。

第三，同樣的晶圓尺寸可實現更高的功率輸出。

總的來說，“對于電力系統應用來講，碳化硅可以實現更小的系統體積，更低的成本，更高的功率以及更高效的能源”。

在眾多的應用領域，碳化硅的上述特性對于未來的功率轉換可以轉變為很多有用的價值。

首先是光伏。不光是整個光伏系統的成本可以降低——現在光伏的度電成本已經非常低，遠低于曾經——還可以把系統的體積縮小。“以組串為例，以前只有幾十千瓦，到今天業界流行的320kW，體積并沒有按照功率的比例增加，但功率可以做得越來越大”。

電動汽車采用碳化硅可實現更高的效率，從而延長續航里程，或采用更少的電池。

其他的應用，包括像EV charger，碳化硅的高頻特性可實現更快的充電周期并提高效率。

又比如家里的墻充，也可以將噪聲減少。

在變頻器的Drive系統、儲能系統、家里的熱泵系統和散熱管理系統當中，也都看到了碳化硅的價值。

對英飛凌來講，碳化硅已有20年歷史。從2001年第一顆商用碳化硅二極管以后，一路走來，不斷在技術和相應的封裝和應用上都有拓展。下面來看一些里程碑事件。

2018年英飛凌收購了SILTECTRA公司，獲得了冷切割的技術，優化了工藝制程以及對原材料的利用。

在封裝方面，英飛凌的碳化硅功率器件也從最開始的分立器件發展到現在的功率模塊。例如，其在2023年所推出的3.3kV功率模塊，一方面電壓上有所突破，另一方面在封裝上把碳化硅的優勢發揮出來。

對于英飛凌來講，碳化硅作為掌握的關鍵材料之一，又是如何布局的呢？實際上可以從四方面來看：

第一，碳化硅本身作為一種新材料、新器件，需要不斷地在碳化硅器件的技術上去深耕，這也得益于英飛凌自己在功率器件上的技術沉淀。

第二，對于一個器件來講，如果我們有更好的芯片，那么同樣需要有更好的封裝，才能真正把器件的優勢發揮出來。器件在高頻條件下運行，其封裝中的寄生電感會影響輸出，因此在封裝上就需要做到相互協同（Synergy）。

第三，有了技術，有了產品以后，還要有供應鏈上的保障。“我們如何在供應鏈、在產能投資上向我們的客戶提供保障”？

第四，產品系列的豐富度。碳化硅產品涉及不同的電壓等級和不同的封裝，以及針對不同應用的產品開發。

這所有四個方面英飛凌都在持續深耕，陳立烽表示。

具體來看，第一，在技術上，如何把可靠性加強？英飛凌實際上從一開始就使用了溝槽柵技術，這種技術能夠提高碳化硅門極氧化層的可靠性。“這種溝槽柵的技術不是僅僅挖個溝槽這么簡單，其背后涉及具體細節的技術，比如如何包這個角，英飛凌有一些獨特的技術在里面”。

第二，封裝技術。例如，在單管里面，不同于傳統的焊接技術，英飛凌的.XT技術散熱可以做得更好，可靠性可以提高。“對于單管而言，如果有這樣的技術，一方面可以帶來性能上的好處，比如使輸出電流的能力有15%的提高，或者可以運行更高的頻率。另一方面，在什么都不變的情況下，用了這樣的技術，結溫可以降低，可靠性也會更好”。

第三，產能。這也包括上下游的管理。從材料端來看，要如何利用這些材料？剛才提到的SILTECTRA冷切割的技術，可以把材料利用率提到更高。在所有技術和制程都具備的情況下，英飛凌在產能的投入上也不遺余力。英飛凌在過去3年的時間內，在碳化硅的產能上做了很多的投入。一方面在奧地利維拉赫的工廠已經在量產碳化硅器件。另一方面，在馬來西亞相應有幾十億歐元的投入。“只有充足的產能才能保證不發生讓客戶頭疼的缺貨問題”。

在材料端本身英飛凌也會有廣泛的布局，包括跟國內的公司合作，比如在去年，英飛凌跟國內的兩家半導體碳化硅材料供應商也簽訂了協議。

最后就是產品的豐富度。

英飛凌碳化硅產品覆蓋了從600V到3300V各大主流電壓等級，并且包含單管、模塊、IPM和車上用的雙面水冷的等多樣化的產品方案。“只有一個豐富的產品度，才能一方面滿足不同客戶的需要，另一方面使客戶在應用的過程中也有更好的延展性。比如，某一個平臺上如何去延展，是不同的功率等級，不同應用上的延展，我們有很豐富的一個產品組合”。

另外，他重點介紹了2000V的碳化硅產品在1500V太陽能系統中的應用。“2000V的碳化硅不僅可以使系統效率提高，還能極大地簡化系統的設計”。

“這個產品并不是簡單地在原來的1700V、1200V產品上延伸，實際上它背后的設計用到了.XT的技術。功率高了，相應的爬電和電氣上的參數就需要特別注意。我們是做了很多系統上的研究才推出這樣的產品”。

此外，采用2000V的碳化硅以后，傳統的三電平結構可以簡化為兩電平結構（兩個管子會變成一個管子），驅動也很簡單，設計上得到簡化。另外，效率上也會有提高，單顆器件在整體上也能體現出來導通電阻和開關損耗都有相應的降低，這就是2000V產品的優勢。

下面對碳化硅做個簡單的總結：

第一，從技術上來看，英飛凌在不斷優化碳化硅的芯片技術和封裝結構，使碳化硅表現出更多的節能，使系統效率提高。

第二，可實現更小的體積或更高的功率密度，這意味著無源元件的縮小，這些都是系統成本。

第三，英飛凌一直非常關注可靠性。可靠性是英飛凌在產品設計之初，包括整個工藝生產流程當中非常關注也非常重視的一點。

最后，他提到了英飛凌在氮化鎵方面的布局。

英飛凌于去年完成了對GaN Systems公司的收購。這出于以下幾個方面的考慮：

首先，氮化鎵在今天的功率半導體市場上已體現出了很大的優勢，可以和碳化硅實現互補。

其次，通過收購GaN systems，英飛凌可以加速這類產品的研發，從而提高產品的豐富度。

最后，英飛凌作為全球功率系統領域的領導者，需要不斷夯實所有電力電子技術方面的布局。

氮化鎵實際上也能提高效率，在低碳化上也能做出非常大的貢獻。我們來看以下幾個方面：

首先，如前所述，在第三代半導體技術中，它能夠跟碳化硅形成很好的互補。它所注重的電壓領域相對偏低壓，即650V以下，從40V到650V。

其次，它能夠實現更高的頻率，并可以在SoC和SiP里面做集成。

第三，與碳化硅的邏輯一樣，不光是芯片本身，氮化鎵也需要在封裝上不斷創新，從而優化它的高頻性能。從布局或未來的發展來看，氮化鎵將實現更高的頻率和更高的效率，從而減少能源消耗；實現更小的尺寸，從而實現更輕的設計。現在，氮化鎵充電器已幾乎成為電腦的標配。

最后，英飛凌的功率半導體技術如何來賦能綠色、能源綠色地球呢？實際上，從功率半導體產品的角度出發，英飛凌一直在不同的方向上秉承著自己的布局。在傳統的低壓方面有Optimus系列，并在向CoolGaN發展。在中壓方面，CoolMOS也在往CoolGaN延伸。高壓方面則是從TRENCHSTOP IGBT向CoolSiC發展。

總結

從綠色能源的出發點來看，基于我們對電力的不斷需求，并以降低二氧化碳排放為目標，那么我們就需要有更清潔的能源，并實現更高的效率。在這個過程中，功率半導體顯然可以扮演一個非常重要的角色，包括碳化硅和氮化鎵，以及傳統的硅基器件。最后，從英飛凌的企業愿景來看，英飛凌將積極推動低碳化和數字化進程，讓生活更加便利、安全和環保。