作者 / 老劉；編輯 / 楚華；出品 / 焉知
歐美疫情爆棚，汽車、半導體行業影響嚴重，人們出不來進不去，只能在線上聊。前兩天，用650V SiC MOSFET為特斯拉打造第一款採用碳化硅電動車型Model 3，堪稱車規碳化硅一哥的意法半導體（ST）幾位高管隔空解讀了其最新汽車電氣化戰略，當然也少不了聊到汽車電氣化趨勢和中國市場，特別是信心滿滿地承諾了對產能的保證。ST的確是有備而來，準備了詳盡的PPT，一頁一頁地講解。
加碼製造戰略，承諾產能保障
汽車應用收入頗豐。意法半導體汽車和分立器件產品部大眾市場業務拓展負責人及公司戰略辦公室成員Giovanni Luca Sarica介紹說，2019年意法半導體營收95.6億美元，產品部門營收貢獻率中汽車和分立器件產品部（ADG）為38%，淨收入36.1億美元。ADG主要面向電動汽車普及和交通工具，而這些市場的新趨勢支撐著芯片市場的需求增長。在ADG部門收入貢獻率中汽車產品部為67%，按市場統計的收入中汽車業務約佔70%。
製造設施遍佈歐亞。目前ST有6個晶圓廠，5個封測廠，遍佈東西半球，其中一個封測廠在深圳。其300mm晶圓戰略主要是依託意大利和法國的工廠，Agrate針對功率，而Crolles是針對數字。ST承諾將投資建設新廠，以推動硅功率器件收入的持續增長，在Agrate工廠將引入300mm晶圓生產。
製造工藝完整週密。Giovanni Luca Sarica告訴筆者，ST掌握碳化硅全部製造工序與技術，專注研發相關技術20餘年，是當之無愧的寬帶隙材料先驅。意大利Catania的功率電子技術創新中心由學術研究中心和意法半導體組成，是真正的創新技術“孵化器”。該生態系統的研發始於1英寸晶圓，有70餘項SiC專利，積累了豐富的功率半導體研發經驗。
他說，ST已成為全球第一大車規碳化硅廠商，2025年前爭取市場份額超過30％。目前的碳化硅業務狀況是贏得設計率不斷提高，開發中的項目有50多個，50%是工業項目，50%是汽車項目，都是與全球市場主要廠商合作。
戰略執行馬不停蹄。2019年1月，ST與Cree簽署一份多年供貨協議，為意法半導體生產和供應Wolfspeed®碳化硅晶圓。根據該協議，在當前碳化硅功率器件市場需求顯著增長階段，Cree將向意法半導體供應價值2.5億美元的先進150mm碳化硅裸片和外延晶圓。
同年2月，ST宣佈收購瑞典碳化硅晶圓製造商Norstel AB的多數股權，交易完成後，ST將在全球產能受限的情況下掌控部分SiC器件的供應鏈，為把握一個重大的發展機遇做好準備。
9月，ST成為雷諾-日產-三菱聯盟指定的高能效碳化硅技術合作夥伴，為聯盟即將推出的新一代電動汽車的先進車載充電器提供功率電子器件。
今年1月，ST與羅姆集團旗下的SiCrystal公司簽署了一份碳化硅晶圓長期供應協議。SiCrystal是一家在歐洲碳化硅晶圓市場佔有率領先的龍頭企業。協議規定，SiCrystal將向ST提供總價超過1.2億美元的先進150mm碳化硅晶圓，滿足時下市場對碳化硅功率器件日益增長的需求。
通過併購和獲得多年長期供應協議，ST完成了碳化硅供應鏈的縱向整合，擴展了產能；另一方面也在繼續投資新廠，擴大自有產能。
為什麼有如此大的動作？Giovanni Luca Sarica回答說：“SiC和GaN兩種產品都具有同級產品中最高的能效，對於研製電動汽車的廠商來說，都是最好的電源解決方案。理論上，SiC是大於600V的高壓應用系統的最佳選擇，例如，純電動汽車的驅動電機逆變器，而GaN則是功率轉換系統的理想解決方案，尤其適用於車載充電機或48V直流轉換器。實際上，GaN非常適用於輕混汽車。SiC和GaN都具有許多技術優勢，不僅可以提高能效，而且還可以縮小無源器件和冷卻系統的尺寸，使新能源汽車的模塊廠商能夠開發體積更緊湊的解決方案。GaN是一項非常新的技術，我們看到，雖然眼下GaN市場規模還很小，但是很有前景。”
意法半導體亞太區功率分立和模擬產品器件部區域營銷和應用副總裁Francesco Muggeri補充說：“ST是第一家推出SiC車規級產品的半導體公司，還是第一家完成汽車產品可靠性測試的公司。今天，這個情況沒有變化，我們依然是市場上獨一無二的存在。這證明了我們有能力開發市場上最強大的技術。至於GaN產品，事實上，GaN目前還是一項發展中的新技術，在市場上尚無車規級GaN芯片。但我們相信，目前正在開發和即將投放市場的GaN產品將複製SiC產品的成功故事，通過汽車可靠性標準測試，很多事情進展順利。”
碳化硅什麼時候可以生產300毫米晶圓呢？Giovanni Luca Sarica解釋說：“目前SiC是在6英寸（150mm）晶圓上製造的，下一步是8英寸（200mm）。當今電源解決方案市場井噴，電氣化正在推動需求強勁增長。通過比較我們發現，電動汽車整車半導體平均總成本是傳統汽車的兩倍，而電動汽車50％的總成本是與功率器件有關。因此，對於功率芯片市場最大供應商之一的ST來說，通過製造12英寸（300mm）功率芯片來擴大硅片產能，增強產品競爭力，是非常具有戰略意義的。另一個重要的製造策略目標是將SiC從6英寸遷移到8英寸生產線。今天還沒有SiC在8英寸晶圓上製造的先例。根據我們的產能擴張計劃，8英寸製造對於我們的整體戰略肯定非常重要，收購Norstel的目標之一就是產業鏈垂直整合。”
他也表示：“儘管8英寸製造非常重要，但繼續生產6英寸硅片是我們擴產的首要目標；一旦市場需要，將支持並加快8英寸SiC生產線升級。這樣做有兩大好處，6英寸升級到8英寸可以提高總體產能，同時，大規模製造可帶來規模經濟效益，因為那時大多數半導體生產廠/生產線都開始了採用8英寸製造設備。”
汽車電氣化市場前景看好
Francesco Muggeri表示，雖然輕型汽車市場表現平平，但在功率芯片和新材料的推動下，汽車電氣化正在加速發展，新能源輕型汽車在持續穩定增長。
他認為，碳化硅正在使純電動汽車克服硅基器件的限制，驅動電機逆變器和車載充電器中的硅基IGBT和二極管改用SiC MOSFET可以獲得許多好處，包括提高能效；系統結構緊湊，輕量化；簡化冷卻設計；縮短充電時間；增加續航里程。今天，已有超過40%的純電動汽車採用SiC，2020至2025年將會增加5倍。
為什麼電動汽車一定要用SiC呢？最重要的是SiC MOSFET在牽引逆變器方面的優勢，且SiC在電動車製造中可能節約成本。在電動汽車驅動電機和逆變器中，ST既有IGBT也有SiC MOSFET，兩者相比，採用後者的逆變器有以下優勢：開關損耗可降低80％；可以直接集成逆變器；無需另外安裝液體冷卻器；熱管理性能更好；充電時間更快。據Goldman Sachs統計，在汽車中SiC MOSFET增加的成本大約為300美元，而估計節省的成本可達2000美元。因此，2019至2030年，SiC MOSFET市場將佔功率半導體增量增長的約50％。
怎麼解決SiC和GaN本身的成本問題呢？Giovanni Luca Sarica回答說：“根據ST預測，考慮到製造規模變大，SiC技術改進，兩種方案之間的成本差距正在收窄，已低於一年前獨立分析機構的測算數據。與硅基器件相比，SiC的成本優勢不在於器件本身成本，而是體現在車輛總體成本方面，可為汽車製造商節省很多錢。”
他解釋說：“當採用SiC時，開關頻率可以設計得更高，這將提高器件的能效，降低無源元件的尺寸/成本，因為無源器件在應用系統總成本中佔比很高。此外，當採用較小的無源器件時，還可以縮減模塊的整體尺寸，並且可以再一次降低應用整體成本。在節省成本方面，汽車製造商還可以獲得其它的重要的好處。例如，當使用SiC解決方案獲得更高能效時，可以降低動力電池冷卻系統的尺寸，電池冷卻系統是導致總體成本增加的主要因素。這都是SiC給汽車製造商帶來的實實在在的成本效益。同時，SiC有助於提高車輛的性能，延長新能源汽車的續航里程，帶來更好的綜合用戶體驗，並使車輛充電速度更快。所有這些要素對於新能源汽車的市場普及極為重要，政府產業鼓勵政策固然重要，但是，真正的市場需求，越來越多的可選車型，更好的用戶體驗，以及產品優勢，才是引爆電動汽車市場的關鍵。”
寬帶隙應用大戶是新能源汽車
SiC和GaN市場前景如何？Francesco Muggeri認為，汽車和工業應用正在推動寬帶隙產品市場快速增長，碳化硅市場的增長更為顯著，HIS預計，2018至2025年碳化硅年複合年增長率將達52%。
ST功率GaN市場滲透率也在持續增長，也是HIS預計，2018-2025年ST汽車業務複合年增長率將達到200%。其中工業市場包括可再生能源，其他是包括軍事、航空航天、電力機車等的應用。
SiC和GaN在新能源汽車怎麼用？Francesco Muggeri說，在新能源汽車中有3個組成部分——數字控制、驅動和功率，ST電動汽車功率轉換系統涵蓋各種應用。ST還提供全面的解決方案組合，涉及多種先進工藝技術。
不過，不同功率器件有不同的市場定位，硅、碳化硅和氮化鎵特性不同，在汽車應用中各有各的用處。可以看到，碳化硅在汽車逆變器，氮化鎵在車載充電器應用中將佔據絕對優勢，而一些小功率的低開關頻率應用還是硅的天下，硅和寬帶隙材料各司其職。
ST擁有30多年功率和分立器件經驗，在電動汽車市場快速增長的成功要素是提供品種豐富的功率器件。
氮化鎵功率戰略出發，讓電動車不再自燃
據介紹，為了在全球氮化鎵功率市場處於領先地位，ST正在加快氮化鎵戰略實施，立足長遠規劃，建設生態系統，開發新的業務，不遺餘力推廣有助於600V及以下電壓應用實現更高能效的下一代技術。
早在2018年9月，ST和CEA Tech下屬的研究所Leti就宣佈合作，研製硅基氮化鎵功率開關器件製造技術，以滿足高能效、高功率的應用需求，包括混動和電動汽車車載充電器、無線充電和服務器。
今年2月底，ST與全球最大的專業半導體代工企業臺積電（TSCM）攜手合作，加快氮化鎵工藝技術的開發及氮化鎵分立和集成器件的供貨。通過此次合作，ST創新的戰略性氮化鎵產品將採用臺積電領先業界的氮化鎵製造工藝。
幾乎同時，ST宣佈，基於2018年初MACOM和ST達成的廣泛的硅基氮化鎵協議，將在2019年擴大其工廠150mm硅基氮化鎵產能，200mm硅基氮化鎵則按需擴產，旨在支持全球5G電信網建設。
3月初，ST收購法國氮化鎵創新企業Exagan公司多數股權，在產品開發和外延專知方面邁出了新的一步。Exagan的外延工藝、產品開發和應用經驗將拓寬並推進意法半導體的汽車、工業和消費用功率氮化鎵的開發規劃和業務。Exagan將繼續執行現有產品開發規劃，ST將為其部署產品提供支持。
目前，ST氮化鎵功率技術包含兩類分立器件——650和100V，主要增長點有三類應用，一是汽車電動化，針對車載充電器、48V DC轉換器和激光雷達等應用，實現卓越的能效、輕量化，縮減體積；二是工業和電信智能應用，包括電信設備、數據中心和服務器開關電源、太陽能（微型逆變器），實現更高能效、更小外形尺寸，以及低於硅技術的總體擁有成本。以上是650V GaN功率器件的應用範圍，100V GaN功率器件的應用主要是個人電子設備，包括電源適配器、USB PD充電器和手機充電器，以確保設計緊湊，減少無源元件。
ST已成為智能功率市場的絕對領導者，GaN功率器件涵蓋多個不同應用領域，在單片和系統級封裝內集成GaN功率級和智能功能，把智能功率硅的成功延續到智能功率GaN。
我們來看看電動汽車BCD（雙極CMOS-DMOS）智能功率解決方案包括哪些內容。一類是採用先進的BCD技術製造的硅、SiC和GaN驅動器，利用硅和寬帶隙材料電隔離型驅動器滿足汽車產品開發規劃，有多款符合ASIL-D級安全標準的產品針對ISO 26262的功能性安全方案；同時包括針對48V輕混汽車和入門級電動汽車的BLDC（無刷直流電機）驅動器和縱向智能功率VIPower™功率器件。
第二類是先進的BCD電池管理解決方案，主要是用於電池監控和平衡的電池管理系統。在這方面，ST準備量產的模塊化解決方案支持48V到800V的電動化升級，具有靈活、經濟、同級最高電池電壓監測精度和電池電壓數據同步採集的特點。針對電動汽車新興應用的是實現電池切斷和滅火的電爆驅動器SBC（系統基礎芯片），可以在撞車時斷開電池連接，消除電池可能引起火災的條件，值得期待。
電動汽車離不開數字解決方案
除了模擬功率應用，ST也是數字解決方案領域的領頭羊。ADG的數字解決方案面向快速增長的ST MCU（微控制器）市場。在電動汽車的拉動下，2019全年MCU銷售收入增長了43%。ST型號齊全的Power PC內核MCU產品組合，以及新上市的ARM內核MCU應有盡有。特別值得一提的是高性能汽車用32位微控制器SPC5 MCU，具有先進的安全和定時功能，專為滿足車身與便利設備應用的特殊需求而設計。
據瞭解，在汽車電氣化進程中，SPC5適合從車載充電器、電池管理系統、DC轉換器，到無線充電、動力電池組及電機逆變器的所有系統應用。
推動亞洲，助力中國
意法半導體亞太區汽車產品市場及應用高級總監鄭明發表示，汽車電動化市場複合年增長率為22%，數字化市場複合年增長率為12%，分別是傳統汽車市場增長率的9倍和5倍。亞太地區在全球新能源汽車市場的份額和產能佔比已超過50％。
ST一直專注於推動亞洲快速增長的汽車電氣化趨勢。前不久，ST在上海建立了新能源汽車技術創新中心，協助客戶開發和設計完整的系統解決方案，在縮短產品開發週期的同時，讓客戶將精力投入到能帶來更高附加值的軟件應用；同時支持定製解決方案開發，提供產品和解決方案培訓，以增強IDH（獨立設計公司）和Disty（代理商）系統的技術知識和能力。
增長要素在哪裡呢？他說，ST的使命是在新的汽車市場應用趨勢中不斷擴大ACES（自動駕駛、智能網聯、電氣化、共享汽車）的影響力。ST是全球領先的多元化汽車芯片廠商，其廣泛而強大的產品組合，加上牢固的客戶關係和客戶承諾以及經驗豐富的本地技術創新團隊可以幫助本地客戶開發各類應用。
他還介紹了ST在中國的汽車業務情況及其合作伙伴計劃。未來，針對在所有傳統應用領域已經領先的所有新能源汽車廠商，將讓他們所有的新能源汽車解決方案都用上ST芯片；在芯片方面，已有15款中國市場專供芯片，包括自動駕駛電源管理、電池管理模擬前端、車規IGBT和SiC電隔離式柵極驅動器；針對科研機構，已與中國最大的微電子研究所合作，支持“中國製造2025”計劃；與中國一級供應商建立密切的合作關係，與戰略伙伴合作一起為2022北京冬季奧運會自動駕駛應用項目提供技術支持；與本地技術設計公司和軟件合作伙伴合作，加強技術支持，擴大服務內容及覆蓋範圍，提供並支持開發ISO26262和AUTOSAR認證系統參考解決方案，縮短客戶的總體研發週期。
他還介紹了在區域汽車電氣化市場的一些成功案例。在利用車載充電器和DC轉換器實現汽車電氣化方面，採用650V和1200V SiC MOSFET設計車載充電器和DC轉換器關鍵電路，使新的11kW充電方案達到96％的能效，並利用混合IGBT解決方案實現產品差異化。主要合作項目是新銳科技開發的首個基於SiC MOSFET的車載充電器、匯川技術和威邁斯正在開發的11kW車載充電器，以及現代正在開發的低壓DC轉換器和車載充電器。所採用的ST關鍵技術包括650V和1200V SiC MOSFET、內置SiC二極管的600V IGBT、650V SJ MOSFET快速二極管和600V RQ快速二極管。
在動力系統和起動發電一體機方面，為純電動汽車和48V DC轉換器開發基於SiC MOSFET的電源和採用低壓MOSFET芯片的新型輕混逆變器，實現高能效、更長續航時間。主要合作項目是聯合汽車電子和現代採用ST SiC電源模組開發的逆變器和BSG輕混汽車逆變器。所採用的ST關鍵技術包括750V和1200V ACEPACK™驅動、650V IGBT和80-100V LV MOSFET。
在充電站方面，20-30kW電源模塊採用高能效PFC解決方案、靈活的硅基和SiC MOSFET DC轉換器。主要合作項目是與華為、特來電新能源、英飛源和韓國SIGNET的合作採用ST 1200V SiC開發電動汽車充電模塊。所採用的ST關鍵技術包括650V IGBT和SJ快速二極管、650V和1200V SiC二極管、650V和1200V SiC MOSFET和600V RQ快速二極管。
關於中國新能源汽車市場，鄭明發分享了他的看法。他說：“中國沒有任何發展限制。實際上，我們看到中國在發展新能源汽車產業和市場方面具有一定優勢，擁有開發和支持這個市場發展的所有要素。新能源汽車產業是中國政府的‘中國製造2025’計劃中的十大重點產業之一，政府大力支持該產業發展，並提供大量資金，以建立必要的基礎設施，制定和執行嚴格的排放法規和汙染防控政策，以及誘人的鼓勵政策，拉動新能源汽車銷售增長。中國新能源汽車產業已經成熟，並有一個發達、完善的原材料供應鏈，並且沒有電力和光伏能源供應限制，最後但同樣重要的是，與傳統內燃機汽車產業不同，新能源汽車產業沒有受制於知識產權瓶頸。”
Giovanni Luca Sarica也表示：“在ST的汽車總體戰略中，中國市場佔有極為重要的地位，並且是重要的市場參與者。中國的電動化發展速度很快，中國企業的創新力旺盛，而且直接從傳統汽車向新能源汽車過渡，沒有美國或歐洲企業所面臨的複雜的‘技術遺產’問題。相比歐美，新興的中國車企更期待新能源汽車。在中國，功率轉換系統在汽車中的應用非常廣泛，這就是為什麼我們專注於與中國客戶合作開發電源管理系統。我們將堅守盡最大努力支持中國合作伙伴研發新能源汽車的承諾。”
超越汽車電子市場發展速度
Giovanni Luca Sarica最後表示，作為第一家掌握所有制造工藝，提供高性能車規產品的汽車碳化硅芯片公司，ST基於在硅基功率芯片市場30餘年的領導地位，結合在碳化硅市場的強勁發展勢頭，正在佈局氮化鎵分立器件和芯片產品組合，不斷滿足客戶需求。
ST已開發出創新和定製化的汽車電池管理解決方案、電隔離48V電機驅動器，以及用於控制電力動力總成、有線和無線充電、DC轉換和電池控制的高性能32位汽車MCU。
ST充分利用日益增強的亞洲汽車電動化趨勢，設立了區域新能源汽車技術創新中心，開展合作伙伴計劃；通過提供種類齊全的硅基器件和世界一流的寬帶隙產品，力爭超越汽車電子市場的整體增長速度，推動出行革命和電動汽車的高速發展。
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