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展望2021之Cissoid:SiC在电动汽车的爆发之年

      材料来源:化合物半导体杂志

主编 前言

2020年,我们共同经历了新冠肺炎疫情全球大流行,近200万人悄然离去,尊重生命,尊重科学,团结抗疫成国际共识,武汉封城、长江洪水肆虐、澳洲丛林大火、非洲蝗虫大灾、纳卡地区爆发恶战等都历历在目,可以说,2020年是大灾大难的一年;但这绝不是全部,2020年,我们也共同见证了亚太15国签署RCEP区域自贸合作,提振世界经济信心,SpaceX实现首次商业载人航天飞行,嫦娥五号任务取得圆满成功,在世界经济遭受严重冲击之际中国成为唯一实现正增长的主要经济体。作为拉动经济复苏引擎的半导体行业,在2020年也是敢于担当,成绩不菲:5G落地之年,5nm 5G芯片强劲推出,苹果首发了采用台积电5nm工艺制程的A14 Bionic,集成118亿晶体管。此后华为与三星也相继发布了麒麟9000系及Exyons 1080。云上EDA探索落地,EDA软件商、IC设计企业以及代工厂合作推进,能够适配EDA工具使用需求、拥有大规模算力自动化智能调度以及海量的云资源提供弹性算力支持,直接提升芯片的研发周期和良率,降低芯片设计成本。3D先进封装技术稳步提升,突破了摩尔定律瓶颈,在集成度、性能、功耗等方面优势明显,三星在今年对外宣布了全新的X-Cube3D封装技术已经可以投入使用……当然作为半导体领域的后起之秀,第三代半导体及其他化合物半导体,也是备受关注和亮点多多,下面请听业内各位专家学者细述道来!
 
《化合物半导体》对Cissoid 中国总经理罗宁胜博士的专访
 

罗宁胜博士,现任比利时Cissoid公司中国总经理。之前,他曾在多家欧美半导体公司从事半导体市场及业务管理工作,主要负责中国及亚太市场和业务,这些公司包括美国 Synaptics (NASDAQ:SYNA), 美国 Silicon Data, 英国 PicoChip,及美国 Innovative Micro Technology 公司。他曾经在中国科学院上海技术物理所获得博士学位,并随后多年在欧美作为访问学者从事材料物理研究,其中包括在德国马克斯普兰克研究院在哥廷根的流体动力学研究所从事固体表面物理研究,以及在美国路易斯维尔大学物理系从事半导体纳米材料研究。
 
Q:2021年即将到来,面对新的一年,你如何看待化合物半导体行业的发展变化,以及对2020年,有哪些总结和感悟?
 
A:继特斯拉之后,2020年随着比亚迪率先在国内正式推出采用SiC MOSFETs 驱动的电动车,各大电动汽车厂商也倍加关注SiC在电动车上的应用。其在OBC、DC-DC及充电桩等方面一般可采用相对低端的SiC MOSFETs,这样在提高效率和减小体积重量的同时,以求成本相对低些。而对于电机驱动的应用,为追求尽可能高的效率和最低的热损耗,趋于采用高端的SiC MOSFETs (即内阻偏小的)。在电动车电机方面,业内普遍证实,SiC MOSFETs 对传统IGBT的替代可使整体车况的能源效率提高5-10%,即在同样的电池包条件下可提升5-10%的续航里程,而颇具吸引力。2021年将是SiC在电动汽车领域应用的起始爆发之年,因为今年的大规模缺货即是征兆。
 
另外,GaN 近期也有很好的发展,其主要表现是在移动设备的快速充电器方面。由于涉及消费电子类应用,其需求量将会非常大,因此GaN的出货量将很快在数量级上大大超越SiC 器件。
 
Q:随着5G,新能源汽车,大数据,AI,IoT 等技术领域的快速发展,将会为化合物半导体带来诸多机遇,你认为化合物半导体面临哪些挑战与机遇?
 
A:化合物半导体(SiC和GaN)作为新型半导体器件要替代传统Si器件,最大的挑战莫过于成本的控制,即涉及生产良率和生产规模的控制。只有在不断地提升良率且同时不断地扩大生产规模才能将成本逐步降下来,由此赢得市场上的广泛应用。挑战也就是机遇,这也是各家化合物半导体厂商取胜而赢得市场份额的制高点。

Q:碳化硅(SiC)是非常具有发展前景的材料,特别是在电力电子和微波射频器件应用方面,目前受到极大关注,请问贵公司如何看待碳化硅的市场发展?如何推进碳化硅材料的升级和发展?
 
A:随着第三代半导体如SiC功率半导体器件的日趋成熟和普及,初期将是在应用上简单地替代Si器件,但在后期将会主动发挥其性能优势而缔造出许多新型应用,即涉足以前Si器件所不能及的应用。例如,SiC固有的耐高温性能与Cissoid高温半导体器件就是非常好的搭配,由此将大大改变电力系统设计的格局,为设计工程师提供全新的且广阔的拓展空间。这些典型、未来的高温、高功率密度应用,包括深度整合的电动汽车动力总成、多电和全电飞机乃至电动飞机、移动储能充电站和充电宝,以及各种液体冷却受到严重限制的电力应用。
 
电动汽车的动力总成(电机,电控和变速箱)已走向三合一,但目前仅仅是在结构上堆叠在一起,属于弱整合。未来在结构上,动力总成的深度整合是必然路径,因为,这样可能使体积减少约三分之一,重量减少约三分之一,内耗减少约三分之一,并有可能使总成本压缩2至4倍。然而,电控部分将与电机紧密结合,深度整合使功率密度大幅提高,高温即是所面临的不可回避的最大挑战。
 
传统飞机中控制尾舵、机翼、起落架等的机械动作都是靠经典的液压传动。液压油作为液体,受环境影响很大并且维护成本很高,目前已趋向于部分或全部的电气化,此即多电和全电飞机的概念。在飞机上采用电机替代液压油路实现机械操作,可靠性高、可维护性强,且方便冗余备份设计。然而,最大的困境是飞机上的电机和电控不充许配备水冷,且只能依靠强制风冷及自然冷却,因此,实现多电或全电飞机、乃至电动飞机的电控设计,需要率先解决的重大技术难题即是高温。
 
另外,有许多应用场景,特别是随着电动车大规模普及,半移动式储能充电站和全移动式充电宝将可有效地填补固定式充电在某些场景下的缺失。然而,对于这类移动充电应用,水冷机构将不仅带来额外重量体积的负担,更重要的是它消耗自身携带的存储电能,因此,电控采用自然冷却将是佳径,但必须妥善处理好电控系统热管理的问题。
 
除了上述三种典型的高温应用外,在许多特种工业应用中,因液体冷却受到严重限制时,电控系统将面临同样的高温挑战。耐高温的电控技术是实现以上高温应用的关健,其核心实现技术是SiC功率器件的高温封装技术和与之相匹配的高温驱动电路技术。
 
SiC材料及其器件结构有天生的耐高温能力,在真空条件下甚至可耐达400至600℃高温。在实际应用中,为防止接触空气而产生氧化,SiC器件必须有封装,且若要耐高温,则必须采用耐高温的封装。结温150℃是业界目前最高标准,175℃结温等级刚刚开始展露,有准标准化封装可以采用,而200℃乃至更高温的封装对封装材料和工艺要求十分严苛,而且必须根据裸片特征进行定制设计,以保证导热和散热性能要求。
 
SiC功率器件和模块的应用离不开驱动电路及其相应的芯片。然而,大多数驱动电路芯片都是普通的硅器件,均不能耐高温,其若能在高温如175℃ 下工作1000小时,已经是凤毛麟角了。另外,耐高温只是问题的一方面,更严重的是高温时器件性能的一致性问题。普通硅器件在70℃之上性能弱化得非常之快,因此在高温下无法应用。历经二十多年创新研发和应用考验,Cissoid公司SOI特种硅器件的耐高温能力已达到175℃时,可连续工作15年之长,且全温度范围内性能有极佳的一致性,是支持SiC高温应用的支柱。
 
Q: 对于中国化合物半导体行业应该如何学习国际经验,加速产业发展,请谈谈你看法。
 
A:尽管中国在化合物半导体领域起步较晚且落后于国外,但该领域非常适合于在中国实现突飞猛进的发展。主要原因有三,第一,化合物半导体的工艺基本都在微米级,从材料到设备有全套国产产业链支持,而不会受到精细纳米级制造设备(特别是光刻机)需要进口而被严重限制。第二,化合物半导体的器件结构相对简单,也不需要非常复杂的顶级的EDA支持,又排除了需要进口而受到的严重限制。第三,中国广阔的且巨大的应用市场。因此,可以断言化合物半导体将是中国半导体整体产业提升的重要突破口之一。
 
近几年来,国家对半导体制造业十分重视,投资也很大,相继有几十家晶圆厂在开工、扩建或新建,尤其是近期有业内人士呼吁要将微电子系统加工作为单独的学科,这都是极好的现象。然而,纵观国内晶圆厂,清一色的新厂房和新设备,投资非常大,但最最缺乏的是工艺开发领域的人才,以及维护工艺方面人才积累的体系。传统的机械加工如车工、铣工及焊工等,都有多层级别工匠制度,与待遇和补贴挂钩,以推进和维护该职业的发展,而如此重要的微电子系统加工业应该有更全面的人才培养体系。
 
 
 
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