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半导体拥抱电动汽车“芯”机遇的两大要诀

2019-05-07 10:15
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年度晶圆出货量首次突破200万片,销售收入和毛利率双双增长,32个季度连续盈利……这就是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”)交出的2018年亮眼成绩单。受惠于全球市场对特色工艺平台及创新性制造技术的高度认可,2018年华虹宏力的产能利用率高达99.2%,居于行业领先地位。在市场环境多变、中美贸易关系不确定性的情况下,华虹宏力为何能取得如此卓越成绩?

近日,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,华虹宏力战略、市场与发展部科长李健以《电动汽车“芯”机遇》为题,阐述了汽车电动化下产业新机遇,以及华虹宏力为拥抱这波机遇所做的战略布局。从中,你我将得以管窥华虹宏力亮眼成绩背后的选择与努力。

功率半导体:未来新技术融合的时代召唤

纵观全球半导体历史,整个产业保持震荡向上走势。李健介绍道,叠加美国总统在任时间线后可见,克林顿、小布什和奥巴马任期中,台式电脑、功能手机、智能手机的兴盛陆续对半导体市场起到了很好的刺激作用。随后,2016到2018年,整个半导体产业的增长率高达20%以上;时值5G、人工智能、大数据、云计算等新技术蓬勃兴起之时,智能汽车成为多技术融合载体,负担起拉动半导体快速上扬的重任。

汽车虽然是传统的制造业,但却是个能让人热血沸腾的制造业,因为汽车承载了人类跑得更快、探索远处的梦想。在市场对节能减排和驾驶舒适性的更高要求下,新能源汽车逐步走向时代舞台中央。有别于传统燃油车,新能源汽车里的电机、电池、车载充电机、电机逆变器和空调压缩机等,都需要大量的功率半导体。据Strategy Analytics测算,传统燃油车功率半导体用量仅71美元,而新能源汽车上功率半导体用量至少翻番,纯电动车(BEV)上更是大幅增长至384美元,增幅高达441%。汽车电动化除了车辆本身的变化之外,后装的零部件和配套用电设施市场,如充电桩,同样带来大量的功率器件需求。随着汽车电子化的进程推进,为汽车带来更强壮“肌肉”、让汽车跑得更稳健的功率半导体获得大幅增长的同时,也带动功率半导体晶圆制造产业进入突飞猛进的高速发展期。

以时下很热的IGBT举例来说,电动汽车前后双电机各需要18颗IGBT,车载充电机需要4颗,电动空调8颗,总共一台电动车需要48颗IGBT芯片。按照国内2020年新能源汽车目标销量将达到200万台、后装维修零配件市场按1:1配套计,粗略估算国内市场大概需要10万片/月的8英寸车规级IGBT晶圆产能(按120颗IGBT芯片/枚折算),全球汽车市场可能需要30万片/月!

核“芯”技术:用研发创新赢得市场赞誉

在汽车电子化大潮涌动之时,长期持续动态追踪市场变化的华虹宏力敏锐地洞察业界动向并及时布局:华虹宏力是全球第一家关注功率器件的8英寸纯晶圆厂,早在2002年已开始功率半导体的自主创“芯”路,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。产品线上,华虹宏力的功率半导体产品全面涵盖从200V以下低压段、300V到800V的中高压、以及600V到3300V甚至高达6500V的高压段等应用,聚焦于Trench MOS/SGT、DT-SJ和IGBT等,并密切关注GaN/SiC等新型宽禁带材料的发展。

图1:华虹宏力功率器件领域核“芯”技术

据李健介绍,硅基MOSFET是华虹宏力功率器件工艺的基础。通过不断缩小间距、提升元胞密度、降低导通电阻,华虹宏力用持续领先的优异品质,以及稳定的良率赢得广大客户的赞誉。值得一提的是,在可靠性要求极为严格的汽车领域,华虹宏力MOSFET产品已配合客户完成核心关键部件如汽车油泵、转向助力系统等的应用,为业界领先。

深沟槽超级结MOSFET(DT-SJ)是中流砥柱。超级结MOSFET适用于500V到900V电压段,其电阻更小、效率更高、散热相对低,在要求严苛的开关电源等产品中有大量应用。深沟槽型超级结MOSFET是华虹宏力自主开发、拥有完全知识产权的创“芯”技术,相关专利超过20项。其第三代深沟槽超级结工艺流程紧凑且成功开发沟槽栅的新型结构,有效降低结电阻,进一步缩小了元胞面积,技术参数达业界一流水平,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。为了持续为客户创造更多价值,华虹宏力的深沟槽超级结MOSFET工艺不断升级,每次单位面积导通电阻的技术特性优化都在25%以上。

硅基IGBT芯片是未来。IGBT是电动汽车核“芯”中的核心,对晶圆制造的能力和经验要求非常高,其难点和性能优势主要在于背面加工工艺。目前国内能加工IGBT的产线都比较少,不管是6英寸线还是8英寸线。华虹宏力是国内为数不多可用8英寸晶圆产线为客户提供高品质代工服务的厂商之一,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,可助力客户产品比肩业界主流的国际IDM产品,在市场竞争中取得更大优势。

SiC和GaN等宽禁带材料自身优势非常明显,未来10到15年的市场空间很大。

细分来看,SiC的市场应用前景明确,而GaN瞄准的无人驾驶LiDAR等创新型应用仍存在变数;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GaN来说,SiC基GaN相对成熟但成本高,Si基GaN则仍不够成熟;从性价比来讲,SiC量产后有望快速拉低成本,而GaN的新型应用如不能如期上量,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。华虹宏力将保持对宽禁带材料的密切关注,以期适时切入,为客户提供更高附加值的相应服务。

“8+12”战略布局,华虹宏力创“芯”未来

作为全球领先的特色工艺纯晶圆代工企业,华虹宏力专注于嵌入式非易失性存储器、功率器件、模拟及电源管理和逻辑及射频等差异化工艺平台。经过20多年研发创新和持续积累,2018年华虹宏力特色工艺累计获得中国/美国有效授权专利超过3000件,打破了中国半导体产业过分依赖技术引进的局面,大大降低特色工艺技术成本,为国内外客户提供了更加经济有效的造芯平台。

图2:华虹宏力特色工艺平台广泛覆盖各种应用

李健介绍称,未来华虹宏力将坚持“8+12”的战略布局。在8英寸线上,华虹宏力将“广积粮”积累底蕴,夯实特色工艺技术积淀、多年战略客户合作的情谊以及靓丽的财务业绩所积攒的发展资本。基于8英寸线的底蕴,华虹宏力在12英寸线上将以“高筑墙”扩宽护城河,将8英寸特色工艺优势逐步延伸到12英寸线上,先进技术节点进一步推进到90纳米以下,比如65/55纳米,提高技术壁垒,拉开与身后竞争者的差距。通过特色工艺结合先进工艺,华虹宏力将给客户提供更充足的产能和更具优势的先进工艺支持,在新的国际形势和产业大势中,携手再上新台阶。

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