派恩杰黄兴:做好中国第三代半导体产业的“探路者”

碳化硅芯观察 2024-02-28 19:16

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本文转载自:集微网

随着集成电路芯片的晶体管密度越来越接近物理极限,单纯依靠改进制程来改善性能已经变得越来越困难,如何发展“后摩尔时代”的集成电路产业,全球都在积极寻找新技术、新方法、新路径和新思路。以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料具有高击穿电场、高电子迁移率、高热导率、高抗辐射等特点,适合制造高性能的功率半导体器件,成为功率半导体产业的热点。
派恩杰半导体是国内第三代半导体功率器件的领先品牌,拥有深厚的技术底蕴和供应链优势,创始人黄兴博士师承IGBT发明人Dr. B.Jayant Baliga与ETO晶闸管发明人Dr.Alex Q.Huang,并于2009年起深耕碳化硅和氮化镓功率器件的设计和研发,对产业有着深入洞察。
派恩杰半导体拥有国内最全的碳化硅功率器件产品目录,可以满足用户各种应用场景的需求。近日,爱集微采访了黄兴博士,讨论第三代半导体的产业趋势和企业运营思路,探寻做强中国第三代半导体产业的发展路径。

信心:十年后碳化硅将替代IGBT

在经历了上一轮“缺芯潮”之后,全球半导体产业进入一个相对漫长的下行周期,大多数半导体公司遭受市场压力。第三代半导体则是其中难得的一抹亮色。从2021年-2022年起,碳化硅等器件便进入供应短缺状态,至今依然没有得到完全缓解。发展碳化硅等第三代半导体受到越来越多人们的重视。
黄兴在接受采访时表示,当前需求疲弱的市场状况可能会延续到2024年上半年。但即便如此,黄兴也坚定看好第三代半导体市场。
“尽管储能、光伏、消费的需求有所减缓,但是汽车应用对碳化硅器件的需求依然强劲。随着衬底原材料价格的下行,以及碳化硅技术性能的不断提升,车厂反而会在更多项目中采用碳化硅器件。这种趋势在派恩杰与欧洲车厂、亚洲海外车厂进行的一些预研型项目开发中感受十分明显。”
就规模来看,目前碳化硅功率器件的最主要应用仍然是车载应用,派恩杰自2021年底就一直在向国内的车企批量供应碳化硅功率器件,产品性能与质量得到广泛认可。光伏、储能等领域的市场规模相对较小,派恩杰在这些应用领域也有相当规模的客户订单。因此,只要车用市场稳定增长,其他市场即使有所下滑,也尚不至于影响大局。当前阻碍碳化硅等器件进一步普及的主要问题就是良率和成本。
分析整个产业链生产可以发现,碳化硅的原材料是高纯硅粉加高纯碳粉,来源十分大众,价格低廉。但从硅粉碳粉到单晶,良率估算只有30%左右;从单晶的切磨抛、长外延,再经过十几道光刻,最后加工成器件,整个过程的良率也很低;最终筛选出来能合格上车的,又只有50%。综合计算,整个产业链良率只10%-20%。这是导致当前碳化硅等第三代半导体器件价格高昂、产能瓶颈的主要原因。
如果人们能够通过技术迭代、工艺精进,把良率提升上来,碳化硅就有着充分的降本空间,即使加上大量工艺程序的成本加成,整个流片成本也不会比IGBT更高。值得注意的是,碳化硅器件的功率密度更高,载流能力更强,且芯片面积要远小于同规格的IGBT。再加上碳化硅的鲁棒性更好,使用起来更加简单,相信未来碳化硅器件一定会逐步替代IGBT。
黄兴预计大约10年以后,IGBT的大部分市场份额会被碳化硅器件替代。黄兴同样看好氮化镓的市场前景,氮化镓无论是被做成LED器件,应用于照明领域,还是被用作射频功放器件,应用于射频雷达、5G通信等,都有广大的市场空间。研究机构的数据也支持了黄兴的判断。根据Yole Intelligence发布的2023年版《功率碳化硅报告》,碳化硅行业近年实现了创纪录的增长,预计到2028年全球功率碳化硅器件市场将增长至近90亿美元。正是由于看到市场前景广阔,黄兴才决心投身于第三代半导体产业当中,做出一番事业。
当然,如果进一步观察黄兴的成长历程又会发现,那些求学经历、从业经历,都让黄兴与碳化硅、氮化镓结下了不解之缘。它们也是推动着黄兴投身碳化硅与氮化镓的创新研发与产业化发展的主要动力。
求学:既重视学术也重视应用
黄兴博士本科就读于成都电子科技大学。当时的成都电子科技大学在功率器件科研方面已经有了深厚积累。陈星弼院士领衔的电子薄膜与集成器件国家重点实验室就归属于成都电子科技大学微电子与固体电子学院。陈星弼院士开发的超结结构(Super Junction)打破了传统“硅极限”。这项发明专利的成功转让也是我国第一例在国际知识产权诉讼中获得胜利的案例。入读成都电子科技大学为黄兴的碳化硅探索之路打开了一扇大门。
2007年-2008年,黄兴被推荐到陈星弼院士一位早年的学生,同时也是ETO晶闸管发明人,美国北卡州立大学Dr.Alex Q.Huang教授那里深造。
(左)黄兴博士  (右)Dr.Alex Q.Huang
Alex Q.Huang承担了美国自然科学基金(NSF)支持的一个与智能电网相关的科研项目,愿景是把新能源和传统能源所发的电力统一集成到一张电网上面,组成一张能源网络,并以此为基础为每家每户提供灵活的电网服务。黄兴来到北卡州立大学之后,便加入这个项目当中。
碳化硅器件的研究是这个智能电网项目下的一个子课题。因为智能电网的母线电压比较高,美国的标准为7.6千伏,课题的目标是开发出可以承受这一高电压的碳化硅晶闸管,对电网实施双向保护。该课题是由Alex Q.Huang与IGBT发明者Dr.B.Jayant Baliga合作申请研究,因此黄兴可以同时师从两位功率半导体学界大咖,也为其打下了坚实的学术基础。
在北卡州立大学的学习研究,还让黄兴获得了许多与当时美国碳化硅产业界接触的机会。CREE、ABB等公司都是北卡州立大学的校友企业,给予了项目很多支持。在与CREE等公司员工的交流过程中,黄兴明显感受到,碳化硅技术正处在一个从实验室到产业化的关键节点上。当时,美国政府对碳化硅产业化的支持也很多。美国能源部曾启动一个1.4亿美元的项目,希望将碳化硅、氮化镓器件的总体成本降下来,促进产业化落地。黄兴两位导师申请的项目便被纳入这个大项目当中。在这些项目的共同推动下,第三代半导体产业取得了快速发展。
这些经历都使黄兴清晰意识到,应用对推动一项新兴技术产业化的作用是多么关键。要想把一项新技术发展起来,不能仅埋头在实验室里做学问,在重视技术开发创新的同时,也要重视应用。“虽然当时我是做半导体器件开发的,但是我一直非常关注应用。因为我发现一项新技术,理论上的性能、效益很高,但真正被用户接受并不是一件容易的事情。想要真正用好碳化硅,充分发挥碳化硅的性能优势,不但要细致研究驱动电路、EMC、热管理等问题,还要研究如何通过碳化硅器件的性能优势对变换器整体进行优化设计,这些都是与应用相关的知识。我觉得从B.Jayant Baliga和Alex Q.Huang两位导师身上学到的最重要的东西,就是重视下游应用。我们做半导体的不仅要懂材料、懂工艺、懂设计,更重要的是还要懂应用。”黄兴说。
创业:要做好“从0到1”的事情
从进入北卡州立大学学习研究,到进入企业进行产品开发,黄兴在碳化硅产业化的很多关键节点上,都是一个亲历者。黄兴在领略碳化硅等第三代半导体魅力的同时,也逐渐树立起要把它们当成一项事业去做的信念。
2017年,一则消息在碳化硅行业内流传,且影响深远——ST和特斯拉合作,把碳化硅器件应用到了汽车之上。“当时看到这个消息,我一下就觉得终于找到应用了。虽然当时碳化硅器件的售价还是很高,但这却属于刚需,因为采用碳化硅节省掉的电池成本远远比花在碳化硅上的钱要多得多。这也意味着碳化硅器件有了落地的基础。一个商业上的闭环得以确立。”黄兴指出。在这些契机的作用下,黄兴萌生了回国创业的念头,希望通过自身的努力填补国内碳化硅等第三代半导体领域的空白。由此又开启了另一段人生。
回国创业,黄兴发现中国市场的机会甚至要比美国还多。当时美国的碳化硅领域已经形成几家大型公司,比如CREE、安森美等。相反2017年-2018年国内还没有形成一家碳化硅龙头企业,却又有着数量众多的智能电动车潜在用户。
“我看过一本书,大意是说如果你做的不是一件‘从0到1’的事情,那么这件事从本质上讲就没有创业的意义。”而在黄兴眼中,在中国推进碳化硅等第三代半导体产业显然是一件从“0”做起的、具有重要意义的工作。基于这样的理念,黄兴希望将派恩杰打造成为一家立足中国市场,可以为全球范围内终端用户提供最好碳化硅产品的公司,最终实现中国第三代半导体产业的自主可控。
虽然这个目标带有一定的“本地化”色彩,但是黄兴打造的技术与供应链系统却是非常国际化的。在碳化硅器件品质与性能方面,派恩杰受到用户的高度认可,这不仅是在中国市场,在海外市场上同样如此。分析派恩杰的订单构成就会发现,其中有许多是来自海外的充电桩项目、激光电源项目,以及车厂订单等。黄兴希望将国际领先的技术与全球化的供应链系统落地到中国市场,进而推动中国第三代半导体产业的成长。
黄兴的海外学术经历与工作经验使其在运营公司时更加得心应手,高屋建瓴。黄兴很早就认识到,功率器件领域其实也有着类似的摩尔定律,只不过功率器件是在微米尺度上进行工艺的微缩。伴随工艺微缩的是产品性能不断提高,成本不断降低。比如CREE的第一代产品工艺约为十几微米,第二代已演进到8-9微米,第三代6微米,3.5代是5.5微米,今后还将继续向下不断演进。
在行业发展初期,国内企业对这一产业规律的认识还比较薄弱,对器件的工艺技术开发重视程度不够。派恩杰却早早就在先进工艺上进行布局。2019年推出的第一款量产碳化硅场效应管达到4.8微米,并于2020年通过车规认证。这也是全球首款5微米以下的平面栅功率器件,其性能在多个应用场景下比国际大厂的产品表现更好。而根据派恩杰的技术路线图,下一代产品工艺将推进到3.x微米,再下一代为2.x微米。
“在推动碳化硅技术进步时,在一定程度上我们完全可以借鉴硅基集成电路的发展历史。只不过功率器件的产品迭代可能没有那么快,不是每18个月演进一个节点,目前大约为4-5年迭代一次,因为它的应用场景以工业制造为主,更新迭代的速度不像消费类产品那么快。”黄兴表示。
在推动技术开发的同时,黄兴也不忘应用的发展。据了解,派恩杰的产品在国产领域第一批实现上车。目前已经向车厂稳定供货超过两年,累计订单已达上亿元。这使得派恩杰在国际大厂中也有了存在感。“我们在给韩国某大客户供货,本来他们是将我们排在第三供的位置上,结果前两家都交不上货,我们被迫成了第一位。”黄兴笑着说道。
在氮化镓产品线方面,派恩杰的进展也很快,目前公司的策略是聚焦于氮化镓系统性解决方案的打造。公司与IC厂商合作,集成控制IC、功率模块等,同时考虑安规、极端工况等问题,最终形成一个相对完整的解决方案,再交给用户。这使采购门槛降到最低,也受到用户的欢迎。
黄兴认为,技术创新和对供应链及品质的把控是派恩杰的核心竞争力,因为供应链与品质是汽车和工业级客户最看重的两个方面。一直以来,派恩杰的供应链战略都是选择成熟的车规级供应商,并且严格管控供应商的质量体系。基于这样的供应链战略,派恩杰的碳化硅产品的供应能力与质量均得到海内外客户的广泛认可。
未来:为国内产业发展蹚一条路
“几乎所有新兴产业都是从高端市场向大众应用一步一步普及的。当它在高端市场获得充分验证后,才会产生足够动力向更广泛的领域扩展延伸。碳化硅正是这样,在经历了航空航天、大型电网应用之后,正在向车用市场普及,下一步将是工业领域,再下一步可能就是消费市场。这几乎是一个必然的发展趋势。我们要做的就是通过技术迭代与工艺精进,把良率做上去,通过扩大规模把产量提高,这样才有可能大幅降低成本,进而扩大应用范围。”海外留学、工作,并且师从国际顶尖学者的种种经历,使黄兴有了更广阔的国际视野。这些先进经验不仅对派恩杰公司的运营有很强的指导价值,对于国内第三代半导体行业的发展也有指导意义。
下一步,黄兴计划在公司运营上进行一次重大调整,建设一座本地化的生产基地。“因为代工厂的产能已经逐渐满足不了公司的需求。而建设一座本地化的生产基地不仅可以获得更加稳定的产能,还可以把成本降低下来。”黄兴告诉记者。
IDM仍是当前国际碳化硅和氮化镓大厂的主要经营模式。但是这种重资产的运营在国内却有更多挑战。一方面,IDM公司的产品和产能更稳定,但是它对现金流的要求也更高,一旦现金流断裂,公司很容易就会垮掉。另外,如果生产良率无法保证,采取IDM模式也是没有意义的。因此,这就要求选择IDM模式的企业,技术一定要过硬,整个团队有相当的运营经验,同时确保资金链不能出现问题。
这些挑战黄兴十分了解。但同时他也清楚,IDM是当前行业发展的主流模式,是解决碳化硅低良率、高成本问题的发展方向。黄兴希望在这方面为国内产业蹚出一条道路来。
在谈到行业面临最大挑战时,黄兴认为资本的无序投资是一个较为严重问题。当一个赛道比较火热的时候,往往吸引资本一窝蜂地投过去。热钱的进入固然能推高行业热度,却也会给正常发展带来影响,扶持低端产能,导致价格战,扰乱用户判断等。另外,热钱的涌入也会导致人才流动的混乱。在非专业资本的加持下,不同公司相互挖角,往往造成新的团队组织不起来,老的团队又被挖散架。典型的“新树不开花,老树不结果”。
尽管挑战很多,黄兴却对中国第三代半导体产业的未来带有极大信心。因为中国有着得天独厚的产业环境,无论快速增长的电动汽车工业,还是广阔的下游需求市场,都是助推产业腾飞的基础。“我觉得整个行业正在进入下半场阶段。企业最关键的就是扩大规模和持续进行技术的更新迭代。突破良率瓶颈,真正将器件成本降下来,实现弯道超车并不是一句空话。”
同时,黄兴也强调,从政府到产业界,再到投资界都应当冷静对待当前的发展机遇,要真正地去研究这个行业、了解这个行业,不要让那些无序的行为扰乱正常的发展。半导体是真正属于国之重器的一个产业,国家既要扶持,更要建立一个有序的竞争环境,让企业在一个健康的环境中成长。扶持的重点,不是已经进入成熟期的大型企业,恰恰是那些创新型的中小企业。对于一个新兴行业来说,创新才是最重要的,而中小企业往往最具有创新精神。国家应当鼓励创新,营造一个比拼创新的产业环境,而不是单纯地比拼价格,看谁最终能把谁卷死。
采访最后谈到社会责任。黄兴表示:“企业家的社会责任是多方面的,一方面开发的产品要能给社会带来价值,另一方面还应具备文化上的输出,要让整个社会更清晰地理解怎么样才算是做好一个高科技产业。”当半导体行业进入“后摩尔时代”,发展第三代半导体产业已是大势所趋,也是中国实现弯道超车的最佳时机。作为投身于这一领域的企业家就应当有决心担负起社会责任,为振兴中国第三代半导体产业探索出一条可行的道路。

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