華虹集團旗下上海華虹宏力半導體制造有限公司（“華虹宏力”）戰略、市場與發展部李健在第八屆年度中國電子ICT媒體論壇暨2019產業和技術展望研討會上以《電動汽車“芯”機遇》為題為現場嘉賓分享電動汽車給功率半導體帶來的發展機遇，并重點介紹了華虹宏力在功率半導體領域的工藝技術。
李健開場就表示，今天在這里和大家共同探討一下電動汽車孕育的新機遇。當機遇來的時候，我們必須要有核心的技術，才能夠抓住機遇，開創我們的未來。
芯機遇，電動汽車助力功率半導體再迎春天
李健表示，電動汽車是半導體產業的發展新機遇，是半導體發展下一個十年的引領載體。他說，從2017年開始，智能手機已顯出疲態，半導體產業急需新的市場應用拉動上揚，而能夠擔任多技術融合載體重任的當屬智能汽車。
李健分析說，首先汽車“電子化”是大勢所趨，從汽車成本結構來看，未來芯片成本有望占汽車總成本的50%以上，這將給半導體帶來巨大的市場需求。
其次，雖然汽車是個傳統的制造業，但是個能讓人熱血沸騰的制造業，因為汽車產業承載了人類的夢想。當傳統的汽車制造業遇到當今的半導體，就像千里馬插上翅膀，會變成下一個引領浪潮的“才子”。李健表示，自動駕駛處理器、ADAS芯片為電動汽車帶來冷靜的頭腦；同時，IGBT、MOSFET等功率半導體器件為電動汽車帶來更強壯的肌肉，讓千里馬跑得更快。
汽車電動化是全球趨勢。有數據表明，2020年，全球新能源車的銷售目標為700萬臺，而中國內地為200萬臺。有別于傳統汽車，新能源車配有電機、電池、車載充電機、電機逆變控制器和電動車空調壓縮機PTC加熱器等，這都需要大量的功率器件芯片。除了車輛本身“電動化”之外，還給后裝零部件市場和配套用電設施帶來新需求，比如直流快速充電樁。
圖片來源：嘉賓演講PPT
電動汽車中功率芯片的用途非常廣泛，如啟停系統、DC/DC變壓器（高壓轉12V）、DC/AC主逆變器+DC/DC升壓、發電機、車載充電機等，都要用到功率器件。
李健以IGBT為例，對電動汽車中功率器件的規模進行了介紹，他說一臺電動車總共需要48顆IGBT芯片，其中前后雙電機共需要36顆，車載充電機需要4顆，電動空調8顆。同時后裝維修零配件市場按1：1配套。如果2020年國內電動汽車銷量達到200萬臺，國內市場大約需要每月10萬片8英寸車規級IGBT晶圓產能（按每片晶圓容納120顆IGBT芯片折算）。基于國內電動車市場占全球市場的1/3，2020年全球汽車市場可能需要超過每月30萬片8英寸IGBT晶圓產能！
李健表示，除了電動汽車市場，IGBT在其它應用市場中也廣受歡迎，業內有看法認為還需要新建十座IGBT晶圓廠。
芯技術，華虹宏力聚焦功率器件特色工藝
華虹宏力從2002年開始自主創“芯”路，是全球第一家提供功率器件代工服務的8英寸純晶圓代工廠。2002年到2010年，陸續完成先進的溝槽型中低壓MOSFET/SGT/TBO等功率器件技術開發；2010年，高壓600V ~700V溝槽型、平面型MOSFET工藝進入量產階段；2011年第一代深溝槽超級結工藝進入量產階段，同年1200V溝槽型NPT IGBT工藝也完成研發進入量產階段；2013年，第2代深溝槽超級結工藝推向市場，同時600V~1200V溝槽型場截止型IGBT（FDB工藝）也成功量產。
作為華虹宏力的核心業務之一，公司在功率器件方面主要聚焦在以下4個方面：
圖片來源：嘉賓演講PPT
一是溝槽型MOS/SGT，適合小于300V電壓的應用，如汽車輔助系統應用12V/24V/48V等。硅基MOSFET是功率器件工藝的基礎，后續工藝都是基于這個工藝平臺不斷升級、完善，華虹宏力致力于優化pitch size，提升元胞密度，降低導通電阻。華虹宏力的MOSFET產品已通過車規認證，并配合客戶完成相對核心關鍵部件如汽車油泵、轉向助力系統等的應用。目前華虹宏力8英寸MOSFET晶圓出貨已超過700萬片。
二是超級結MOSFET工藝（DT-SJ），涵蓋300V到800V，應用于汽車動力電池電壓轉12V低電壓及直流充電樁功率模塊。超級結MOSFET最顯著特征為P柱結構，華虹宏力采用擁有自主知識產權的深溝槽型P柱，可大幅降低導通電阻，同時，在生產制造過程中可大幅縮短加工周期、降低生產成本。超級結MOSFET適用于500V~900V電壓段，它的電阻更小，效率更高，散熱相對低，所以在要求嚴苛的開關電源里有大量的應用。
超級結MOSFET是華虹宏力功率半導體工藝平臺的中流砥柱。2011年，第一代超級結MOSFET工藝開始量產；2013年，通過技術創新，優化pitch size，降低結電阻，推出第二代超級結MOSFET工藝；2015年，進一步優化，推出2.5代超級結MOSFET工藝；2017年，第三代超級結MOSFET工藝試生產。
李健表示，相比前代的平面型柵極，華虹宏力第三代超級結MOSFET在結構上有了創新，采用垂直溝槽柵（Vertical trench）結構，有效降低結電阻，進一步優化pitch size，可提供導通電阻更低、芯片面積更小、開關速度更快和開關損耗更低的產品解決方案。
用單位面積導通電阻來衡量的話，華虹宏力超級結MOSFET工藝每一代新技術都優化25%以上，持續為客戶創造更多價值。
李健強調，垂直溝槽柵超級結MOSFET是華虹宏力自主開發、擁有完全知識產權的創“芯”技術。
三是IGBT，作為電動汽車的核心，主要是在600V~3300V甚至6500V高壓上的應用，如汽車主逆變、車載充電機等。
李健表示，硅基IGBT作為電動汽車的核“芯”，非常考驗晶圓制造的能力和經驗。從器件結構來看，IGBT芯片正面類似普通的MOSFET，難點在于實現背面結構。
華虹宏力是國內為數不多可用8英寸晶圓產線為客戶代工的廠商之一，公司擁有背面薄片、背面高能離子注入、背面激光退火以及背面金屬化等一整套完整的FS IGBT的背面加工處理能力，使得客戶產品能夠比肩業界主流的國際IDM產品。
IGBT晶圓的背面加工需要很多特殊的工藝制程。以最簡單的薄片工藝來說，一般正常的8英寸晶圓厚700多微米，減薄后需要達到60微米甚至更薄，就像紙一樣，不采用特殊設備，晶圓就會翹曲而無法進行后續加工。
華虹宏力IGBT早期以1200V LPT、1700V NPT/FS為主；目前集中在場截止型（FS）工藝上，以600伏和1200伏電壓段為主；3300V~6500V高壓段工藝的技術開發已經完成，正在進行產品驗證。
四是GaN/SiC新材料，未來五到十年，SiC類功率器件會成為汽車市場的主力，主要用于主逆變器和大功率直流快充的充電樁上。
李健介紹說，寬禁帶材料（GaN/SiC）優勢非常明顯，未來10到15年，寬禁帶材料的市場空間非常巨大，但目前可靠性還有待進一步觀察。
李健對GaN和SiC進行了一個簡單的對比。從市場應用需求來講，SiC的市場應用和硅基IGBT完全重合，應用場景明確，GaN則瞄準新興領域，如無線充電和無人駕駛LiDAR，應用場景存在一定的變數。從技術成熟度來講，SiC二級管技術已成熟，MOS管也已小批量供貨。而SiC基GaN雖然相對成熟，但成本高；Si基GaN則仍不成熟。從性價比來講，SiC比較明確，未來大量量產后有望快速拉低成本。而GaN的則有待觀察，如果新型應用不能如期上量，成本下降會比較緩慢。不過Si基GaN最大的優勢在于可以和傳統CMOS產線兼容，而SiC則做不到這點。
芯未來，施行“8+12”戰略布局
盡管半導體市場風云際會，公司整體戰略是開辟“超越摩爾”新路，深耕“特色+優勢”工藝，實行“8+12”的戰略布局。
圖片來源：嘉賓演講PPT
8英寸的戰略定位是“廣積糧”，重點是“積”。華虹宏力有近20年的特色工藝技術積累，是業內首個擁有深溝槽超級結(Deep Trench Super Junction，DT-SJ)及場截止型IGBT(Field Stop，FS IGBT)工藝平臺的8英寸代工廠，公司現已推出第三代DT-SJ工藝平臺。在IGBT方面讓客戶產品能夠比肩業界主流的國際IDM產品。
公司積累了眾多戰略客戶多年合作的情誼；連續32個季度盈利的赫赫成績，也為華虹宏力積累了大量的資本。
正因為有這些積累，華虹宏力可以開始布局12英寸先進工藝。
12英寸的戰略定位是“高筑墻”，重點是“高”。華虹宏力將通過建設12英寸生產線，延伸8英寸特色工藝優勢，拓寬護城河，提高技術壁壘，拉開與身后競爭者的差距。
在擴充產能的同時，技術節點也推進到90/55納米，以便給客戶提供更先進的工藝支持，攜手再上新臺階。
李健總結到，只有積累了雄厚的底蘊，才能夠在更高的舞臺上走得更穩。