产业观察 | 打通碳化硅产业链，加速高端芯片国产化

来源：松山湖材料实验室

以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料，具有比硅（Si）高约十倍的击穿电场、快约一倍的饱和电子漂移速度、大约三倍的热导率等优异特性，可大幅提高器件的电压等级和工作温度，降低导通电阻和开关损耗，具有高效、体积小、轻便、易于集成、故障率低和成本低等系统优势，使其成为新一代高效、高压电力电子器件的理想材料和必然选择。SiC半导体产业支撑清洁能源、智能电网等国家能源战略，支撑着新能源汽车、轨道交通等核心动力系统的发展，是当今世界各国竞相争夺的战略性产业。

为贯彻落实《粤港澳大湾区发展规划纲要》和国家关于集成电路产业发展的决策部署，加快广东省半导体及集成电路产业发展，2020年2月3日广东省人民政府发布了《广东省加快半导体及集成电路产业发展的若干意见》，指出要根据制造业重点发展方向，大力发展MOSFET、IGBT等产品，支持碳化硅（SiC）等化合物半导体材料、芯片/器件和模块的研发制造，把珠三角地区建设成为具有国际影响力的半导体及集成电路产业集聚区。紧接着5月20日发布的《广东省人民政府关于培育发展战略性支柱产业集群和战略性新兴产业集群的意见》，将新一代电子信息产业集群列为重点发展的十大战略性支柱产业集群，其中包括高端半导体元器件产业，以补齐短板做强产业链、以市场导向提升价值链、以核心技术发展创新链，基本解决“缺芯少核”问题，实现从“世界工厂”向“广东创造”转变。《东莞市关于加快集成电路产业发展的政策意见（征求意见稿）》也提出要抢抓粤港澳大湾区建设全球科技创新中心重大发展机遇，将集成电路产业作为全市重点战略性新兴产业来打造，推动与智能终端、物联网、5G通信、新能源汽车、智能电网、清洁能源等下游应用领域的融合发展，将东莞打造成为粤港澳大湾区以第三代半导体为特色的“大湾区芯谷”。

广东作为现代电力电子技术产品的国际研发和制造基地，对SiC功率芯片有着迫切的需求。比亚迪汽车公司已经在车载充电器和车内电器供电系统大量使用SiC MOSFET芯片，也开始在电动汽车电机控制器使用SiC MOSFET芯片。南方电网已在珠海、深圳、东莞和佛山等地建设的2MW柔性直流电站大量使用SiC MOSFET芯片，由于没有高压SiC MOSFET芯片，只能通过串联1200V芯片获取高压。国外公司借助技术优势，在SiC芯片行业形成垄断，严重影响了我国相关产业的发展和技术进步。在贸易战的大背景下，我国亟需突破SiC半导体产业关键技术瓶颈，应对以节能环保为导向的能源与环境所面临的严峻挑战，全面支撑以智能化为代表的高新技术产业发展的迫切需求。

松山湖材料实验室引进了陈小龙研究员、张安平教授、张浩研究员等领导的国际领先的SiC衬底及外延材料、SiC芯片/器件、SiC封装/功率模块研发和产业化团队，已初步形成SiC半导体产业链高水平人才及产业化团队的集聚。

SiC产业链

SiC衬底和外延材料研发

为实现 SiC 晶体的产业化，2006 年 9 月中科院物理所以 SiC 晶体生长相关专利技术出资成立了北京天科合达蓝光半导体有限公司，在国内率先开始 SiC 晶体产业化工作。2012 年，公司开始量产 4 英寸 SiC 晶体，2018 年开始量产 6 英寸 SiC 晶体。2019 年底，天科合达公司成为国内和亚洲地区最大的 SiC 供应商之一。经过长期潜心研究，物理所在 SiC 晶体领域的研究成果已获授权中国发明专利 24 项、PCT（专利合作条约）国际专利 6 项，参与起草 SiC 晶体相关国家标准并已实施 3 项，在国际学术刊物上发表论文 30 余篇。

大部分SiC器件并非直接制造在衬底上，而是制造在同质外延层上。SiC外延层可以隔离衬底的不良影响，尤其是将衬底中部分高危害缺陷转化为低危害缺陷，为后续器件制作提供必要、可靠的基础。此外，外延生长和离子注入是功率半导体制造的两种基本工艺，但离子注入会带来不可消除缺陷，影响器件的性能。因此，高质量SiC外延工艺是SiC器件制造的核心技术和必经之路。功率器件的工作电压越高，所需外延层越厚，对应的掺杂浓度越低，其外延生长工艺的技术难度也越大。我国在15微米及以下外延膜技术相对成熟，但缺陷控制和掺杂均匀性以及良率指标还有待提高，在品质和成本上都无法与国际先进水平形成竞争，在应用于轨道交通和高电压输配电器件领域的30微米以上厚膜外延制备方面，与国外先进水平存在较大差距。此外，国产外延片的少子寿命亟需延长，与SiC器件制造匹配的外延工艺也需完善。以上诸多问题是我国目前SiC器件产业只能以肖特基二级管为主、MOS器件不能量产的重要原因之一。

鉴于此，2018年陈小龙研究员接受松山湖材料实验室的邀请，组建SiC及相关材料团队，专注于解决国内SiC外延行业目前存在的难题和痛点，避免在材料上形成新的“卡脖子”问题。历经近两年的努力，SiC及相关材料团队自主设计并成功建设了一条SiC外延工艺研发产线。2020年7月29日，在实验室科研项目管理部组织下，验收专家组对团队的外延设备及外延片质量进行了技术验收，并对SiC外延团队的工作给予肯定和表扬。

陈小龙研究员领导的SiC及相关材料团队将专注于大尺寸高质量SiC外延技术的研发，秉承“技术创新，全心服务”的精神，与行业上下游企业密切合作，共同推动我国第三代半导体产业的蓬勃发展。

SiC芯片/器件研发

功率半导体芯片应用广泛，全球市场超过3000亿元，其中50%以上用户在国内。国内功率半导体芯片自给率只有10%，尤其是高端芯片/器件几乎全部依赖进口，进口替代潜力巨大。在庞大的SiC芯片应用市场中，比亚迪、华为、南方电网/广东电网等用户大量使用进口的SiC MOSFET等芯片，在整个SiC产业链中，SiC MOSFET芯片是目前广东和国内的短板。SiC功率芯片/器件是节能减排和产业升级的核心关键技术，将为大湾区智造和建设国际一流研发制造基地提供支撑。

SiC芯片在电动汽车的应用（比亚迪）

SiC芯片在智能电网的应用（南方电网）

张安平教授领导的SiC半导体功率芯片/器件研发和产业化团队早在2018年成立了东莞清芯半导体科技有限公司，是实验室创新样板工厂入驻团队中最早孵化的一家高科技企业。公司建立了完善的芯片设计、制造、测试和可靠性评估平台，已经建成了完整的6英寸SiC MOSFET中试生产线，以IDM模式支撑团队进行快速的技术和产品迭代。团队已经与比亚迪、南方电网/广东电网、中车、格力等下游用户建立了紧密合作关系，小批量试制的产品获得用户好评，预计在2020年下半年实现量产，近期目标是实现年产值约2亿元。

6英寸SiC中试生产线

SiC封装/功率模块研发

国内全碳化硅功率模块主要指标为1200V/50-600A, 650V/900A。在产业方面，由于受到美国等西方国家技术封锁，国内自主创新发展是必由之路。在生产模式上，国内已经在第三代半导体领域形成了从衬底到模块的完整产业链体系，器件制造方面以IDM模式为主，且正在形成“设计-制造-封测”的分工体系。

创新的封装和系统集成技术需要开发出来以释放宽禁带器件的全部潜能。碳化硅功率器件与硅器件相比，可以在更高的温度下工作，目前电力电子器件的最高结温为175℃，但由于受限于封装技术的发展及抢占市场的压力，碳化硅器件的生产商暂时没有提高器件结点温度。而当结温提高到如300℃，其在应用上的影响至少有两个方面：首先，系统对热管理的需求降低了，系统可以做得更加简化，实现小型化和轻量化，降低成本，提高系统可靠性；其次，可在高温环境下运行，如靠近发动机的区域等。这些未经开拓的领域，不论军用还是民用均具有极大的价值和潜力。

与硅基器件相比，碳化硅功率器件的开关速度大大提高，可以实现更高的开关频率，因此其对无源器件的要求更低，可以实现更高的功率密度，并减少材料清单(BOM)。但是，要想实现这些理想的功能，只有将电路的寄生电感和电磁干扰降低到前所未有的水平，这就需要全新的封装技术和集成方法，从离散组件的组装（每个器件分别设计和封装）到包含功率器件、栅极驱动器、滤波器、传感器和控制功能的完全集成的组件。

驱动电力电子技术不断发展的设计封装和集成技术的最重要因素包括：降低成本的压力；不断降低损耗、提高效率的需求；不断提升功率密度的需求（小型化、轻量化）；易于使用的需求（即插即用、模组化方案、高压、大电流、易于维护等）；环境耐受性（高温、极端温度范围、振动和冲击、硬辐射等）；可靠性和鲁棒性（更长的使用寿命，更长的维护间隔时间，更少的早期故障，抵御故障的能力等）。封装和系统集成工作面临的首要挑战是实现具有成本效益的解决方案，这些解决方案需要可以释放宽禁带器件的全能潜能。从封装和系统集成技术的角度来看，更高级别的结构和功能集成、改进的电磁性能、提高的可靠性和坚固性、扩展的工作条件、改进的热管理性能等都是驱动其不断发展的重要技术因素。

为了达到以上所述的目标，封装技术研发和创新点主要在于架构设计（如封装类型、内部布局设计、集成度等）、材料（新型的基板材料、互联材料等）、工艺流程（如组装、制造方法等）以及整个研发、设计、制造过程中所使用的工具（如设计建模仿真工具、特性测试工具、标准等）。

Tesla Model 3已使用全碳化硅模块

碳化硅功率模块的下游需求正快速增长

松山湖材料实验室下设的“新型第三代碳化硅功率模块技术及系统集成联合工程中心”，针对碳化硅功率器件所面临的上述封装技术挑战积极开展研发工作，确立了几个重要的研发方向，如新型的高可靠性高温芯片接合材料研究、高温功率模块封装技术、无引线超低寄生电感模块技术等，旨在开发一些创新的封装技术，帮助碳化硅器件最大限度地发挥器件本身最优良的性能。

由于SiC半导体技术的诸多优势，它必将在未来相当长一段时间内代表先进半导体技术的发展主方向，并冲击现有产业链和行业分工、重构未来功率半导体及相关应用产业的格局。在粤港澳大湾区建设的历史机遇与受到国际垄断掣肘的双重背景下，为快速形成我国SiC产业的自主创新能力，抢占产业技术及应用先机，松山湖材料实验室正以现有的三个SiC研发和产业化团队为基础，积极筹备组建东莞市SiC产业技术研究院并搭建SiC半导体产业集聚区，支撑广东省大规模制造业企业的芯片国产化的实际需求，以应用为牵引，补齐现有短板，实现材料、芯片/器件、功率模块的产业链集成和集聚，在全球范围内跨行业、跨领域率先形成SiC半导体从研发、生产到应用的完整闭环，在中国乃至世界形成SiC产业生态的先发优势。

撰稿：松山湖材料实验室SiC及相关材料团队陈小龙研究员、SiC芯片/器件团队负责人张安平教授、SiC模块封装团队负责人张浩研究员

本文刊载于《中国科技投资》2020年第10期