英飞凌碳化硅：目标、中国衬底和十八般兵器（二）

英飞凌碳化硅战略的进一步讨论

在英飞凌2023财年第2季度财报电话会议上， CEO Jochen Hanebeck称来自中国的碳化硅衬底的使用将主要遵循China for China（来自中国，供给中国）的策略。结合之后GIP事业群总裁Peter Wawer博士的表述（见《英飞凌碳化硅：目标、中国衬底和十八般兵器（一）》），可以猜想英飞凌的碳化硅供应策略：中国客户未来购买的碳化硅器件，其衬底将主要来自天科合达和天岳先进。而非中国的客户如果没有与公司签署特别协议，也会获得生产自中国衬底的产品。

如此规划，既有上篇文章所述的三点内部原因，也有外部品牌的考量。

因为财务模型中对运营利润率提出了更高的要求，英飞凌必须采用基于价值（value-based），而非基于市价（market price based）的产品定价策略。因此，公司必须树立其CoolSiC和HybridPACK SiC等碳化硅产品的品牌价值——来自高性能的设计，可靠的封装，严苛的测试，以及对应用的深入理解，而非所用衬底的供应商。弱化衬底的来源也成为英飞凌必行策略之一。

同样，英飞凌也认真考虑了何时从6寸衬底切换到8寸衬底。

虽然与包括天科合达和天岳先进在内的所有衬底供应商都沟通过8寸衬底的供应时间表，但是对于英飞凌来说，除了技术和生产的难关需要攻破，转换时机更是一笔经济账。

相较于6寸晶圆，8寸碳化硅晶圆可以提供的面积增加78%。同时，所需衬底的厚度也从350微米增加到500微米以上。对于2米长的硅晶锭来说，这点厚度的增加微不足道。但是对于一周只能在长晶炉中生长几厘米厚的碳化硅晶锭来说，每片衬底厚度增加150微米就意味着长晶炉的产出下降近3成，成本也相应的提高。

因此，6寸衬底向8寸衬底的生产过渡需要考虑这一正一反两个因素的影响。对英飞凌来说最终是一个成本的话题。

草蛇灰线，这也回答了英飞凌为何5年前花费1.24亿欧元收购初创企业Siltectra。虽然当时这家公司的冷裂技术只能用于实验室内，但是它能够部分解决大尺寸碳化硅衬底转换过程中厚度增加、产出减少、成本提高这一难题，潜力不小。

器件设计的优势

英飞凌对其碳化硅产品定位高质高价，主要原因之一在于其领先和成熟的沟槽栅设计。虽然平面结构碳化硅MOSFET生产工艺较为简单，栅极氧化物可靠性更高，但是在与性能相关的单位面积导通电阻和寄生电容，以及成本相关的单位电流芯片尺寸上不能比肩沟槽栅设计。

平面栅和沟槽栅碳化硅MOSFET的通常优缺点和主要供应厂商（来源：01芯闻）

从目前的一些反馈来看，英飞凌CoolSiC做到了扬长抑短，不但具有性能的优势，在可靠性和耐用性方面也通过具有专利的半包沟槽栅结构设计和严苛的测试克服了缺点，成为业内少数几个可以量产并大规模应用的车规碳化硅MOSFET。

当前CoolSiC产品已经有两代产品推出。第一代为量产的1200V产品。第二代则包括1200V和750V两个电压规格，前者已有样品提供，导通电阻性能或者载电流能力较上一代提高25%，而后者第二代750V产品正在研发中。

根据推广材料，英飞凌已然开始了第三代1200V平台的开发，性能较第二代产品可以再次提升20%。预计推出时间为2025年底到2026年初，正好配合上新建Kulim三代半工厂的投产。

英飞凌不同世代CoolSiC产品的性能提升（来源：英飞凌）

严苛的测试

除了设计方面有独到的优势，在研发过程中的可靠性测试和生产过程中的最终测试（final test）里，英飞凌在AEC-Q101或AQG324等标准上，加入了公司基于应用和产品深入理解的额外测试。其中一个经常被提及的就是Marathon（马拉松）测试。

相对于硅基MOSFET，SiC MOSFET的栅氧层GOX可靠性存在一些“外在”缺陷，即栅氧层的微小变形会导致氧化层局部减薄。这些缺陷的来源可能是衬底或者外延层自带缺陷、杂质颗粒、金属粒子，或者晶圆制造过程中被引入到栅极氧化物中的其他外来杂质。比起硅基MOSFET，碳化硅MOSFET外在缺陷密度可能高出3-4个数量级，成为其早期失效的元凶。

Marathon测试通过涉及到上千样品的压力测试，采用比正常使用更高的栅极电压来筛选出具有这些外在缺陷的器件。测试中，碳化硅器件被装入例如HybridPACK Drive这样的多芯片模块（每片模块内有24颗芯片），施以30V，25V或-15V的栅极电压“压榨”这些通常由18V驱动的器件。

在经历了历时100天的150C高温测试后，失效器件的数量以及对应的测试时间被记录在案。这些数据通过Linear-E模型转换为正常18V栅极电压下的产品寿命。

为了验证产品开发阶段不同工艺改良对可靠性的提升效果，英飞凌会在产品的不同阶段分组（Group）应用三次Marathon测试，第一次测试可能使用首批工程品，第二次和第三次分别采用B样以及即将量产的成品。

Marathon测试的加速模型以及对产品寿命的判断（来源：infineon）

之所以英飞凌的Marathon测试可以用较高的栅极电压做外在缺陷筛选，按照公司说法，是因为在CoolSiC产品设计和制造中采用了较竞争对手更厚的栅氧层GOX，因此可以耐受更高的电压。

英飞凌CoolSiC的栅氧层厚度和筛选电压在同行中居于前列（来源：英飞凌）

领先的封装技术

安森美和英飞凌等头部半导体厂商在宣传其功率半导体产品时，都会强调产品的载电流能力一半在于芯片本身，另一半在于封装技术。后者决定了芯片工作时产生的废热如何被尽快地散发出去，避免影响芯片性能和使用寿命。

从数据来看，功率器件中九成以上的热阻来源于封装材料。因此，封装技术在提升碳化硅产品性能上必须得到重视。

而英飞凌这类集芯片设计、晶圆生产和封装测试于一体的IDM企业，因为可以在内部产线验证设计并且随时调试工艺，所以拥有了特定的优势。

功率器件中通常的热阻分布（来源：infineon）

在CoolSiC产品中所应用到的“.XT“技术即为一例。

这项技术在特定温度和压力条件下，通过Diffusion Soldering（扩散焊）使得SiC芯片的背面金属与框架材料（Lead Frame）表面金属产生原子的相互扩散，形成牢固的冶金连接，省去中间焊料。

根据英飞凌所提供的数据，在D2PAK-7L（TO-263-7）单管封装中用更薄的.XT取代标准焊料后，可以降低至多25%的稳态热阻Rth(j-c)和至多45%的瞬态热阻Zth(j-c)。

.XT技术带来的散热优势（来源：英飞凌）

与此同时，英飞凌也在改进其所用的陶瓷基板材料和制造工艺。例如在功率模块产品中，采用导热率更好的材料，并且控制平整度和厚度，使得基板的翘曲和一致性更好，因此基板的散热也就更为均匀。

其他封装方面的改进还包括使用更牢固的信号销铆钉（Pin Rivet）设计，电阻和温升更低的电气连接件（AC & DC Contacts）等，这在第二代单面水冷模块HybridPACK Drive（G2）和双面水冷模块HybridPACK DSC中都将全部或者部分得到应用。

10亿营收虽迟但到

最后，再来回顾一下英飞凌这家半导体领军企业的碳化硅营收愿景。

根据公司在历次公开场合透露的信息，2023财年碳化硅营收预计在5亿欧元，如果按照2025年10亿欧元的规划，年复合增长率如上一篇文章所言恰好为50%。这也设定了一条基准线，如果一家碳化硅企业的相关业务增长率低于50%，“赶英（英飞凌）超美（安森美）”只是枉然。

英飞凌的碳化硅营收数据与预期（来源：01芯闻，英飞凌）