创新破局，英飞凌功率半导体铸就零碳“芯”格局

众所周知，低碳化和数字化是降低碳排放和提升电力需求的重要驱动力。根据国际能源署（IEA）2022年发布的“按领域划分的全球能源相关二氧化碳排放量”报告，2021年二氧化碳排放量升至36.6Gt。发电、交通运输、工业和建筑几大领域的二氧化碳排放量分别占到总排放量的40%、25%、22%和8%，而这其中，发电和交通运输两大领域又占到总和的2/3以上，是脱碳目标的重中之重。

在IIC Shanghai 2024国际集成电路展览会暨研讨会同期举办的“2024国际绿色能源生态发展大会”上，英飞凌工业与基础设施业务大中华区高级技术总监陈立烽以“创新破局，英飞凌功率半导体铸就零碳‘芯’格局”为题，分享了英飞凌的零碳布局。

他认为，在目前所消耗的大部分能源还并不是绿色能源的背景下，如果希望降低二氧化碳排放量，在2050年和2060年分别达到碳中和和碳达峰的目标，需要通过以下几个路径：

第一，从减少化石能源本身使用减少二氧化碳的排放。

第二，减少排放或减少化石能源的使用，不能以牺牲工业发展和人们的生活水平为代价，需要有更多的电力产生，也即必须有更多的绿色能源。

第三，当然，最好是能平衡这些能源的使用。

“可以看到，如果按照国际能源署的预估，从2050年的纯碳中和的目标来看，我们消耗的综合电力能源占50%，我们的出发点就是如何实现更有效的电力利用。”他补充说。

在这个过程中，英飞凌作为全球功率系统和物联网领域的半导体领导者，在整个电力系统中一直都是关键且最为全面的赋能者，在能源转换的各个领域都有自己的布局：

第一，在能源产生方面布局新能源发电，包括光伏和风电的应用。“从半导体角度来看，英飞凌是全球第一个功率半导体的赋能者”。

第二，西电东送。国家电网在这方面的基础设施投资非常大。这里也涉及到电力的转换，也就涉及半导体的应用。

第三，能源的储存，包括能源的消耗。“这个消耗实际上遍布工业到各个消费领域，包括交通，不管像高铁还是像现在所用的新能源车等多个领域”。

而在这些领域，英飞凌都已经做好市场布局，并掌握了其中的关键技术包括材料。“在整个产业链中，我们是一家系统方案提供商。从系统角度来讲，需要有控制器（DSP或MCU），需要有驱动器……”

在功率系统中，英飞凌在从硅到碳化硅以及氮化镓这三种功率半导体主要材料上都有布局。从产品的覆盖度、应用的覆盖度，包括背后的产能发展等等，都有英飞凌关注的应用。

陈立烽认为，在这个过程中，碳化硅扮演着越来越重要的角色。“特别是近几年来，在实现碳排放减碳的过程中，我们认为碳化硅可以助力未来的发展”。

未来的发展需要更多的能源，未来的发展也需要更清洁、高效的能源，这些是碳化硅能够赋予的。碳化硅从特性上来看，有三个维度的优势：

第一，它可以实现更高的频率，这意味着更小的体积，也意味着更低的系统成本。

第二，碳化硅本身所体现出的低导通电阻特性，可以实现更低的损耗，把系统的功率转化效率提高。

第三，同样的晶圆尺寸可实现更高的功率输出。

总的来说，“对于电力系统应用来讲，碳化硅可以实现更小的系统体积，更低的成本，更高的功率以及更高效的能源”。

在众多的应用领域，碳化硅的上述特性对于未来的功率转换可以转变为很多有用的价值。

首先是光伏。不光是整个光伏系统的成本可以降低——现在光伏的度电成本已经非常低，远低于曾经——还可以把系统的体积缩小。“以组串为例，以前只有几十千瓦，到今天业界流行的320kW，体积并没有按照功率的比例增加，但功率可以做得越来越大”。

电动汽车采用碳化硅可实现更高的效率，从而延长续航里程，或采用更少的电池。

其他的应用，包括像EV charger，碳化硅的高频特性可实现更快的充电周期并提高效率。

又比如家里的墙充，也可以将噪声减少。

在变频器的Drive系统、储能系统、家里的热泵系统和散热管理系统当中，也都看到了碳化硅的价值。

对英飞凌来讲，碳化硅已有20年历史。从2001年第一颗商用碳化硅二极管以后，一路走来，不断在技术和相应的封装和应用上都有拓展。下面来看一些里程碑事件。

2018年英飞凌收购了SILTECTRA公司，获得了冷切割的技术，优化了工艺制程以及对原材料的利用。

在封装方面，英飞凌的碳化硅功率器件也从最开始的分立器件发展到现在的功率模块。例如，其在2023年所推出的3.3kV功率模块，一方面电压上有所突破，另一方面在封装上把碳化硅的优势发挥出来。

对于英飞凌来讲，碳化硅作为掌握的关键材料之一，又是如何布局的呢？实际上可以从四方面来看：

第一，碳化硅本身作为一种新材料、新器件，需要不断地在碳化硅器件的技术上去深耕，这也得益于英飞凌自己在功率器件上的技术沉淀。

第二，对于一个器件来讲，如果我们有更好的芯片，那么同样需要有更好的封装，才能真正把器件的优势发挥出来。器件在高频条件下运行，其封装中的寄生电感会影响输出，因此在封装上就需要做到相互协同（Synergy）。

第三，有了技术，有了产品以后，还要有供应链上的保障。“我们如何在供应链、在产能投资上向我们的客户提供保障”？

第四，产品系列的丰富度。碳化硅产品涉及不同的电压等级和不同的封装，以及针对不同应用的产品开发。

这所有四个方面英飞凌都在持续深耕，陈立烽表示。

具体来看，第一，在技术上，如何把可靠性加强？英飞凌实际上从一开始就使用了沟槽栅技术，这种技术能够提高碳化硅门极氧化层的可靠性。“这种沟槽栅的技术不是仅仅挖个沟槽这么简单，其背后涉及具体细节的技术，比如如何包这个角，英飞凌有一些独特的技术在里面”。

第二，封装技术。例如，在单管里面，不同于传统的焊接技术，英飞凌的.XT技术散热可以做得更好，可靠性可以提高。“对于单管而言，如果有这样的技术，一方面可以带来性能上的好处，比如使输出电流的能力有15%的提高，或者可以运行更高的频率。另一方面，在什么都不变的情况下，用了这样的技术，结温可以降低，可靠性也会更好”。

第三，产能。这也包括上下游的管理。从材料端来看，要如何利用这些材料？刚才提到的SILTECTRA冷切割的技术，可以把材料利用率提到更高。在所有技术和制程都具备的情况下，英飞凌在产能的投入上也不遗余力。英飞凌在过去3年的时间内，在碳化硅的产能上做了很多的投入。一方面在奥地利维拉赫的工厂已经在量产碳化硅器件。另一方面，在马来西亚相应有几十亿欧元的投入。“只有充足的产能才能保证不发生让客户头疼的缺货问题”。

在材料端本身英飞凌也会有广泛的布局，包括跟国内的公司合作，比如在去年，英飞凌跟国内的两家半导体碳化硅材料供应商也签订了协议。

最后就是产品的丰富度。

英飞凌碳化硅产品覆盖了从600V到3300V各大主流电压等级，并且包含单管、模块、IPM和车上用的双面水冷的等多样化的产品方案。“只有一个丰富的产品度，才能一方面满足不同客户的需要，另一方面使客户在应用的过程中也有更好的延展性。比如，某一个平台上如何去延展，是不同的功率等级，不同应用上的延展，我们有很丰富的一个产品组合”。

另外，他重点介绍了2000V的碳化硅产品在1500V太阳能系统中的应用。“2000V的碳化硅不仅可以使系统效率提高，还能极大地简化系统的设计”。

“这个产品并不是简单地在原来的1700V、1200V产品上延伸，实际上它背后的设计用到了.XT的技术。功率高了，相应的爬电和电气上的参数就需要特别注意。我们是做了很多系统上的研究才推出这样的产品”。

此外，采用2000V的碳化硅以后，传统的三电平结构可以简化为两电平结构（两个管子会变成一个管子），驱动也很简单，设计上得到简化。另外，效率上也会有提高，单颗器件在整体上也能体现出来导通电阻和开关损耗都有相应的降低，这就是2000V产品的优势。

下面对碳化硅做个简单的总结：

第一，从技术上来看，英飞凌在不断优化碳化硅的芯片技术和封装结构，使碳化硅表现出更多的节能，使系统效率提高。

第二，可实现更小的体积或更高的功率密度，这意味着无源元件的缩小，这些都是系统成本。

第三，英飞凌一直非常关注可靠性。可靠性是英飞凌在产品设计之初，包括整个工艺生产流程当中非常关注也非常重视的一点。

最后，他提到了英飞凌在氮化镓方面的布局。

英飞凌于去年完成了对GaN Systems公司的收购。这出于以下几个方面的考虑：

首先，氮化镓在今天的功率半导体市场上已体现出了很大的优势，可以和碳化硅实现互补。

其次，通过收购GaN systems，英飞凌可以加速这类产品的研发，从而提高产品的丰富度。

最后，英飞凌作为全球功率系统领域的领导者，需要不断夯实所有电力电子技术方面的布局。

氮化镓实际上也能提高效率，在低碳化上也能做出非常大的贡献。我们来看以下几个方面：

首先，如前所述，在第三代半导体技术中，它能够跟碳化硅形成很好的互补。它所注重的电压领域相对偏低压，即650V以下，从40V到650V。

其次，它能够实现更高的频率，并可以在SoC和SiP里面做集成。

第三，与碳化硅的逻辑一样，不光是芯片本身，氮化镓也需要在封装上不断创新，从而优化它的高频性能。从布局或未来的发展来看，氮化镓将实现更高的频率和更高的效率，从而减少能源消耗；实现更小的尺寸，从而实现更轻的设计。现在，氮化镓充电器已几乎成为电脑的标配。

最后，英飞凌的功率半导体技术如何来赋能绿色、能源绿色地球呢？实际上，从功率半导体产品的角度出发，英飞凌一直在不同的方向上秉承着自己的布局。在传统的低压方面有Optimus系列，并在向CoolGaN发展。在中压方面，CoolMOS也在往CoolGaN延伸。高压方面则是从TRENCHSTOP IGBT向CoolSiC发展。

总结

从绿色能源的出发点来看，基于我们对电力的不断需求，并以降低二氧化碳排放为目标，那么我们就需要有更清洁的能源，并实现更高的效率。在这个过程中，功率半导体显然可以扮演一个非常重要的角色，包括碳化硅和氮化镓，以及传统的硅基器件。最后，从英飞凌的企业愿景来看，英飞凌将积极推动低碳化和数字化进程，让生活更加便利、安全和环保。