当“优化衬底”遇见汽车创新，这一手好牌该怎么打？

尽管SOI产品占Soitec业务的95%左右，但Soitec一直在计划将其业务扩展至SOI之外的相关领域。

这一点，从Soitec全球战略执行副总裁Thomas Piliszczuk在2019年接受中国媒体采访时的表态就能看出。“我们的目标不是要终结硅基材料时代，但至少要颠覆行业的材料使用。”当时他就曾表示，SOI已不再是一个小众市场，公司业务范围正逐渐扩大至新兴材料中，包括通过收购EpiGaN公司获得的硅基氮化镓(GaN-on-silicon)和碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片技术、利用硅基铟氮化镓(InGaNOS)制造MicroLED、以及在电动汽车关键部件(如换流器、逆变器)中使用碳化硅(SiC)等。

优化衬底如何赋能汽车创新

以互联化、自动化、共享化和电动化(CASE)为代表的“新四化”正成为汽车行业的趋势。Soitec中国区战略发展总监张万鹏援引多家分析机构的数据称，到2030年，5G汽车的销量将达到 1600万辆，L3 及以上车型销量700万辆，全球电动汽车销量2300万辆，从而给汽车产业带来巨大变化。

车载电子系统的价值也在这一过程中得到了提升，甚至可以毫不夸张地说，“汽车创新的关键在于电子系统”。2007年之前，电子系统成本只占整车成本的20%，预计到2030年，这一比例将增加至50%。如果细分到CASE所对应的领域，不同领域将保持2%-22%的增幅。

例如从自动驾驶角度来看，半导体器件成本会从L1/L2等级时的150美元，增加至L3等级时的600美元，直至L4/L5等级时的1200美元。 

从电动汽车角度来看，考虑到各类混合动力系统对电子器件的需求各异，增加的功率半导体器件价值将在200-450美元之间不等，其中80%的成本用于功率MOSFET(碳化硅)。

伴随巨大变化而来的，是新趋势给汽车创新与设计提出的诸多挑战，例如如何持续提高汽车能效和行驶里程，缓解“里程焦虑”；如何达到汽车最优的通讯；如何对车载系统进行高效的集成以优化传感器和显示屏幕布局；如何增强汽车的可靠性与安全性等。

张万鹏认为，从Soitec的角度来看，包括用于4G/5G RF前端模块的RF-SOI、用于5G滤波器的POI、用于SoC模拟/射频集成的FD-SOI和碳化硅/氮化镓在内的一系列优化衬底产品组合，将能够非常有效的帮助汽车产业面对上述挑战。

SOI晶圆的革命性晶圆键合和剥离技术Smart Cut是Soitec的核心竞争力所在，从1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等多种半导体材料上得到了实践应用，它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。该技术最大的优点在于可以提高材料均匀性，降低材料缺陷密度，并且使高质量晶圆可以循环再利用，广泛应用于SOI衬底的批量生产，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 和Imager-SOI，用以满足不同市场应用的需求。 

汽车领域，Arbe Robotics 4D成像雷达和Mobileye Eye Q4视觉处理器就分别基于22nm和28nm FD-SOI工艺制造。此外，意法半导体用于域控制器的高级MCU Stellar系列和恩智浦用于信息娱乐的i.MX8应用处理器也基于28nm FD-SOI技术制造，在系统可靠性和鲁棒性提升、低功耗、高密度等方面得到了显著提升。此外，得益于Power-SOI在LIN/CAN收发器、汽车D类放大器、电池管理系统、高频栅极驱动器、压力/电流传感器等领域的广泛使用，Soitec方面预计到2024年，每辆车用于新型应用系统的平均Power-SOI含量将超过280mm2，是2019年的三倍。

张万鹏将FD-SOI给自动驾驶创新带来的益处归结为以下几点，包括：

• 更少的CMOS设计掩码，更简单的TTM，使成本更具竞争力
• 将低功耗MCU的能效提升5倍，确保了传感器的始终开启与低功耗
• 通过自适应基底偏压实现稳定的操作性能，符合汽车AEC标准，增强可靠性
• 在视觉处理器、边缘AI控制应用中，在同一节点上TOPS速度提高40%，功耗更低
• 片上的微波和毫米波系统有助于长/短程雷达和连接解决方案的实现
• 抗电磁、低SER特性同样符合汽车AEC标准

而Soitec将Smart Cut技术应用于碳化硅的目标，是为了通过显著降低缺陷密度、简化制造设备流程、更易于回收和使用SiC衬底等优势，显著改善SiC在衬底和器件级别的成本和质量。尽管与传统的Si-IGBT器件相比，SiC MOSFET器件的尺寸能够减小50%，性能提升2%，使用寿命也能大幅增加。但目前，即使需求激增，SiC也面临两大挑战：第一、没有足够的SiC晶圆供应；第二、SiC的制造良率很低。

Soitec在使用Smart Cut技术开发新的SiC晶圆时也考虑到了这些问题，并采用了应对措施。首先大幅提高了衬底上SiC层的质量，其次将现有的6英寸SiC晶圆转到8英寸晶圆以降低成本。目前，Soitec在法国格勒诺布尔有一条SiC晶圆试验生产线。

为了进一步增强这一努力成果，2019年秋季Soitec宣布了与应用材料(Applied Materials)公司的联合开发计划，双方将共同致力于碳化硅技术的材料工程创新。

亮眼的财报

2020财年，得益于智能手机、物联网、边缘计算、汽车、数据中心等市场的快速发展，Soitec实现销售收入6亿欧元，年增长率高达28%，是过去三年销售额的2.5倍；EBITDA利润率为31%，在过去的三年间增长了4.5倍；股价也在过去三年间增长2倍，目前市值约为30亿欧元。根据Soitec全球业务部高级执行副总裁Bernard ASPAR的介绍，公司四大类业务单元均取得了不错的成绩：

• RF-SOI

该工艺主要用于5G智能手机射频前端模块制造。尽管2020年全球智能手机出货量下降约10%(5G智能手机出货量预计为2亿台)，但5G智能手机中RF-SOI 的内容比例却在增加，例如Sub-6GHz频段中，RF-SOI含量比4G高60%；毫米波频段中，120mm2 SOI内容含量增加；RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMI RF FE中更具优越性。

• FD-SOI

得益于超低功耗特性，FD-SOI工艺目前在汽车、物联网、智能家居、智能手机等市场得到广泛应用，例如用于带嵌入式内存的低功耗FPGA平台、用于高效多线程的ADAS处理器、具有云数据安全性的智能边缘语音处理器、无电池微控制器等，相关晶圆厂也正在研发18nm和12nm工艺节点。

• 特殊SOI

汽车(基于SOI的电池管理系统和高压门驱动器带动Power-SOI需求)、智能手机的面部识别和3D传感带动Imager-SOI发展、数据中心(400G硅光子带动Photonics-SOI发展)是其主要应用市场。

• 滤波器

Soitec采用新型压电衬底(POI)用于构建最新一代的4G/5G表面声波(SAW)滤波器。考虑到要实现高速数据传输，4G和5G网络需要使用更多的频带。因此，智能手机必须集成更大量且性能更佳的滤波器，以确保信号完整性及通信可靠性。例如，4G时代滤波器数量约在60-80个，5G时代滤波器数量将达到120-150个，而基于POI优化衬底，新型SAW滤波器能够提供内置温度补偿，并可实现在单芯片上集成多个滤波器。