集微网消息 众所周知，新能源汽车产业发展在近两年步入了快车道，受益于国家多项利好政策推动，全球新能源汽车市场规模逐年增长。据TrendForce 最新统计数据，2022年全球新能源车（包含纯电动车、插电混合式电动车、氢燃料电池车）销售量约1065万辆，按年增长63.6%。
与此同时，汽车“新四化”的趋势也推动着各类汽车芯片需求随终端市场规模同步增长。然而不同于消费类芯片，强调高标准、严要求的车规级芯片对厂商的生产制造水平也带来更大挑战。
4月17日-19日，第25届中国集成电路制造年会暨供应链创新发展大会在广州举办。大会同期还举办了包括汽车芯片等多个细分领域为主题的分论坛，聚集一众行业专家共话产业发展。
构建粤港澳大湾区碳化硅产业生态圈
作为目前国内最大的专注于车规级SiC芯片制造商，广东芯粤能半导体有限公司（以下简称“芯粤能”）研发副总裁相奇博士受邀出席4月19日举办的功率及化合物半导体论坛，并进行了主题为《SiC器件制造开放平台的市场机遇和挑战》的精彩演讲。
（图：芯粤能研发副总裁 相奇博士）
相奇博士介绍到，目前全球正在经历一场能源革命、消除碳排放的大目标成为SiC市场发展的重要驱动因素。“消除碳排放涉及很多能量转换，直接关联的就是功率半导体，基于材料特性，SiC成为这场能源革命中的重要技术。月前特斯拉声称要大幅减少SiC用量，让市场和产业都出现一些担忧。但我认为技术的进步一定会提性升能、降低成本，对特定的应用会减少用量，但同时会增加更多的应用场景。只要根本的材料特性物理图像不变，大家可以保持对SiC的信心。”
相奇博士指出，虽然SiC还处于发展初级，但性能上已经碾压Si器件；即便短期内器件成本仍然偏高，由于开关速度快，可减少无源器件的用量，SiC系统在一些特定场景的成本已经低于硅系统。
提到碳化硅，不可不提的就是碳化硅器件在新能源汽车领域当中的应用。在特斯拉的带动下，SiC方案越来越多的被车企采用。尤其是在更高的电压平台下，使用SiC已经成为主流趋势。不过相奇博士也强调：“虽然SiC最主要的场景还是新能源汽车市场，但在光伏、储能、工业电源、交通、电信等多个领域也有广泛应用。”
需要指出的是，我国在SiC市场占有率还处于较低水平，全球大部分的市场份额被欧、美、日系企业垄断。尤其在近两年，以ST、英飞凌、wolf speed为代表的产业龙头，正不断加大对碳化硅领域的布局。“对国产碳化硅厂商来说，虽然任重道远，但也应该把握新能源汽车产业创造的巨大机会，迎头赶上。”
“目前SiC技术还有很大进步空间。有硅器件的发展路径作为参照，SiC技术发展路线图比较明确，包括：大尺寸、低缺陷衬底，高沟道迁移率工艺，先进沟槽技术，超级结技术，超高压器件，碳化硅集成电路等先进技术。只不过由于加入了碳元素，技术升级过程中存在很多变数，也更加复杂，所以我们需要从根源上研究解决衬底、器件、工艺三个方面所面临的一些重大基础科学问题。例如：由于碳导致的机理方面的问题。”
据了解，芯粤能在技术研发水平上一直致力于与国际大厂保持同步。
相奇博士在介绍公司重点技术升级路径时谈到：“在SiC功率MOSFET产品主要器件结构当中，SBD和平面栅MOSFET技术比较成熟，重点是产业化量产。研发将聚焦于优化关键工艺来改善MOS界面特性，以提高器件的性能。沟槽MOSFET有更低的导通电阻，更小尺寸等优势，这也是近期研发的重点。2023年底，我们将完成沟槽栅MOSFET Gen 1工艺开发。”
事实上，芯粤能作为一家面向车规级和工控领域专注碳化硅芯片制造和研发的Foundry公司，面向新能源汽车领域和工控领域的IDM、设计公司、汽车和工业领域终端客户提供芯片制造代工服务。
该公司一期规划年产24万片6吋SiC晶圆芯片，计划2024年12月底达产，同步启动的二期项目年产24万片8吋SiC晶圆芯片，预计2026年达产，并于同期启动三期项目，计划在2029年达产。
相奇谈到，芯粤能是国内大规模碳化硅芯片制造重大项目，亦被列入广东省重点建设项目。
“SiC的应用场景其实都是我国的强项，是需要扬长的领域，但SiC技术本身也是我们短板，所以公司长期致力于补短扬长，补足中国半导体集成电路产业短板，解决“卡脖子”难题，巩固中国新能源汽车产业优势地位，确保“产业链”安全。”同时也将助力广东成为中国集成电路产业“第三极”，构建粤港澳大湾区碳化硅产业生态圈。
最后在谈到公司的商业模式时，相奇博士表示，公司在微观的定位其实是一家开放性制造平台。我们认为SiC的市场有规模大、应用多元的特点，因此专人做专事才能够将每个环节的功能最大化。“与国外IDM为主的产业环境不同，我国有很多SiC设计公司，这个背景下就需要专业的制造企业提供代工平台，共同打造符合中国特色的SiC产业发展模式。”
孙子兵法中写：“宁可备而不战，不可无备而战。”除了研发技术的不断积累，芯粤能在生产制造方面也做了充足的准备。
精益生产理念应贯穿工厂建设和运营
同日（19日），芯粤能运营副总裁戴学春受邀出席汽车芯片应用牵引创新发展论坛，并在会上发表了以《汽车芯片精益制造和大规模量产》为主题的演讲。
（图：芯粤能运营副总裁 戴学春）
虽然成立时间不长，但芯粤能在汽车芯片领域的进展却势如破竹。
正如上文提到，由于车规级产品与驾驶安全直接挂钩，因此车企对产品可靠性、安全性、稳定性的要求十分严苛，而芯粤能之所以能够在短时间内取得这样的成果，也得益于公司在汽车芯片工厂的建设和运营过程中不断强调精益生产的理念。
戴学春认为：“虽然目前SiC所用的衬底多以6吋为主，但仍需要依照12吋晶圆厂的标准去建造产线，因为我们面向的是车规市场，车规认证需要的是所有数据都有可追溯性、准确性，这对于汽车芯片来说是一个基础。”
戴学春在演讲中提到，精益生产的本质其实是为了实现增效将本的最终目标，推进精益改革，让公司迈向世界级的制造，因此工厂规划建设之前就必须要导入精益生产的理念。“现在外部有很多精益生产理念的培训机构，但多半都是厂建好之后进行，如果一个工厂‘先天不足’，后天是无论如何都没办法100%补全的。”
对于如何用精益生产的理念去建造一座自动化、智能化、规模化的Fab，戴学春也分享了芯粤能的经验。
他指出，优化产线布局总共需分三步达成目标。“首先精益化生产要求生产过程快速、平稳、高效、经济；实现这条件的基础是生产线合理布局。其次半导体生产布局(layout)是指在满足生产要求，污染防治等条件下，排布生产线，达到：搬运动线最短化；产能最大化；提供布置方案，优化厂务系统布置，降低厂务配置成本。而生产布局一般要经过区域布置，Bay的布局，以及设备的详细布局等从粗到细展开的步骤。”
在区域布置上，企业应当先准确统计区域之间的物流量，再根据自身情况定义生产区域的等级，最后将等级较高的区域布置在一起。关于Bay的布置，是在区域布置确认后，将设备放到相应的区域中，按照设备种类、数量分成一条条整齐的Bay。而Bay与Bay的分布也同样由物流关系来决定，物流量大的Bay相互靠近。
“对于工厂来说，区域布置的目的并不是追求美观，而是追求效益最大化，美观对生产效益不会有助力。”
戴学春还同步指出，细节的调整在布局优化过程中尤为重要。他举例说到：“企业还可以通过合理配置干法刻蚀、干法去胶和湿法去胶的位置来优化Bay内动线；而将炉管和酸槽面对面放置则能够减少搬运，同时空POD可就近放在酸槽空间内以节约货架空间；另外将Scrubber、溅射、RTA按顺序安排在一条Bay内做完，RTA采用交错形式也能够节约空间。这样三点的调整可以将10%的跨区域传送变为Bay内传送。”
另外在以提升经济效益和生产效率的工厂布局当中，自动搬运系统的重要性也不容忽视。
戴学春谈到，根据生产布局中对物流的分析发现，跨Bay运输占总的运输量的88%左右；而跨bay运输通过中央AMHS来执行，将大幅降低搬运成本。“衡量产线运营管理水平的指标一般用Cycle time来衡量；相较于Si，SiC的衬底成本价格偏高，且衬底不断降价会带来额外损失，因此Cycle time有更强的重要性。”
“按满载2万片/月的SiC工厂来说，如果Cycle time需要2个月，那么这座工厂每个月就需要压4亿元的货款在产线上。一方面性流动资金的压力巨大，另一方面SiC衬底随时间出现贬值，损失也就进一步加大。”我们需要通过引入MES、RTD、MCS等智能制造软件，同时在不同阶段引入中央天车系统、搬运机器人等智能制造硬件的方式来缩短Cycle time。
据其介绍，目前生产过程中的人工送片的时间约在4.8分钟以上/次，而中央天车系统的传送时间则可以达到3分钟，平均一次可节约1.8分钟以上，自动搬运系统能大大提升生产效率。“一个工厂每月的传送次数都是上万次，自动搬运系统提升的效益是有目共睹的。”
最后，戴学春呼吁设备厂商一定要将产品往集成化的方向发展。他指出：“现阶段SiC的激光切割工艺环节，国内主流的方案就是开槽、隐切、裂片的组合，实际生产过程所需设备却远不止三台，大大增加了人工成本、时间成本。虽然价格可能比集成化的设备便宜，但对工厂长远发展来说是弊大于利。”（校对/Chaya）