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电子发烧友网报道(文/黄晶晶)Power-SOI主要构造为单晶顶层硅片(mono-crystal top material),中间氧化埋层(buried oxide)及底层的硅基底(silicon base)。由于Power-SOI晶圆加厚Buried Oxide结构,能够有效克服高电压可能穿透元件的问题,实现功率元件使用上的稳定性。因此,Power-SOI主要应用于BCD(BIPOLAR-CMOS-DMOS)功率集成电路制造技术中的高压元件集成。据法国半导体材料供应商Soitec的内部估算,在Power-SOI汽车领域,2021年大概每台车里面有200mm2面积的用量。预计三到五年内该用量将从200mm2提高到300mm2。

Power-SOI的结构示意图

Power-SOI的主要市场

智能驾驶、ADAS系统促使Power-SOI器件需求的增加,之所以Power-SOI受到青睐一个关键因素是Power-SOI能够满足功能安全(FuSa)的严苛要求,赋能关键汽车应用。在最近对Soitec公司Specialty-SOI事业部业务发展经理林展鹏的采访中,他详细分析了Power-SOI的技术优势与市场机会。

当前Power-SOI主要应用于汽车、工业、医疗市场。其中最大的市场来自于汽车,其次是工业,再是医疗。Soitec的Power-SOI已经在车载网络IVN、栅极驱动器电源管理系统BMS方面占有较大市场份额,新应用主要聚焦在智能电机控制和智能电源管理领域。工业类的Power-SOI也基本上与汽车类的相同,不同是工业类应用还有以太网供电PoE等。医疗类的Power-SOI集中应用在PMIC、栅极驱动器、超声脉冲发生器IC和专用标准产品电机控制器等。

车载和工业用 Power-SOI的趋势

在汽车和工业领域有四大趋势推动Power-SOI市场的不断增长。

第一是48V电气系统的应用。随着混动汽车的流行,48V的电气系统也愈发受到关注。48V的电气系统主要是代替以前12V电气系统。林展鹏分析,当电气系统电压提高到48V时,对于用BCD制程做高集度的IC,它的工作电压需求从60V提高到200V。200V正在成为新的BCD制程工艺的主流。在这一趋势下,Power-SOI的使用率会越来越高,BCD工作电压提高到120V以上时,Power-SOI 能够让晶圆片的面积显著减小,最多可以节省接近40倍。

另外,“传统48V转12V,它的效率大概在95%。当它从12V转3.3V或者1.05V的时候,大概是90%的效率。综合来看,它的效率大概最多只能达到80%。如果把它直接从48V转1.05V,它的效率可以轻而易举达到88%以上。”林展鹏说道,48V的电气系统有效地提升了能效的转换和利用。

第二是FuSa(Functional Safety,功能安全)。它的应用范围主要是汽车和工业,包括汽车的自动导航系统、先进驾驶辅助系统(ADAS)和工业4.0等。其中,汽车应用标准为ISO26262,工业标准为IEC61508。

要达到FuSa认证,那么IC内部对数字电路和NVM(非易失性存储器)有明显增加。对低 FIT (故障率)有更高的集成需求,要实现低FIT,最好的方法是将整个系统的IC数量减少,实现更高的集成度。此外,FuSa有着更严格的制程和更强的稳定性的要求。

第三是纯电动车和混动车对汽车规格的认证比如AEC-Q100C的需求很高。尤其是纯电动车适用的AEC-Q100C Grade 0认证,对IC结温(junctiontemperature)的要求是必须大于175摄氏度。这对传统体硅(bulk silicon)是一个很大的挑战,而Power-SOI可以轻松实现这一点。

另一方面,随着汽车排放标准要求的不断提升,模组需要更高的功率密度和更优性能,那么整个模组变轻变小后,车辆可以行驶更长的路程,实现更优化的排放。

第四是工业4.0和状态监测系统新需求。对工业规格的智能功率集成IC和附有状态监测系统功能的IC而言,它们对于可编程功能、诊断性功能、智能功率管理功能的需求也日益提高。这些应用也会像FuSa一样,需要大量数字电路和存储器以实现相应的功能。同时智能功率IC也对集成度有更高要求,例如把小型MCU加入在同一个功率IC上面。

基于这四大趋势,Power-SOI以良好的性能表现将成为越来越多功率半导体的选择。

Power-SOI的特性

具体来看,Power-SOI衬底有哪些特性和优势,来满足汽车和工业等领域的需求。

林展鹏分析,首先是高温环境下,例如AEC-Q100C Grade 0的规格认证达到了175摄氏度的要求,Power-SOI由于漏电流很低,能够在高温环境下操作。漏电流低,则不需要外接的温度补偿电路,可以让IC设计更简化,从而加速上市时间。

其次,对于高可靠性和高耐抗性的需求。由于Power-SOI主要强调无闩锁效应(latch-up free),SOI本身不会有传统体硅制程产生的附生晶体管和附生二极管。如果制程没有闩锁,更容易达到ASIL认证的C和D级别。此外在一些新应用上它的开关频率变高,需要支持超过或低于的电压需求,Power-SOI可以不用外加任何电路实现。Power-SOI还有很高的抗噪能力,减少串扰,以及加强EMC/EMI和ESD。

再者,在高性能方面,Power-SOI具有更低的功耗和更高的效率;更小的功率晶体管、导通电阻和温度依赖性;更高的开关频率和更快的反向恢复;以及更高的功率密度等特性。

此外,Power-SOI利用DTI做到电气隔离,支持高达 1,200V 的工作电压。可以把极高和极低的电压整合在同一块晶圆片上,从而实现更小的芯片尺寸。

FuSa认证要求 助推功率器件从8寸向12寸扩展

虽然当前功率器件仍然以8寸晶圆为主流,不过对于新开的产能,很多IDM或晶圆代工厂都会有意转向12寸。

林展鹏认为原因主要是两方面,一是现在基本买不到8寸的设备,即便是二手设备,价格也非常高;二是近几年功率器件在高端应用上的普及化,令12寸变得不那么难生产。当然,现在市场的缺货也是转向12寸产线的原因。

但更多的因素还是在于未来趋势。因为功能安全、智能电源、数字电路和存储器增加等因素,使得晶圆面积在大于50%的时候,很多厂商会考虑使用更先进的制程。例如从传统的180nm转成90nm及以下。同时对于90nm以下的制程,如果使用8寸晶圆会非常昂贵且不合理,因此,大部分12寸的应用都会是针对FuSa要求比较高的应用。例如,电源管理IC、系统基础IC、SBC等要求比较多的数字电路,那么很多厂商会考虑用65nm,此时12寸就是一个很好的选择。一些客户在做未来产品规划时,希望同时有12寸跟8寸两个平台,且制程逐渐同步化。

小结:

综合来看,随着智能驾驶、ADAS以及工业4.0的发展,在应对48伏电气系统、FuSa功能安全认证等新需求方面,具有优势的Power-SOI无论是从技术还是供应方面都在不断提升与之相适应。

Soitec公司在SOI市场拥有丰富的技术积累和完善的供应体系,在国内与上海新傲科技合作向中国客户稳定供货,并持续投资提升产能。作为晶圆衬底供应商,Soitec专业的FAE和产品团队为客户新产品的集成和优化提供支持,缩短测试时间,赋能更快的上市时间。

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