從國際大廠的歷史來看,全球功率半導體龍頭均為IDM(設計制造一體化)企業,如英飛凌、安森美、ST、羅姆等,他們擁有自己的晶圓廠、芯片廠、封測廠。在中國臺灣有茂達電子、富鼎電子等一批功率器件的設計企業。在國內,士蘭微、揚杰科技、華微電子為代表性的IDM企業,中車時代電氣及比亞迪也選擇IDM模式生產IGBT;華虹半導體、方正微電子以代工為主,華潤微電子以代工為主、但也在向IDM模式方向發展,目前純設計企業包括韋爾股份、無錫新潔能等少數企業。這意味著制造能力建設是功率半導體企業走向中高端核心要素。
究其原因,邏輯、存儲芯片的工藝提升路徑是先進工藝(More Moore),靠工藝線寬的縮小提升集成度,從而提高性能和產量,但會導致制造環節的投入越來越大,很多廠商無法承擔如此高的資本投入,因此形成了芯片設計公司和芯片代工廠的分化。
功率半導體遵循特色工藝(More than Moore),即器件價值的提升不完全依靠尺寸的縮小,而是通過功能的增加。在這個意義上,高端功率半導體所涉及的eNVM、BiCOMS、RFCOMS、BCD、MEMS等工藝都屬于非尺寸依賴的特色工藝。相比以線寬為基準的邏輯工藝,特色工藝的競爭能力更加綜合,包括工藝、產品、服務、平臺等多個維度。特色工藝的競爭點在于工藝的成熟度和穩定性,工藝平臺的多樣性。
另外,功率半導體產品性能與應用場景密切相關,導致平臺多、產品類型多。除了應用最廣泛的功率半導體(硅基及化合物),混合信號芯片、射頻IC、汽車電子、MEMS傳感器、MCU、圖像傳感器均為特色工藝驅動。例如安森美MOSFET多達2,500余種,以及驅動芯片150余種;英飛凌MOSFET產品電壓范圍從12V到950V,質量等級從工業級到汽車級,種類超過3300種,相應的驅動芯片達到500余種。
可見,功率器件企業要構筑核心競爭力,就需要在堅持以IDM模式為主要經營模式的情況下,一方面以下游終端用戶為主要服務對象,以更好地理解客戶需求,按需生產不同電性功能的功率器件,從而使生產更具彈性,有效提升生產效率;另一方面要在系統的引領下,持續開展技術和產品創新,以更好地加速技術及應用積累,在深度及廣度上覆蓋下游客戶日益增長的定制化需求。
具體而言,國產品牌要切入客戶的供應鏈體系,就需要企業能夠支持長期研發和持續改進。例如,更換IGBT產品的認證周期在3年左右,下游客戶對原供應商的粘性極強。這就需要企業通過IDM模式形成的設計與工藝相結合的綜合實力,提升產品品質、加強控制成本,向客戶提供差異化的產品與服務,提高向大型廠商滲透的能力。只有對生產線和設備精通的企業才能突破這些技術難點。
例如,特定耐壓指標的IGBT器件,芯片厚度需要減薄到200~100μm,對于較高要求的器件,甚至需要減薄到60~80μm,目前國內普遍可以減薄到175μm。當硅片厚度減到200~100μm的量級,后續加工處理非常困難,硅片極易破碎和翹曲, 特別是針對8吋以上的大硅片。據士蘭微(600460)電子人員的介紹,為突破超薄晶圓后道制造工藝的技術難點,士蘭微電子引進了全系列的業界先進制程設備,包括用于超薄晶圓薄化工藝的Taiko減薄機臺,與之配套的光刻、雜質高能注入及實現IGBT場截止層雜質激活的激光退火等設備。2019年上半年實現120μm硅厚度的1350V RC IGBT器件的生產釋放,并實現對終端客戶的批量供貨,在感應加熱應用領域成功的替代了同類型進口器件產品。士蘭微電子的1350V RCIGBT系列產品基于自研的第三代場截止(Field-StopIII)工藝平臺,進一步優化后道工藝制程,在IGBT器件的內部集成了續流二極管結構。現在,士蘭微電子在自有的8英寸芯片生產線上已經全部實現了幾類關鍵工藝的研發與批量生產,是目前國內為數不多已全面掌握上述核心技術的大尺寸功率半導體器件廠家。