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汽车电动化推动碳化硅（SiC）走出实验室，进入了系统，使SiC成为硅基功率电子在商业上可行的替代品。一些知名公司在这一转变中发挥了关键作用，但任何公司现在声称在SiC技术竞赛中已获胜可能还为时过早。谁最有能力从长达数十年的SiC开发工作中获利？
当没有其他车厂敢于这样做时，Tesla很早就使用了SiC。ST在SiC的发展中同样发挥了关键作用。在近长达二十多年的时间里，这家法-意公司与卡塔尼亚大学和意大利最大的研究委员会（Consiglio Nazionale delle Ricerche，CNR）紧密合作，一直进行着SiC研发项目。但ST并没准备庆祝胜利，他们认为这项技术仍处于起步阶段，还需要很多改进和优化。
事实上，SiC是一个不断发展的技术/商业创新故事，涉及许多参与者，他们预计未来可能还会有更多的曲折。尽管如此，ST已经在SiC竞赛的早期阶段取得了领先。根据Yole Développement的数据，ST在2020年的功率SiC器件市场份额为40%。
ST已经在SiC器件市场上占据了很大的份额。据ST的电源和晶体管部门负责人Edoardo Merli称，他们继续进行着大量投资，近年来达到10-20亿美元，为了建立垂直整合的生产能力。ST还加强了与复杂的SiC生态系统中主要供应商和客户的合作。
ST取得这一领先优势并非偶然。这要归功于其研发团队的耐心和耐力，以及公司领导层的努力。从Pasquale Pistorio到Carlo Bozotti，再到现在的Jean-Marc Chery，ST的CEO们不仅容忍该项目经历了长期无收入的状态，而且还对此给予支持。 学术界和功率电子工程师早就认识到SiC器件的潜力。SiC因其高击穿电压、高工作电场、高工作温度、高开关频率和低损耗而受到重视。
问题不在于SiC对SiC的信念。问题是要证明SiC的可行性，即使其成本、可制造性和产量继续与硅基功率电子器件相比处于劣势。
Merli表示，“在整个公司团结在SiC周围之前，我们需要相信SiC技术有真正的潜力来解决一些应用的需求。”早期，ST的目标应用是太阳能电池板。该公司还设想将碳化硅用于电网、逆变器、储能、工厂自动化和机器人。但事实证明，电动车是SiC业务的突破性应用。
该公司于2003年开始在2英寸晶圆上制造SiC器件，到2014年大规模生产第一代SiC MOSFET时仍在使用4英寸晶圆。ST认识到，为了让SiC技术在汽车领域得到广泛采用，提高SiC的性能和可靠性至关重要。在接下来的几年里，ST与一家匿名的合作伙伴合作，为电动车定制技术。
直到2017年，ST才从其SiC的努力中获得了实质性的收入。该公司通过合作完善其SiC技术以适应电动车的要求，打开了一个快速增长的市场。然而，在讨论这一合作关系时，人们往往忽略了ST对其电动车合作伙伴SiC功率模块设计的系统工程和优化的贡献程度。
电动车中的SiC
System Plus对用于Model 3逆变器的SiC模块进行了全面的拆解。System Plus在解释SiC为何能在电动车中找到自己的位置时写道：“标准的逆变器功率模块集成了硅基IGBT。但在电动车中，发动机舱的可用空间往往非常有限，很难容纳一个电源控制单元（PCU）。”
这促使车厂寻找一种更小、更高功率密度的PCU。SiC出现了，现在它在高电压领域与Si竞争。但高功率密度需要高散热性能，所以必须开发新的封装技术来提高器件性能。
ST与其合作伙伴合作开发了SiC功率模块的新结构，可以有效地冷却功率半导体芯片。
这些努力使Tesla成为第一家在其Model 3中集成完整SiC功率模块的车厂。System Plus的报告说：“由于与ST的合作，Tesla成为第一个在其Model 3中集成全SiC功率模块的车厂。Tesla逆变器由24个组装在针脚散热片上的1-in-1功率模块组成。”根据其拆解分析，System Plus得出结论：“该模块包含两个SiC MOSFET，采用创新的芯片连接解决方案，用铜夹直接连接在端子上，并通过铜基板进行散热......SiC MOSFET采用最新的ST技术设计制造，可以减少传导损耗和开关损耗。”
SiC业务开始蓬勃发展在ST的第三季度财报电话会议上，CEO Chery表示，该公司预计其SiC收入将在2024年达到10亿美元的目标，比计划提前一年。
在被问及这一加速预测时，Chery没有提及Tesla，而是指出，9月份欧洲最畅销的乘用车是电动车。JATO Dynamics的报告说，Model 3成为9月份欧洲第一个在一般车型排名中名列前茅的电动车，超过了老牌品牌。在BEV类别中，Model 3和Model Y占据了前两名。
Chery表示，ST“对未来三年电动车SiC市场的信心水平确实在提高”。ST正在进行的电动车项目“与一个重要客户合作”，“运行得非常好”，他补充说，这种成功“在短期内创造了其他机会”。虽然ST的SiC业务目前在汽车和工业应用之间平分秋色，但这位CEO指出，对于工业市场，“我们对使用SiC器件的充电站的普及有着强烈的期望”。
对SiC生态系统的投资
迄今为止，ST在SiC领域进行了广泛的投资，涵盖了从原材料收购到分布在三大洲的SiC衬底/晶圆生产等各个方面。
SiC器件的制造涉及许多与传统硅基半导体生产流程不同的步骤。为了成功地生产SiC，制造商不得不从头开始学习，通过收购其他公司购买专业技术，或者与竞争对手密切合作，保证SiC晶圆的供应。
ST的SiC战略强调垂直整合。
2019年，ST以1.375亿美元收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel AB。Norstel是林雪平大学的一个衍生公司，专门开发先进的SiC裸片和外延片。
Norstel是ST生产其第一个8英寸SiC散装晶圆的地方，用于下一代功率器件的原型开发。Merli称瑞典的开发团队是高品质SiC晶圆的“卓越中心”，其晶体错位缺陷很少。
ST的垂直整合SiC制造流程从瑞典的SiC球的制造和晶圆切片开始。瑞典团队将切割好的晶圆送到ST在新加坡和卡塔尼亚的前端工厂，ST在晶圆上制造芯片（MOSFET和二极管）。然后，被转移到意法半导体位于摩洛哥布斯科拉和中国深圳的后端工厂，在那里，进行封装（进入离散封装或模块）和测试，然后作为成品发货。
向8英寸SiC晶圆过渡
ST的竞争对手Wolfspeed表示，它将于明年在纽约莫霍克谷的一个新的8英寸SiC晶圆厂开始生产。ST也在积极地寻求向8英寸晶圆的迁移。Merli说8英寸SiC“绝对是我们制造计划的一部分”，以维持ST的量产。
该公司的8英寸SiC项目已经在瑞典开始进行，预计将推广到卡塔尼亚和新加坡。ST在卡塔尼亚有一条试生产线，到2022年底将每周生产几百个8英寸SiC晶圆。卡塔尼亚是否会成为扩大8英寸SiC晶圆生产的地点还没有决定。无论如何，ST希望在2023年底前将8英寸SiC推向量产。
随着SiC需求的增长，生态系统中最大的担忧是出现了一些可能突然制约供应链的因素。ST和Wolfspeed去年8月宣布，他们已经扩大了他们的长期SiC晶圆供应协议。在一项价值约8亿美元的交易中，Wolfspeed将向ST提供150毫米SiC裸片和外延片。据ST发言人称，ST没有预先支付费用，但该协议确保Wolfspeed将为ST留出充足的产能。
Merli说，除了供应生态系统，建立“第二生态系统”也同样重要，这是涉及系统OEM的网络。
其中一个例子是SiC功率模块的设计，使整个逆变器具有合适的冷却系统。SiC器件的成本和性能也必须与电动车对体积、重量、续航和充电时间的系统级要求进行权衡。Merli说：“如果ST和车厂之间没有密切的系统级互动，这种优化是困难的。”
专注于SiC的改进
鉴于SiC技术仍在不断发展，ST应将技术的重点放在哪些方面？Merli简单地说：“衬底的质量”。更好的基材可以降低SiC器件的成本并提高产量。
第二个重点应该是SiC器件本身的技术改进。Merli说：“当MOSFET接通时，我们需要保证减少RDS（on），金属氧化物场效应晶体管中漏极和源极之间的总电阻。”
第三项当务之急是改进材料和封装技术。Merli补充说，这涉及到确定最能发挥SiC特性的材料，以及改进新的封装技术，如用烧结法代替焊接或布线法。
欧洲领先？
当被问及ST是否与Soitec/CEA Leti合作开发Soitec的智能切割SiC晶圆时，ST只承认正在密切关注这项工作的进展。Merli解释说，ST的作用是在一个名为Transform的欧洲资助项目中。
据该联盟的牵头方Bosch介绍，Transform项目的目标是为更绿色的经济建立一个可信赖的欧洲SiC价值链，为这项技术建立一个有弹性的欧洲供应链，从晶圆和其他基础材料一直到SiC功率半导体器件成品和功率电子应用。
与硅基半导体业务相比，碳化硅器件产业还处于起步阶段。新兴企业仍在努力建立SiC生态系统，在新形式的伙伴关系的迷宫中摸索，并确保可靠的供应链。ST的SiC研发工作已走过了四分之一个世纪，而与电动车的合作推动了其技术的发展，是第一家展示出SiC成功路线图的公司之一。
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