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意法半导体汽车和分立器件战略强势来袭,欲引领移动出行革命

http://www.ec.hc360.com2020年04月23日09:49 来源:网络T|T

    日前,意法半导体(ST)举办汽车电气化战略线上媒体沟通会,意法半导体汽车和分立器件产品部大众市场业务拓展负责人及公司战略办公室成员GiovanniLucaSarica、意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁FrancescoMuggeri和意法半导体亚太区汽车产品市场及应用高级总监郑明发等向媒体分析了汽车电气化趋势,介绍了意法半导体汽车和分立器件产品部发展战略,特别是亚洲和这个市场。

    车规碳化硅一哥制造战略不断升华,承诺产能保障

    GiovanniLucaSarica介绍说,2019年意法半导体营收95.6亿美元,产品部门营收贡献率中汽车和分立器件产品部(ADG)为38%,净收入36.1亿美元。ADG主要面向电动汽车普及和交通工具,而这些市场的新趋势支撑着芯片市场的需求增长。在ADG部门收入贡献率中汽车产品部为67%,按市场统计的收入中汽车业务约占70%。

          

    在制造方面,目前ST有6个晶圆厂,5个封测厂,遍布东西半球,其中一个封测厂在深圳。其300mm晶圆战略主要是依托意大利和法国的工厂,Agrate针对功率,而Crolles是针对数字。ST承诺将投资建设新厂,以推动硅功率器件收入的持续增长,在Agrate工厂将引入300mm晶圆生产。

    GiovanniLucaSarica告诉记者,ST掌握碳化硅全部制造工序与技术,专注研发相关技术20余年,是当之无愧的宽带隙材料先驱。意大利Catania的功率电子技术创新中心由学术研究中心和意法半导体组成,是真正的创新技术“孵化器”。该生态系统的研发始于1英寸晶圆,有70余项SiC专利,积累了丰富的功率半导体研发经验。

    他说,ST已成为全球  第一大车规碳化硅厂商,2025年前争取市场份额超过30%。目前的碳化硅业务状况是赢得设计率不断提高,开发中的项目有50多个,50%是工业项目,50%是汽车项目,都是与全球市场主要厂商合作。

    这两年来,ST战略的执行马不停蹄:2019年1月,ST与Cree签署一份多年供货协议,为意法半导体生产和供应Wolfspeed®碳化硅晶圆。根据该协议,在当前碳化硅功率器件市场需求显著增长阶段,Cree将向意法半导体供应价值2.5亿美元的先进150mm碳化硅裸片和外延晶圆。

    2019年底,ST完成了对NorstelAB100%股权收购,交易完成后,ST将在全球产能受限的情况下掌控部分SiC器件的供应链,为把握一个重大的发展机遇做好准备。

    9月,ST成为雷诺-日产-三菱联盟指定的高能效碳化硅技术合作伙伴,为联盟即将推出的新一代电动汽车的先进车载充电器提供功率电子器件。

    今年1月,ST与罗姆集团旗下的SiCrystal公司签署了一份碳化硅晶圆长期供应协议。SiCrystal是一家在欧洲碳化硅晶圆市场占有率领  先 的龙头企业。协议规定,SiCrystal将向ST提供总价超过1.2亿美元的先进150mm碳化硅晶圆,满足时下市场对碳化硅功率器件日益增长的需求。

    通过并购和获得多年长期供应协议,ST完成了碳化硅供应链的纵向整合,扩展了产能;另一方面也在继续投资新厂,扩大自有产能。

    之所以有这么大动作,源于ST对宽禁带半导体的深入了解。GiovanniLucaSarica在回答记者提问时说:“SiC和GaN两种产品都具有同级产品中最  高的能效,对于研制电动汽车的厂商来说,都是最  好的电源解决方案。理论上,SiC是大于600V的高压应用系统的最  佳选择,例如,纯电动汽车的驱动电机逆变器,而GaN则是功率转换系统的理想解决方案,尤其适用于车载充电机或48V直流转换器。实际上,GaN非常适用于轻混汽车。SiC和GaN都具有许多技术优势,不仅可以提高能效,而且还可以缩小无源器件和冷却系统的尺寸,使新能源汽车的模块厂商能够开发体积更紧凑的解决方案。GaN是一项非常新的技术,我们看到,虽然眼下GaN市场规模还很小,但是很有前景。”

    FrancescoMuggeri补充说:“ST很荣幸地成为第一家推出SiC车规级产品的半导体公司,还是第一家完成汽车产品可靠性测试的公司。今天,这个情况没有变化,我们依然是市场上独一  无二的存在。这证明了我们有能力开发市场上最  强大的技术。至于GaN产品,事实上,GaN目前还是一项发展中的新技术,在市场上尚无车规级GaN芯片。但我们相信,目前正在开发和即将投放市场的GaN产品将复制SiC产品的成功故事,通过汽车可靠性标准测试,很多事情进展顺利。”

    ST推出了300毫米战略,但碳化硅什么时候可以生产300毫米晶圆呢?GiovanniLucaSarica解释说:“目前SiC是在6英寸(150mm)晶圆上制造的,下一步是8英寸(200mm)。当今电源解决方案市场井喷,电气化正在推动需求强劲增长。通过比较我们发现,电动汽车整车半导体平均总成本是传统汽车的两倍,而电动汽车50%的总成本是与功率器件有关。因此,对于功率芯片市场最  大供应商之一的ST来说,通过制造12英寸(300mm)功率芯片来扩大硅片产能,增强产品竞争力,是非常具有战略意义的。另一个重要的制造策略目标是将SiC从6英寸迁移到8英寸生产线。今天还没有SiC在8英寸晶圆上制造的先例。根据我们的产能扩张计划,8英寸制造对于我们的整体战略肯定非常重要,收购Norstel的目标之一就是产业链垂直整合。”

    他也表示:“尽管8英寸制造非常重要,但继续生产6英寸硅片是我们扩产的首要目标;一旦市场需要,将支持并加快8英寸SiC生产线升级。这样做有两大好处,6英寸升级到8英寸可以提高总体产能,同时,大规模制造可带来规模经济效益,因为那时大多数半导体生产厂/生产线都开始了采用8英寸制造设备。”

    汽车电气化市场前景看好

    FrancescoMuggeri表示,虽然轻型汽车市场表现平平,但在功率芯片和新材料的推动下,汽车电气化正在加速发展,新能源轻型汽车在持续稳定增长。

    他认为,碳化硅正在使纯电动汽车克服硅基器件的限制,驱动电机逆变器和车载充电器中的硅基IGBT和二极管改用SiCMOSFET可以获得许多好处,包括提高能效;系统结构紧凑,轻量化;简化冷却设计;缩短充电时间;增加续航里程。今天,已有超过40%的纯电动汽车采用SiC,2020至2025年将会增加5倍。

    为什么电动汽车一定要采用SiC呢?最  重要的是SiCMOSFET在牵引逆变器方面的优势,且SiC在电动车制造中可能节约成本。在电动汽车驱动电机和逆变器中,ST既有IGBT也有SiCMOSFET,两者相比,采用后者的逆变器有以下优势:开关损耗可降低80%;可以直接集成逆变器;无需另外安装液体冷却器;热管理性能更好;充电时间更快。据GoldmanSachs统计,在汽车中SiCMOSFET增加的成本大约为300美元,而估计节省的成本可达2000美元。因此,2019至2030年,SiCMOSFET市场将占功率半导体增量增长的约50%。

    尽管SiC和GaN有助于节省电动车制造成本,但其本身的成本仍比较高,怎么解决呢?GiovanniLucaSarica回答说:“根据ST预测,考虑到制造规模变大,SiC技术改进,两种方案之间的成本差距正在收窄,已低于一年前独立分析机构的测算数据。与硅基器件相比,SiC的成本优势不在于器件本身成本,而是体现在车辆总体成本方面,可为汽车制造商节省很多钱。”

    他解释说:“当采用SiC时,开关频率可以设计得更高,这将提高器件的能效,降低无源元件的尺寸/成本,因为无源器件在应用系统总成本中占比很高。此外,当采用较小的无源器件时,还可以缩减模块的整体尺寸,并且可以再一次降低应用整体成本。在节省成本方面,汽车制造商还可以获得其它的重要的好处。例如,当使用SiC解决方案获得更高能效时,可以降低动力电池冷却系统的尺寸,电池冷却系统是导致总体成本增加的主要因素。这都是SiC给汽车制造商带来的实实在在的成本效益。同时,SiC有助于提高车辆的性能,延长新能源汽车的续航里程,带来更好的综合用户体验,并使车辆充电速度更快。所有这些要素对于新能源汽车的市场普及极为重要,政府产业鼓励政策固然重要,但是,真正的市场需求,越来越多的可选车型,更好的用户体验,以及产品优势,才是引爆电动汽车市场的关键。”

    新能源汽车是宽带隙应用大户,ST引领市场

    谈到SiC和GaN市场前景,FrancescoMuggeri认为,汽车和工业应用正在推动宽带隙产品市场快速增长,碳化硅市场的增长更为显著,HIS预计,2018至2025年碳化硅年复合年增长率将达52%。

    ST功率GaN市场渗透率也在持续增长,也是HIS预计,2018-2025年ST汽车业务复合年增长率将达到200%。其中工业市场包括可再生能源,其他是包括军事、航空航天、电力机车等的应用。

    他说,在新能源汽车中有3个组成部分——数字控制、驱动和功率,ST电动汽车功率转换系统涵盖各种应用。ST还提供全面的解决方案组合,涉及多种先进工艺技术。

    不过,不同功率器件有不同的市场定位,硅、碳化硅和氮化镓特性不同,在汽车应用中各有各的用处。可以看到,碳化硅在汽车逆变器,氮化镓在车载充电器应用中将占据绝  对优势,而一些小功率的低开关频率应用还是硅的天下,硅和宽带隙材料各司其职。

    ST拥有30多年功率和分立器件经验,在电动汽车市场快速增长的成功要素是提供品种丰富的功率器件。

    ST氮化镓功率战略浮出水面,为电动车灭火指日可待

    据介绍,为了在全球氮化镓功率市场处于领  先 地位,ST正在加快氮化镓战略实施,立足长远规划,建设生态系统,开发新的业务,不遗余力推广有助于600V及以下电压应用实现更高能效的下一代技术。

    早在2018年9月,ST和CEATech下属的研究所Leti就宣布合作,研制硅基氮化镓功率开关器件制造技术,以满足高能效、高功率的应用需求,包括混动和电动汽车车载充电器、无线充电和服务器。

    今年2月底,ST与全球最  大的专业半导体代工企业台积电(TSCM)携手合作,加快氮化镓工艺技术的开发及氮化镓分立和集成器件的供货。通过此次合作,ST创新的战略性氮化镓产品将采用台积电领  先 业界的氮化镓制造工艺。

    几乎同时,ST宣布,基于2018年初MACOM和ST达成的广泛的硅基氮化镓协议,将在2019年扩大其工厂150mm硅基氮化镓产能,200mm硅基氮化镓则按需扩产,旨在支持全球5G电信网建设。

    3月初,ST收购法国氮化镓创新企业Exagan公司多数股权,在产品开发和外延专知方面迈出了新的一步。Exagan的外延工艺、产品开发和应用经验将拓宽并推进意法半导体的汽车、工业和消费用功率氮化镓的开发规划和业务。Exagan将继续执行现有产品开发规划,ST将为其部署产品提供支持。

    目前,ST氮化镓功率技术包含两类分立器件——650和100V,主要增长点有三类应用,一是汽车电动化,针对车载充电器、48VDC转换器和激光雷达等应用,实现卓越的能效、轻量化,缩减体积;二是工业和电信智能应用,包括电信设备、数据中心和服务器开关电源、太阳能(微型逆变器),实现更高能效、更小外形尺寸,以及低于硅技术的总体拥有成本。以上是650VGaN功率器件的应用范围,100VGaN功率器件的应用主要是个人电子设备,包括电源适配器、USBPD充电器和手机充电器,以确保设计紧凑,减少无源元件。

    ST已成为智能功率市场的绝  对领导  者,GaN功率器件涵盖多个不同应用领域,在单片和系统级封装内集成GaN功率级和智能功能,把智能功率硅的成功延续到智能功率GaN。

    我们来看看电动汽车BCD(双极CMOS-DMOS)智能功率解决方案包括哪些内容。一类是采用先进的BCD技术制造的硅、SiC和GaN驱动器,利用硅和宽带隙材料电隔离型驱动器满足汽车产品开发规划,有多款符合ASIL-D级安全标准的产品针对ISO26262的功能性安全方案;同时包括针对48V轻混汽车和入门级电动汽车的BLDC(无刷直流电机)驱动器和纵向智能功率VIPower™功率器件。

    第二类是先进的BCD电池管理解决方案,主要是用于电池监控和平衡的电池管理系统。在这方面,ST准备量产的模块化解决方案支持48V到800V的电动化升级,具有灵活、经济、同级最  高电池电压监测精度和电池电压数据同步采集的特点。针对电动汽车新兴应用的是实现电池切断和灭火的电爆驱动器SBC(系统基础芯片),可以在撞车时断开电池连接,消除电池可能引起火灾的条件,值得期待。

 

    打造适合电动汽车所有系统的数字解决方案

    除了模拟功率应用,ST也是数字解决方案领域的领头羊。ADG的数字解决方案面向快速增长的STMCU(微控制器)市场。在电动汽车的拉动下,2019全年车用MCU销售收入增长了43%。ST型号齐全的PowerPC内核MCU产品组合,以及新上市的ARM内核MCU应有尽有。特别值得一提的是高性能汽车用32位微控制器SPC5MCU,具有先进的安全和定时功能,专为满足车身与便利设备应用的特殊需求而设计。

 

    据了解,在汽车电气化进程中,SPC5适合从车载充电器、电池管理系统、DC转换器,到无线充电、动力电池组及电机逆变器的所有系统应用。

    推动亚洲汽车电气化,新能源汽车技术创新中心落户中国

    郑明发表示,汽车电动化市场复合年增长率为22%,数字化市场复合年增长率为12%,分别是传统汽车市场增长率的9倍和5倍。亚太地区在全球新能源汽车市场的份额和产能占比已超过50%。

    ST一直专注于推动亚洲快速增长的汽车电气化趋势。前不久,ST在上海建立了新能源汽车技术创新中心,协助客户开发和设计完整的系统解决方案,在缩短产品开发周期的同时,让客户将精力投入到能带来更高附加值的软件应用;同时支持定制解决方案开发,提供产品和解决方案培训,以增强IDH(独立设计公司)和Disty(代理商)系统的技术知识和能力。

    增长要素在哪里呢?他说,ST的使命是在新的汽车市场应用趋势中不断扩大ACES(自动驾驶、智能网联、电气化、共享汽车)的影响力。ST是全球领  先 的多元化汽车芯片厂商,其广泛而强大的产品组合,加上牢固的客户关系和客户承诺以及经验丰富的本地技术创新团队可以帮助本地客户开发各类应用。

    他还介绍了ST在中国的汽车业务情况及其合作伙伴计划。未来,针对在所有传统应用领域已经领  先 的所有新能源汽车厂商,将让他们所有的新能源汽车解决方案都用上ST芯片;在芯片方面,已有15款中国市场专  供芯片,包括自动驾驶电源管理、电池管理模拟前端、车规IGBT和SiC电隔离式栅极驱动器;针对科研机构,已与中国最  大的微电子研究所合作,支持“中国制造2025”计划;与中国一级供应商建立密切的合作关系,与战略伙伴合作一起为2022北京冬季奥运会自动驾驶应用项目提供技术支持;与本地技术设计公司和软件合作伙伴合作,加强技术支持,扩大服务内容及覆盖范围,提供并支持开发ISO26262和AUTOSAR认证系统参考解决方案,缩短客户的总体研发周期。

    他还介绍了在区域汽车电气化市场的一些成功案例。在利用车载充电器和DC转换器实现汽车电气化方面,采用650V和1200VSiCMOSFET设计车载充电器和DC转换器关键电路,使新的11kW充电方案达到96%的能效,并利用混合IGBT解决方案实现产品差异化。主要合作项目是新锐科技开发的首  个基于SiCMOSFET的车载充电器、汇川技术和威迈斯正在开发的11kW车载充电器,以及现代正在开发的低压DC转换器和车载充电器。所采用的ST关键技术包括650V和1200VSiCMOSFET、内置SiC二极管的600VIGBT、650VSJMOSFET快速二极管和600VRQ快速二极管。

    在动力系统和起动发电一体机方面,为纯电动汽车和48VDC转换器开发基于SiCMOSFET的电源和采用低压MOSFET芯片的新型轻混逆变器,实现高能效、更长续航时间。主要合作项目是联合汽车电子和现代采用STSiC电源模组开发的逆变器和BSG轻混汽车逆变器。所采用的ST关键技术包括750V和1200VACEPACK™驱动、650VIGBT和80-100VLVMOSFET。

    在充电站方面,20-30kW电源模块采用高能效PFC解决方案、灵活的硅基和SiCMOSFETDC转换器。主要合作项目是与华为、特来电新能源、英飞源和韩国SIGNET的合作采用ST1200VSiC开发电动汽车充电模块。所采用的ST关键技术包括650VIGBT和SJ快速二极管、650V和1200VSiC二极管、650V和1200VSiCMOSFET和600VRQ快速二极管。

    关于中国新能源汽车市场,郑明发分享了他的看法。他说:“中国没有任何发展限制。实际上,我们看到中国在发展新能源汽车产业和市场方面具有一定优势,拥有开发和支持这个市场发展的所有要素。新能源汽车产业是中国政府的‘中国制造2025’计划中的十大重点产业之一,政府大力支持该产业发展,并提供大量资金,以建立必要的基础设施,制定和执行严格的排放法规和污染防控政策,以及诱人的鼓励政策,拉动新能源汽车销售增长。中国新能源汽车产业已经成熟,并有一个发达、完善的原材料供应链,并且没有电力和光伏能源供应限制,最  后但同样重要的是,与传统内燃机汽车产业不同,新能源汽车产业没有受制于知识产权瓶颈。”

    GiovanniLucaSarica也表示:“在ST的汽车总体战略中,中国市场占有极为重要的地位,并且是重要的市场参与者。中国的电动化发展速度很快,中国企业的创新力旺盛,而且直接从传统汽车向新能源汽车过渡,没有美国或欧洲企业所面临的复杂的‘技术遗产’问题。相比欧美,新兴的中国车企更期待新能源汽车。在中国,功率转换系统在汽车中的应用非常广泛,这就是为什么我们专注于与中国客户合作开发电源管理系统。我们将坚守尽最  大努力支持中国合作伙伴研发新能源汽车的承诺。”

    实现汽车电子市场的速度超越

    GiovanniLucaSarica最  后表示,作为第一家掌握所有制造工艺,提供高性能车规产品的汽车碳化硅芯片公司,ST基于在硅基功率芯片市场30余年的领导地位,结合在碳化硅市场的强劲发展势头,正在布局氮化镓分立器件和芯片产品组合,不断满足客户需求。

    ST已开发出创新和定制化的汽车电池管理解决方案、电隔离48V电机驱动器,以及用于控制电力动力总成、有线和无线充电、DC转换和电池控制的高性能32位汽车MCU。

    ST充分利用日益增强的亚洲汽车电动化趋势,设立了区域新能源汽车技术创新中心,开展合作伙伴计划;通过提供种类齐全的硅基器件和世界一  流的宽带隙产品,力争超越汽车电子市场的整体增长速度,推动出行革命和电动汽车的高速发展。

责任编辑:杨见芳

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