揭秘！派恩杰供应链大起底，与北卡学派跨越半个世纪的技术传承因缘

派恩杰是第三代半导体功率器件设计销售企业(Fabless模式),持续专注于碳化硅和氮化镓功率器件设计研发与产品销售。创始人是黄兴博士。黄兴博士毕业于北卡州立大学电子电力专业，师从 B. Jayant.Baliga 及 Alex Q. Huang 。

 

在这里不得不介绍一下B.贾扬.巴利咖（B. Jayant.Baliga），一位令人尊敬的科学家，他被誉为“IGBT之父”，2014年获得IEEE荣誉勋章。他发明了IGBT。而这种新结构的半导体芯片，则重塑了功率半导体产业，给世界带来新的力量！

 

巴利咖教授出生于印度马德拉斯，1969年获得马德拉斯印度理工学院电气工程学位。他于1971年和1974年获得伦斯勒理工学院的硕士和博士学位。从1974年到1988年，巴利加是纽约通用电气公司研发中心的成员，在那里他是高压设备和集成电路项目的经理。

 

1979年，他提出了一个功率器件半导体材料评估的品质因数，预言了砷化镓、碳化硅和金刚石薄膜在功率器件中的巨大潜力，为这些材料带来了一个新的研究领域。现在碳化硅，氮化镓有个新名词叫第三代半导体材料，碳化硅在电动汽车，大型逆变器；氮化镓在快充，消费电子等应用领域飞速发展，把人类对电能的利用和控制再提高了一个台阶。

 

1980年，他巧妙地将功率器件的金属氧化物半导体（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）巧妙地结合到一起做出了绝缘栅双极晶体管(IGBT)，为电力电子领域做出了十分重要贡献。IGBT能够更好地控制感应电机的电源线频率，进而控制其转速使得功率降低，以减少油耗损失。

 

1988年，巴利咖教授加入北卡罗来纳州立大学，继续从事功率半导体技术的研究，并创建了功率半导体研究中心。巴利咖教授在1999年获得IEEE拉米奖章，1993年获得莫里斯·李伯曼纪念奖，2014年获得IEEE终身荣誉奖章，目前他还在北卡罗来纳州立大学任教，是一位令人尊敬的教授。

 

时值2009年，黄兴博士在北卡州立大学跟随巴利咖教授学习时，希望能够主攻IGBT的设计研发。巴利咖教授却拒绝了他的请求，同时指引了一个全新的方向：碳化硅。于是，黄兴博士从09年便开始在实验室里研究碳化硅。

 

也是那时，如今的碳化硅巨头Wolfspeed，也就是当年的Cree，正如火如荼地准备推出他们的第一代碳化硅MOSFET。Cree公司成立于1987年，是北卡州立大学的校友企业，不仅早期技术来源于美国北卡州立大学材料系，众多Co-Founder都毕业于北卡州立大学。Wolfspeed现在的CTO John Palmour 1988年博士毕业于美国北卡罗来纳州立大学，他坚信碳化硅可以赋能实现卓越的半导体技术，于1987年通过北卡州立大学孵化器创立了Cree。凭借其渊博知识和专精技术，Palmour推动着Wolfspeed的成功转型和蓬勃发展。在黄兴博士读书期间， Cree做出的第一代MOSFET器件HDFM指数还不是很高，便经常与北卡州立大学实验室交流学习，希望能够借此找到突破口，提升性能。黄兴博士当时在实验室中，也参与了众多其芯片测试分析的工作。

 

之后，Cree经过从90年代到2011年近二十年的研发，终于向业界发布了世界上首款3寸商用碳化硅 MOSFET。在Cree 发布此款产品前，以及到2018年特斯拉大规模使用碳化硅于Model 3上，业界普遍的观点是由于存在太多的缺陷，SiC功率晶体管无法量产，碳化硅 MOSFET永远无法使碳化硅上的氧化物绝缘体可靠。Cree当时有着JG及航空航天极端工况下的使用经验，以及背靠北卡州立大学强大的研发能力，他们深信碳化硅 MOS一定会被大量商用，并将以更低的价格，更可靠的性能征服商业市场。

 

回到2008年，全球金融危机爆发以来，美国将发展先进制造业提升到增强国家经济实力、保障国防安全、确保全球竞争优势的重要战略高度。奥巴马政府提出了“再工业化”和“重振美国制造业”战略。之后奥巴马政府先后出台了多个与企业、大学、社区共同建立国家新能源制造业创新网络的倡议，提出由联邦政府出资创建制造业创新研究所。在此机遇下，Alex Q. Huang教授看到碳化硅对新能源的贡献可以在此大背景下加速孵化，依托于FREEDM Center对智能电网的推动作用，Alex Q. Huang带领着他的团队向能源部提出一个Power America项目。此项目旨在扶持一家碳化硅代工厂，一家氮化镓代工厂，以及若干家设计公司的发展，以加速落地三代半材料的商业运用。在与其它项目几番激烈的争夺下，Alex Q. Huang 团队最终成功拿下了1.4亿美金的Power America项目。2014年1月15日，美国前总统奥巴马造访北卡州罗利市并在北卡州立大学发表演讲,亲自宣布Power America项目成立。

 

Former President Barack Obama delivers remarks on manufacturing at the J.W. Isenhour Tennis Center at North Carolina State University in Raleigh, N.C., Jan. 15, 2014. (Official White House Photo by Lawrence Jackson)

 

Alex Q. Huang教授团队提案中关于扶持一家碳化硅工厂，他们选定了德克萨斯州的一家纯硅线代工厂，帮助其改造为碳化硅线代工厂。借助于北卡州立大学强大的学术背景，Alex Q. Huang团队帮助的这家代工厂成功通线了。它就是位于德州拉伯克的X-Fab。X-Fab本身就拥有30年车规经验，在硅基时代，平均每一辆汽车就有14片X-Fab生产的硅芯片。由于他们有非常丰厚的代工经验，能严格为客户提供的工艺配方保密，同时高效的管理不同工艺之间的差别，X-Fab自通线以来成为世界上最大的碳化硅代工厂。

 

2018年，黄兴博士看到中国市场还缺乏碳化硅产业链，希望将自己的所学所能带回国内，便回国创立派恩杰半导体。同年，特斯拉在Model 3使用了意法半导体生产的碳化硅MOSFET，开启了碳化硅“上车”之路。据业内人士统计，使用SiC MOSFET作为主驱逆变器的电动汽车，其整车混合使用效率较传统IGBT高出5-7%！主要原因是：SiC MOSFET的I-V曲线由于是一个过零点的阻性曲线，其低电流下的轻载效率远远高于同等电流的IGBT器件。虽然碳化硅价格略贵，但由于电路系统的优化提升，最终可以节省5%以上的能耗，使得综合成本更低。之前，学术论坛中常常可以看到SiC和GaN的未来之争，不过从这一年起，这种研讨会开始慢慢减少——SiC用于大功率及高温领域，GaN用于高频率及小功率的方向基本定型。“汽车领域一定是未来碳化硅高速增长领域”，黄博士坚定地将技术研发锁定汽车领域。为未来高爆发做准备。

 

2019年黄兴博士飞往德州与X-Fab进行合作洽谈，以建立长期合作。在洽谈现场，黄兴博士给团队演示了自己希望在X-Fab流片的碳化硅方案，他们对于黄兴博士提出的技术方案非常认可，并当场确认了合作关系。黄博士带领的派恩杰半导体成为X-Fab在亚洲地区的第一家客户。

 

2019年4月，黄兴博士与X-Fab团队达成合作的现场

黄兴博士与X-Fab团队商讨碳化硅MOSFET流片方案

 

因为曾经参与过X-Fab的硅线改造，黄博士对于其基台工艺配置非常了解。在短短两年时间内，便重新研发出一套适用于次代工厂的全新的电路设计，并紧锣密鼓地量产。据统计，从2018年起到2021年年终，派恩杰研发与生产总共流片 SiC SBD 3.5kk只，SiC MOSFET 7kk只，以及近上万张Wafers。

 

在如此短的时间内量产出自己设计的碳化硅MOS芯片，依托于派恩杰团队持续强大的研发能力，也离不开黄博士多年来积累的精湛技术与代工厂的大力支持。这十多年来守着碳化硅从实验室里的样品到商业化的宝贵经验，使得黄博士将碳化硅技术顺利带回并在国产化竞争中占有一点点小优势。同时，行业深耕的经验让派恩杰能够提前布局车规赛道，在“全球缺芯”局面下获得稳定且宝贵的产能优势。在技术优势方面，派恩杰1200V 80mΩ MOSFET的HDFM 只有32.9，略低于Cree Gen 3 的38.7。（HDFM是衡量功率半导体优劣的一个重要参数指标，该数值越低说明器件的综合损耗更小，效率更高。）

 

理想情况下，在1200V，80mΩ应用场景，若派恩杰的SiC MOSFET功耗为10W， C品牌11.8W，某国产品牌则要20W 。

 

当然，现在派恩杰取得的成就也非常感谢黄博士的另一位导师——Alex Q. Huang，现任得克萨斯大学奥斯汀分校教授、Dula D. Cockrell 终身主席，IEEE Fellow，NAI Fellow。曾任美国北卡罗来纳州立大学Progress Energy 杰出教授、先进交通能源中心主任(ATEC)、半导体电力电子中心主任(SPEC)，美国国家自然科学基金委员会未来可再生能源传输和管理系统工程中心主任（FREEDM Systems ERC）、中国科学院电工研究所客座教授。Alex Huang是国际著名的半导体功率器件、电力电子和智能电网技术专家，是革命性固体变压器（SST)的主要倡导者和开发者，是超大功率场控发射极关断晶闸管（ETO）发明人，并且参加了中国第一批功率器件MOSFET、IGBT的开发。

 

他于2004在一个IEEE 顶级期刊上发表HDFM指标，从此被应用至今。

HDFM, Huang’s Device Figure of Merit, proposed by Prof. Alex Q. Huang in 2004 (https://ieeexplore.ieee.org//1295113)

 

各位看官，看到这里您是否对派恩杰的供应商又多了解了一点点呢?

 

现在全球碳化硅原材料紧缺，缺“芯”潮愈演愈烈。

 

派恩杰积极采买国内原材料寄送至X-Fab过验证。希望可以趁此机会验证国产材料，帮助国产晶圆、外延加速经验循环的积累，早日突破原材料瓶颈。

 

成立至今，派恩杰坚持知行合一，创造价值。努力成为一个高效、可靠的领军半导体企业。因为只有这样，才能早日完成黄兴博士最开始回国的初衷——用自己的所学所能帮助中国碳化硅产业链的崛起！