Wolfspeed 首席技术官 (CTO) Elif Balkas 博士近期接受《Power Electronics News》采访，畅谈面向人工智能 (AI) 与高性能计算 (HPC) 先进封装的 300 mm 碳化硅 (SiC) 技术。从热管理到光子学，Wolfspeed 首席技术官 (CTO) 描绘了碳化硅 (SiC) 在人工智能 (AI) 基础设施中不断拓展的角色。
概述
在本期高层访谈栏目中，《Power Electronics News》主编 Aalyia Shaukat 与 Wolfspeed 首席技术官 Elif Balkas 博士进行了对话，讨论了 Wolfspeed 公司 300 mm 碳化硅 (SiC) 技术及其对人工智能 (AI) 和高性能计算 (HPC) 基础设施的重要意义。Elif Balkas 博士阐述了 Wolfspeed 如何凭借数十年的晶体生长专业知识，将碳化硅 (SiC) 晶圆直径扩大至 300 mm — 这一举措是由人工智能 (AI) 行业对 CMOS 兼容衬底及下一代共封装架构的需求所驱动。
对话涵盖了碳化硅 (SiC) 独有的热导率、电绝缘性、机械强度和电阻率组合，如何使其成为先进封装中硅和玻璃中介层的极具吸引力的替代方案。此外，还讨论了 Wolfspeed 超过 40 年的技术传承和垂直整合的供应链，这对于 Wolfspeed 实现商业化目标至关重要。
Wolfspeed 首席技术官 Elif Balkas 博士探讨了数据中心即将面临的散热瓶颈（预计在未来2-3年内出现）。她讨论了处理器因热量而导致的降频已成为设计约束，以及碳化硅 (SiC) 如何帮助设计人员简化架构、减少热点，并从日益高功率密度的封装中获取更多价值。
Wolfspeed 首席技术官 Elif Balkas 博士还阐述了 Wolfspeed 更广阔的数据中心战略 — 从近期发布的用于固态变压器 (SST) 应用的商业化 10 kV 碳化硅 (SiC) MOSFET，到与代工厂和 OSAT (外包半导体封装和测试供应商) 就 碳化硅(SiC) - 硅 (Si) 混合封装集成进行的持续合作。最后，她展望了碳化硅 (SiC) 在光互连、共封装光学，乃至最终在量子计算中的长期潜力，将其描述为一种在物理特性层面不断带来惊喜的材料。
为方便阅读，以下简写：
AS：《Power Electronics News》主编 Aalyia Shaukat
EB：Wolfspeed 首席技术官 Elif Balkas 博士
访谈记录
AS: 大家好，欢迎来到今天的高层访谈。我是主持人 Aalyia Shaukat，《Power Electronics News》的主编。今天我们有幸邀请到了 Wolfspeed 首席技术官 Elif Balkas 博士。Balkas 博士在科技行业拥有超过 20 年的资深经验，曾在研发运营部门担任重要领导职务，专注于开发碳化硅 (SiC) 晶体生长和氮化镓 (GaN) 技术。她于 2023 年被任命为 Wolfspeed 首席技术官。非常感谢您今天加入我们的访谈。
我们今天要聚焦 Wolfspeed 近期的一项重大发布：300 mm 碳化硅 (SiC)。我了解到这项突破最初是在今年 1 月公布的，3 月又作为面向先进人工智能 (AI) 和高性能计算 (HPC) 的基础平台进行了更多报道。那么，将碳化硅 (SiC) 晶体生长从 200 mm 扩大到 300 mm 的过程中，最主要的技术障碍是什么？Wolfspeed 是如何攻克它们的？
EB: 谢谢您的问题。我们对于现在的产业机遇感到非常振奋。这种振奋很大一部分是源于我们作为一家技术公司 — 我们的核心技术和专业知识来自宽禁带电子和材料体系。
我们正看到人工智能 (AI) 领域前所未有的发展，以及在电源方面，还有热管理、设计和架构方面产生的巨大需求。宽禁带材料和电子器件，特别是碳化硅 (SiC)，可以解决其中的许多问题。我们的核心技术能力，正好可以契合这个重要机遇。
说到技术障碍，当我们研究先进共封装架构时所需的诸多特性 — 热导率、电学特性，甚至光子学 — 都始于晶体生长层面。你需要在晶体生长过程中就对工艺进行精细调整。因此，我们研究了特定应用的要求。当然，在人工智能 (AI) 领域，由于源自硅 (Si) 的背景，CMOS 架构和 CMOS 工艺都基于 300 mm。这就决定了，要更好发挥碳化硅 (SiC) 的优势，我们必须增大直径。
我要说的是，在这个层面上，技术难点正好在我们的解决能力范围之内 — 并没有太大的问题。早前当我们把用于电力电子的碳化硅 (SiC) 材料直径从 150 mm 扩大到 200 mm 时，就已经在为晶体生长设计、热场和我们自有的设备考虑未来的 300 mm 直径了。所以我们已经打下了基础。基本上只需要去实践它，剩下的就是逐步优化特性：晶圆级特性、设备、生产和规模化挑战。但至少对我们来说，不存在碳化硅 (SiC) 本质上技术瓶颈。
AS: 适用于 300 mm 人工智能 (AI) 封装衬底的晶体生长工艺，与适用于生产碳化硅 (SiC) 功率器件晶圆的工艺有什么实质性的不同吗？
EB: 当我们考虑电力电子与面向高性能计算 (HPC) 的人工智能 (AI) 共封装时，它们确实不同 — 你需要一种电绝缘材料 — 但对我们来说区别不大，因为我们已经拥有用于射频 (RF) 和雷达应用的高纯度半绝缘平台技术。我们实际做的是将我们 200 mm 大直径量产的专业知识与我们在 300 mm 直径高纯度半绝缘材料方面的技术专长结合起来。所以，是的，存在很大差异，但归根结底都是工程学的问题。
AS: 谢谢。正如您所说，我们主要关注的是能够受益于碳化硅 (SiC) 的中介层和热扩散组件。您能否向我介绍一下封装堆叠，以及随着人工智能 (AI) 处理器功率密度和电流要求越来越高，需要什么样的封装路线图？
EB: 在高性能计算 (HPC) 领域，核心目标是计算密度。这一切都是为了尽可能拉近逻辑和内存的距离，并增加带宽以提高计算速度。这些都是为了下一代人工智能 (AI) — 云计算、推理等等。
一方面，在基本单元层面，尽管晶体管在缩小 — 但在封装层面，业界看到的是封装要求越来越大，以适应所有这些计算需求。当这种情况发生时，温度均匀性和热梯度变得至关重要。由热-机械应力驱动的可靠性成为一个问题。此外，如何在最大限度利用可用能量的同时提高效率？一切都在变得受限。
在这种情况下，碳化硅 (SiC) 带来了独有的特性 — 所有这些特性都结合在一种材料中：高导热性、高机械强度、高可靠性、电绝缘性和高电阻率。这种结合真正为设计人员提供了架构设计的新维度。更大的封装尺寸需要机械强度和结构韧性。随着高能量的输入，材料需要在运行过程中保持可靠性 — 并且需要散掉处理过程中产生的热量。
AS: 我们可以谈谈碳化硅 (SiC) 与其他替代中介层衬底相比的表现吗？
EB: 当然。让我们回顾解决方案是如何演变的，从而更好地解决下一代的问题。今天的解决方案是硅 (Si)，然后转向玻璃基衬底以利用其绝缘特性，然后从风冷转向液冷。每一步都在进步。
然而，我们在业界看到的是，如何将能量输入数据中心是一个挑战。但同等或更大的问题是：如何散掉数据中心产生的所有热量？我们听到的最大问题之一是数据中心内部的刀片式服务器需要更换，而首要原因是它们因高温而失效。设计人员开发出这些性能超高的芯片，但当温度达到极限时，芯片必须降频，因为与温度相关的问题开始出现。
我们从业界听到的是，未来 2-3 年内将出现一个需要解决的瓶颈 — 无论业界如何应对，都将需要不同的材料系统来支撑下一代架构设计。这就是碳化硅 (SiC) 发挥巨大作用的地方。
硅 (Si)、玻璃和液体冷却使得每一步都增加了巨大的复杂性。你利用玻璃的绝缘特性，但需要将其可靠地集成到系统中 — 然后所有的界面都成了问题。如何堆叠？如何提升密度？但当设计人员开始考虑使用碳化硅 (SiC) 时，确实可以简化整个架构并很好地完成工作。
这一切都关乎能量如何输入，计算和处理过程的效率如何，如何散发热量，以及最终的系统成本。
AS: 为了确保我理解正确 — 碳化硅本身具有很高的导热性，因此它有利于您提到的热-机械可靠性，并且可能比玻璃中介层衬底更适用于直接芯片 (direct-to-chip) 冷却架构，对吗？
EB: 对。比如说，硅 (Si) 被用于其导热性部分 — 你看导热系数数值，硅 (Si) 大约是 130 W/m·K，而碳化硅 (SiC) — 取决于其特性 — 可以达到接近 500 W/m·K。当你将其与电学特性结合起来时，我们看到的导热性比硅 (Si) 高 2 到 3 倍。这意义重大。
当然，这去除了对玻璃绝缘的需求，因为硅 (Si) 不是电绝缘的 — 所以你需要玻璃或其他中间层来处理这个问题，因为你希望尽可能紧密地放置所有组件而没有寄生相互作用。因此，从导热性的角度来看，碳化硅 (SiC) 提供了非常有前景的数据。
我经常谈论新的未来设计，但当我们进行计算时 — 以简单的架构为例，不做任何改变，只是插入一层碳化硅 — 你就能立即获得 10% 到 15% 的散热效率提升。换算成温度的话，就是好几度的差异 — 根据我们的计算最多可达五度。这对于冷却要求和冷却基础设施来说会产生巨大的影响。
AS: 这是一个常见的讨论，即效率的微小提升能带来巨大的功率增益，尤其是当谈到超过一兆瓦的机架时。
下一个问题：您能否描述一下 300 mm 碳化硅 (SiC) 如何实现集成的功率传输和隔离结构？新闻稿提到更短的功率传输路径改善了电压调节 — 您能提供更多细节吗？
EB: 当然可以。当你考虑数据中心内部的情况时 — 最终降压点尽可能靠近实际用电位置，你就能提高效率。业界正在通过多种途径寻求解决方案：通过 PCB 横向供电，通过处理器的垂直供电，以及通过集成电压调节器在封装内部调节电压等。所有这些都在积极研究中 — 都是为了追求效率。越靠近核心，效率提升越大。
最大的挑战之一是热点。当电压到达处理器时，电压相对较低 — 但当你要处理非常高的频率和非常高的电流时，处理器层面的这些热点对硅 (Si) 芯片非常不利。回到如何从芯片设计中获取最大价值的问题：碳化硅 (SiC) 凭借其高导热性，在扩散这些热点方面表现出色。这里有巨大的价值主张。它还能实现超越当前水平的下一代架构设计。即使是即插即用的插入方式，我们也能看到巨大的好处。但你也可以进行更大胆的设计 — 消除热点，将所有组件集成到共封装之中。
AS: 关于商业化 — 我了解到 Wolfspeed 正在与代工厂和 OSAT (外包半导体封装和测试供应商) 合作，将碳化硅 (SiC)-硅 (Si) 混合封装集成到现有的处理器封装中。例如，一种常见的封装技术是台积电的 CoWoS。您能否描述一下行业合作的情况，以及您认为真正的商业化将在何时实现？
EB: 这个领域对我们来说非常令人振奋，因为它正好符合我们在碳化硅 (SiC) 材料层面、工艺制程层面、器件层面以及封装层面的核心竞争力。我们已经深耕了近40年，因此我们拥有从晶圆到先进封装的电力电子全栈能力。
在数据中心和人工智能 (AI) 共封装架构方面，我们对自己碳化硅 (SiC) 材料所能提供的价值充满信心。除此之外，凭借近 40 年的器件和封装经验，我们也知道如何从材料中获取最佳价值，如何用它进行设计，以及如何加工它：注入特性、扩散率、各种元素在晶体中表现等。
我们在这里看到了很多共性，这就是我们处理这个问题的方式。我们将其视为生态系统中的真正合作伙伴关系 — 这也是半导体行业发展的方向。
当然，我们最常听到的名字是台积电，CoWoS 是当今众所周知的架构 — 但我们确实与业内所有知名企业和积极寻找解决方案的杰出人才合作并评估最佳可能的结果。我们在价值方面提供的是：如何使用这种材料进行设计，如何加工它，以及你能在电气、光学和机械方面得到什么。
AS: 是的 — Wolfspeed 确实拥有近 40 年的丰富经验，2300 多项已授权专利和在审专利，以及垂直整合的供应链，因此公司完全有能力从晶圆走向先进封装。
那么，从当前的评估项目到碳化硅 (SiC) 基先进封装真正商业化，最重大的技术或制造障碍是什么？
EB: 对我们团队来说，与半导体行业（所有逻辑和内存厂商）产生互动，这非常有价值。我感兴趣的点是：我们从事碳化硅 (SiC) 和电力电子研究近 40 年了，但这种材料和这些器件系统对半导体逻辑行业来说相对较新。这种新颖性 (newness) — 以及碳化硅 (SiC) 能为他们提供什么 — 令人兴奋。它引发了非常好的讨论。
对我个人而言，最大的乐趣在于和设计人员一起讨论实际问题与机遇的契合点。所以，新颖性 (newness) 是一个真正的障碍：比如 — 性能能达到吗？能批量生产吗？能可靠地生产吗？我们正在逐个验证这些，并且我们有信心支持整个价值链 — 如何加工，如何有效处理？我们在其中附加了很大的价值。这需要与我们现在和未来的合作者进行大量的合作。除了新颖性 (newness) 之外，剩下的就是我们共同努力寻找这些工程问题的解决方案 — 并让设计人员了解什么是可能的。
AS: 下一个问题：除了封装内中介层和热扩散组件，您认为碳化硅 (SiC) 还能以其他哪些方式渗透到人工智能 (AI) 数据中心市场？
EB: 每当我思考电力电子和碳化硅 (SiC) 时，我都会思考未来会怎样，但也会回顾过去。它始于硅 (Si) 基电力电子，当硅 (Si) 达到其极限时，它推动了向碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) — 更宽禁带材料 — 的发展，从而实现了下一代电力电子：MOSFET 及随之而来的一切。
当我问自己，后续发展是什么？以及我们今天在人工智能 (AI) 领域看到的情况时，我看到了完全相同的模式。人工智能 (AI) 未来的主要挑战：设计、计算、内存之间的高带宽通信 — 我相信这些都将会被解决。但更大的问题是：我们是否有足够的能源来满足所有这些需求？以及如何散热？
提供足够高的能源效率对于我们来说也是一个巨大的机会，这体现在碳化硅 (SiC) 器件和模块上。实际上，我们是首个实现碳化硅 (SiC) MOSFET 商业化的公司。在此基础上，我们开发了裸芯片产品、分立产品和模块产品，服务于整个能源领域 — 汽车、电动汽车、工业和能源基础设施。当你审视数据中心的能源需求时，碳化硅 (SiC) 正好位于其核心：在高电压下，能源如何高效输入并高效转换为所需的水平。
我们在今年 3 月份发布了我们的首款商用 10,000V 碳化硅 (SiC) MOSFET。从固态变压器 (SST) 的角度来看，这对数据中心至关重要 — 这可能是我们未来可以讨论的话题。但在 800V 基础设施层面，我们的碳化硅 (SiC) 已经做好了充分的技术准备。10 kV 碳化硅 (SiC) 已经不再是一个研发项目 — 它已经可以实现商用。
我们正在与基础设施和能源领域的合作伙伴进行着令人振奋的对话，因为我们在系统成本和效率方面看到了巨大的好处。几个数据显示：与基于硅 (Si) IGBT 的系统相比，我们展示的系统成本大约可以降低 30% — 这是因为你可以重新设计拓扑结构 — 并且功率密度提高了三倍。我们的转换效率约为 99%。碳化硅 (SiC) 正在不断带来惊喜。
AS: 作为 Wolfspeed 的首席技术官，对于碳化硅 (SiC) 未来的发展方向，最让您感到兴奋的是什么 — 不仅是对 Wolfspeed，而且是对整个半导体行业？
EB: 我的背景可以追溯到我的博士研究，是基于氮化镓 (GaN)。碳化硅 (SiC) 当时是相对更成熟一点点的技术，我们对其进行了大量研究。从那时起，我就一直研究氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) — 涵盖射频 (RF) 技术、电力电子技术，以及最近的共封装领域。在此期间，Wolfspeed 也在探索这种材料的光学特性。
我认为自己非常幸运，能够学习我所热爱的专业，并将我的职业生涯奉献于此。但事实上真正令人兴奋，材料科学专业化的交叉点，半导体行业正在将电力电子和逻辑电路结合起来，以及这与电、光、热和机械特性的关系 — 这将变得至关重要，并且对碳化硅 (SiC) 来说尤为如此。
我们在电力电子中看到的情况 — 即使我们认为材料方面相对成熟，拥有出色的可靠性数据 — 对于系统层面可能的成就来说，仍然只是冰山一角。我们谈到的共封装领域是全新的，而且规模巨大。我称之为一条创新跑道。
当我们真正考虑用于光通信的中介层 — 碳化硅 (SiC)，当你原子级结构进行精细调节时，实际上可以被调控成一个非常好的光通信器。我们借鉴了多年前 Cree 在 LED 方面的经验，以及在制造宝石和用于 AR 应用的智能眼镜领域所做的研究，研究了这种材料的光子学特性。这将成为共封装内部许多应用的真正推动因素。我考虑的是十年乃至更长时间的跑道。
在基础层面上，当我们考虑光子学和光互连时，我们非常清楚电子在碳化硅 (SiC) 中的表现方式，但当我们考虑光子时，宽禁带是显而易见的优势。甚至更进一步，量子计算和量子通信 — 碳化硅 (SiC) 也可以在那里提供解决方案。这非常令人兴奋。在与同行和合作伙伴的对话中，我将其描述为有点"科幻"，但所有技术突破最初都是这样开始的。我很庆幸自己能亲眼见证其中的一部分。
英文原稿链接如下，或点击阅读原文：
https://www.powerelectronicsnews.com/power-corner-wolfspeed-cto-dr-elif-balkas-on-300-mm-sic-for-ai-and-hpc-advanced-packaging/
| 延伸阅读 |
▲企业宣传视频：Wolfspeed 助您实现梦想，成就非凡！
Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码：WOLF）在全球范围内推动碳化硅技术采用方面处于市场领先地位，这些碳化硅技术为全球最具颠覆性的创新成果提供了动力支持。作为碳化硅领域的引领者和全球最先进半导体技术的创新者，我们致力于为人人享有的美好世界赋能。Wolfspeed 通过面向各种应用的碳化硅材料、功率模块、分立功率器件和功率裸芯片产品，助您实现梦想，成就非凡 (The Power to Make It Real™)。了解更多详情，敬请访问 www.wolfspeed.com。