攻克SiC的發(fā)展瓶頸,推進(jìn)在汽車和工業(yè)中的應(yīng)用

1 SiC的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Bryan Lu：碳化硅（SiC）是新一代寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，具有出色的R_DS(ON)*Q_g品質(zhì)因數(shù)（FoM）和低反向恢復(fù)電荷（Q_rr），特別適用于具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，尤其是高壓大電流等應(yīng)用場(chǎng)景，主驅(qū)逆變器采用SiC，可提升系統(tǒng)的效率，進(jìn)而使得在相同的電池容量下里程數(shù)得以提升。OBC（車載充電機(jī)）采用SiC，可實(shí)現(xiàn)更高的能效和功率密度。隨著汽車市場(chǎng)向800 V 高壓系統(tǒng)發(fā)展，SiC 在高壓下的低阻抗、高速等優(yōu)勢(shì)將更能體現(xiàn)。

Mrinal K.Das博士(安森美電源方案事業(yè)群先進(jìn)電源部技術(shù)營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān))

2 制約SiC推廣的技術(shù)挑戰(zhàn)

Mrinal Das：首先，從良率和可靠性來看，與硅相比，SiC的缺陷率更高，制造條件更苛刻。第二，SiC 的工作溫度比硅基器件支持的溫度高，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段都要考慮更大的熱應(yīng)力，因此熱管理也是一大挑戰(zhàn)。此外，由于SiC 是一種相對(duì)較新的材料，生態(tài)系統(tǒng)的支持至關(guān)重要。除了技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，還有供貨和成本方面的挑戰(zhàn)，隨著整個(gè)行業(yè)產(chǎn)能的提升和成本的下降，市場(chǎng)將滲透到除汽車以外更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

Bryan Lu：受制于成本，SiC 還沒有全面應(yīng)用在新能源汽車以及工業(yè)等其他應(yīng)用中，但SiC 的性能優(yōu)勢(shì)適合廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是高壓大電流是SiC 功率器件的最佳應(yīng)用條件，類似光伏逆變器、高鐵等都是SiC 功率器件的匹配應(yīng)用場(chǎng)景。在汽車應(yīng)用中，800 V 平臺(tái)是未來的迭代方向，將是SiC 的主戰(zhàn)場(chǎng)，但800 V 和現(xiàn)有的400 V 母線系統(tǒng)零部件不通用，切換需要時(shí)間。如果開發(fā)800 V 的高壓系統(tǒng)，整車系統(tǒng)平臺(tái)需要重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要系統(tǒng)性地重構(gòu)電池、電驅(qū)、高壓配電等子系統(tǒng)以及外部的基礎(chǔ)設(shè)施，這個(gè)過程不是一蹴而就的。

Bryan Lu(安森美電源方案事業(yè)群汽車主驅(qū)逆變器功率模塊中國(guó)區(qū)負(fù)責(zé)人)

3 安森美的SiC解決方案

Mrinal Das：安森美(Onsemi) 通過垂直整合從原材料粉末到成品封裝功率器件的供應(yīng)鏈，來確保高可靠性，這種高度可擴(kuò)展的端到端生產(chǎn)方式使安森美能夠控制供應(yīng)鏈的相關(guān)環(huán)節(jié)，從而根據(jù)市場(chǎng)需求去彈性地調(diào)節(jié)產(chǎn)能，優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)。

為確保良率和高可靠性，安森美推動(dòng)晶體生長(zhǎng)、晶片、外延、器件設(shè)計(jì)/ 制造和封裝等各生產(chǎn)階段的創(chuàng)新，以減少可能導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中早期失效的電活性缺陷的發(fā)生。此外，我們還在生產(chǎn)過程中采用高效的篩選方法，確保篩選出的、本征性好的器件能夠在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定工作，最終使失效率達(dá)到行業(yè)要求的低PPM 水平。安森美采用兩種方式來優(yōu)化熱管理：①采用銅基板方案以改善從芯片到散熱器的熱阻R_th；②用燒結(jié)技術(shù)替代傳統(tǒng)的焊接工藝，可進(jìn)一步降低熱阻。

完善的生態(tài)系統(tǒng)支持也是安森美的差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，安森美提供各種封裝的SiC 器件和相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器，以滿足不同的應(yīng)用要求，還提供評(píng)估板/ 套件、參考設(shè)計(jì)、選型指南、應(yīng)用手冊(cè)、SPICE 模型和仿真工具等全面的設(shè)計(jì)支持，以助設(shè)計(jì)人員加快和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

Bryan Lu：安森美作為目前全球范圍內(nèi)為數(shù)不多能夠提供端到端SiC 生產(chǎn)能力的廠家，有自己的襯底廠、外延廠和晶圓廠，也在積極地推進(jìn)6 英寸提升到8 英寸。由于全供應(yīng)鏈都是自己所控制，所以無論質(zhì)量和產(chǎn)能都是可以保障的。安森美在SiC 領(lǐng)域積累了十多年的經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)于市場(chǎng)和終端應(yīng)用非常的熟悉和了解，產(chǎn)品都是針對(duì)具體的應(yīng)用來優(yōu)化的。安森美開發(fā)的SiC產(chǎn)品命名為EliteSiC，主要有EliteSiC 功率模塊、分立EliteSiC MOSFET 和SBD、bare die 三大類。SiC 功率模塊包括用于主驅(qū)逆變器的EliteSiC 功率模塊，和針對(duì)OBC、DC-DC 的SiC 功率模塊APM。其主驅(qū)EliteSiC功率模塊采用了最新的平面結(jié)構(gòu)的EliteSiC MOSFET，使得效率和損耗都得到了優(yōu)化。APM 的應(yīng)用使得整個(gè)OBC 和DC-DC 系統(tǒng)的可靠性和功率密度都得到了提升。分立EliteSiC MOSFET 和SBD 都是采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝，和友商的管腳完全兼容。bare die 則針對(duì)一些長(zhǎng)期合作的客戶，使得客戶的差異化可以做得更好。目前安森美的EliteSiC 的MOSFET 都還是平面結(jié)構(gòu)，Rsp 達(dá)到了2.2 mΩ*cm2 左右，處于市場(chǎng)領(lǐng)先的一個(gè)地位。安森美將會(huì)緊跟市場(chǎng)的發(fā)展，更好地優(yōu)化SiC 功率器件產(chǎn)品來匹配具體的應(yīng)用，加強(qiáng)在汽車和光伏等行業(yè)的拓展，為客戶提供更好的產(chǎn)品。

（本文來源于EEPW 2023年10月期）