攻克SiC的發(fā)展瓶頸,推進(jìn)在汽車(chē)和工業(yè)中的應用

1 SiC的應用優(yōu)勢

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

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(xiāo)高級總監)

2 制約SiC推廣的技術(shù)挑戰

Mrinal Das：首先，從良率和可靠性來(lái)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)設計階段都要考慮更大的熱應力，因此熱管理也是一大挑戰。此外，由于SiC 是一種相對較新的材料，生態(tài)系統的支持至關(guān)重要。除了技術(shù)方面的挑戰，還有供貨和成本方面的挑戰，隨著(zhù)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(chē)以外更為廣泛的應用領(lǐng)域。

Bryan Lu：受制于成本，SiC 還沒(méi)有全面應用在新能源汽車(chē)以及工業(yè)等其他應用中，但SiC 的性能優(yōu)勢適合廣闊的應用場(chǎng)景，尤其是高壓大電流是SiC 功率器件的最佳應用條件，類(lèi)似光伏逆變器、高鐵等都是SiC 功率器件的匹配應用場(chǎng)景。在汽車(chē)應用中，800 V 平臺是未來(lái)的迭代方向，將是SiC 的主戰場(chǎng)，但800 V 和現有的400 V 母線(xiàn)系統零部件不通用，切換需要時(shí)間。如果開(kāi)發(fā)800 V 的高壓系統，整車(chē)系統平臺需要重新優(yōu)化設計，需要系統性地重構電池、電驅、高壓配電等子系統以及外部的基礎設施，這個(gè)過(guò)程不是一蹴而就的。

Bryan Lu(安森美電源方案事業(yè)群汽車(chē)主驅逆變器功率模塊中國區負責人)

3 安森美的SiC解決方案

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

為確保良率和高可靠性，安森美推動(dòng)晶體生長(cháng)、晶片、外延、器件設計/ 制造和封裝等各生產(chǎn)階段的創(chuàng )新，以減少可能導致實(shí)際應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(guò)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)際應用中穩定工作，最終使失效率達到行業(yè)要求的低PPM 水平。安森美采用兩種方式來(lái)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用燒結技術(shù)替代傳統的焊接工藝，可進(jìn)一步降低熱阻。

完善的生態(tài)系統支持也是安森美的差異化競爭優(yōu)勢，安森美提供各種封裝的SiC 器件和相關(guān)柵極驅動(dòng)器，以滿(mǎn)足不同的應用要求，還提供評估板/ 套件、參考設計、選型指南、應用手冊、SPICE 模型和仿真工具等全面的設計支持，以助設計人員加快和簡(jiǎn)化設計。

Bryan Lu：安森美作為目前全球范圍內為數不多能夠提供端到端SiC 生產(chǎn)能力的廠(chǎng)家，有自己的襯底廠(chǎng)、外延廠(chǎng)和晶圓廠(chǎng)，也在積極地推進(jìn)6 英寸提升到8 英寸。由于全供應鏈都是自己所控制，所以無(wú)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，因此對于市場(chǎng)和終端應用非常的熟悉和了解，產(chǎn)品都是針對具體的應用來(lái)優(yōu)化的。安森美開(kāi)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(lèi)。SiC 功率模塊包括用于主驅逆變器的EliteSiC 功率模塊，和針對OBC、DC-DC 的SiC 功率模塊APM。其主驅EliteSiC功率模塊采用了最新的平面結構的EliteSiC MOSFET，使得效率和損耗都得到了優(yōu)化。APM 的應用使得整個(gè)OBC 和DC-DC 系統的可靠性和功率密度都得到了提升。分立EliteSiC MOSFET 和SBD 都是采用標準的封裝，和友商的管腳完全兼容。bare die 則針對一些長(cháng)期合作的客戶(hù)，使得客戶(hù)的差異化可以做得更好。目前安森美的EliteSiC 的MOSFET 都還是平面結構，Rsp 達到了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(lái)匹配具體的應用，加強在汽車(chē)和光伏等行業(yè)的拓展，為客戶(hù)提供更好的產(chǎn)品。

（本文來(lái)源于EEPW 2023年10月期）