英飛凌碳化硅：“碳” 尋綠色能源之路的創(chuàng )新引擎

英飛凌1992年開(kāi)始碳化硅技術(shù)研發(fā)，是第一批研發(fā)碳化硅的半導體公司之一。2001年推出世界上第一個(gè)商用碳化硅二極管，此后生產(chǎn)線(xiàn)不斷升級，2018年收購德國Siltectra公司，2019年推出碳化硅CoolSiC^TM MOSFET技術(shù)，2024年推出了集成.XT技術(shù)的XHP^TM 2 CoolSiC^TM半橋模塊。英飛凌持續32年深耕碳化硅功率器件，不斷突破不斷創(chuàng )新，持續引領(lǐng)碳化硅技術(shù)發(fā)展。

近日，英飛凌在北京舉辦碳化硅媒體發(fā)布會(huì )，深入介紹了其在碳化硅功率器件產(chǎn)品及技術(shù)方面的進(jìn)展及其在工業(yè)與基礎設施領(lǐng)域的應用和戰略布局。

碳化硅變革綠色能源

在全球政治經(jīng)濟多變的背景下，綠色、環(huán)保、低碳成為各國共識。IEA報告顯示，綠色能源涵蓋的發(fā)電、輸配電、儲能、用電等電力全價(jià)值鏈市場(chǎng)潛力巨大。到2030年，光伏裝機量超5000GW，電網(wǎng)投資將達每年6000億美元以上，電池儲能容量將增加1000GW以上，電動(dòng)汽車(chē)充電領(lǐng)域投資將超1萬(wàn)億美元。據介紹，中國在高壓直流輸電、新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，如國內約90,000臺風(fēng)力發(fā)電機、超220GW光伏發(fā)電機組、約15GW/30GW新型儲能系統以及2,800多列高鐵都應用了英飛凌產(chǎn)品。

碳化硅作為滿(mǎn)足可持續性能源生產(chǎn)和消費的核心技術(shù)，其產(chǎn)品創(chuàng )新、生產(chǎn)工藝創(chuàng )新和系統應用創(chuàng )新為客戶(hù)帶來(lái)高能效、系統級性?xún)r(jià)比和壽命周期可靠性的升級，驅動(dòng)可再生能源發(fā)展和電網(wǎng)升級、電動(dòng)汽車(chē)普及擴展以及工業(yè)和消費類(lèi)應用的能效和智能提升。據預測，2024 - 2029年全球碳化硅市場(chǎng)規模將從31億歐元增長(cháng)到90億歐元，年復合增長(cháng)率超過(guò)24%。

解決碳化硅產(chǎn)品痛點(diǎn)

英飛凌科技高級副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務(wù)大中華區負責人于代輝

針對碳化硅產(chǎn)品一致性、領(lǐng)先性、創(chuàng )新性、經(jīng)濟性和適應性等痛點(diǎn)，英飛凌科技高級副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務(wù)大中華區負責人于代輝先生表示，英飛凌作為IDM廠(chǎng)商，在技術(shù)和產(chǎn)品穩定性上，從芯片到封裝協(xié)同效應明顯，嚴格的質(zhì)量管理體系可確保產(chǎn)品質(zhì)量；在供貨上，采用多元化采購，與中國本土及全球供應商簽訂協(xié)議。在技術(shù)驅動(dòng)上，已積累近3萬(wàn)項專(zhuān)利，擁有冷切割、溝槽柵、以及封裝等全球領(lǐng)先技術(shù)，并采用嚴苛的測試標準。在追求卓越方面，已推出多款全球首款產(chǎn)品并獲多項獎項。產(chǎn)能布局上，奧地利和馬來(lái)西亞工廠(chǎng)虛擬協(xié)同，，形成規模經(jīng)濟。同時(shí)，注重與中國市場(chǎng)和客戶(hù)的深度融合，“融入市場(chǎng)，融入客戶(hù)”， 充分了解本土市場(chǎng)需求、加快對市場(chǎng)和客戶(hù)的響應速度、加強本土應用創(chuàng )新能力，加深對本土需求和系統的理解，從而為國內客戶(hù)提供“端到端”增值服務(wù)。

碳化硅何以英飛凌

會(huì )上英飛凌科技副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務(wù)大中華區市場(chǎng)負責人沈璐女士向我們分享了關(guān)于英飛凌碳化硅的一個(gè)目標、兩個(gè)誤解以及三個(gè)持續。

英飛凌科技副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務(wù)大中華區市場(chǎng)負責人沈璐

在全社會(huì )正進(jìn)行低碳化以及電氣化轉型的大背景下，英飛凌設立的一個(gè)目標是要成為首選的零碳技術(shù)創(chuàng )新伙伴。

新能源架構中能源轉換次數逐步增加，盡管可再生能源免費，但每次轉換都有能效損失，因此高效能源轉換至關(guān)重要。碳化硅技術(shù)是提升能效的功率半導體技術(shù)，旨在滿(mǎn)足低碳轉型中的兩大需求：能效創(chuàng )新（如光伏、儲能、充電樁）和設計創(chuàng )新（系統小型化、低成本、節能高效）。英飛凌表示，碳化硅商業(yè)模式的成功在于與客戶(hù)聯(lián)合創(chuàng )新，以找到能效和設計創(chuàng )新的正確方案。

其次是關(guān)于碳化硅的兩個(gè)誤解，第一個(gè)誤解是，大眾認為平面柵結構比較簡(jiǎn)單，可靠性似乎更高，而溝槽柵結構和生產(chǎn)工藝都很復雜，可能會(huì )有長(cháng)期可靠性的問(wèn)題。

但實(shí)際情況是，在可靠性上，硅器件與碳化硅器件的關(guān)鍵部分在于“柵極氧化層”。若將電流比作汽車(chē)，柵極氧化層即為路面。硅基上的柵極氧化層平坦如高速公路，而碳化硅上的則崎嶇如鄉間小道，因其缺陷密度更高，影響器件壽命，導致失效。為提升碳化硅可靠性，需降低其柵極氧化層缺陷密度。英飛凌采用高效測試方法，用高篩選電壓篩選器件，電壓越高，發(fā)現缺陷越多，篩選出的器件可靠性越高。

平面柵技術(shù)難以實(shí)現高可靠性，因其如車(chē)行顛簸路面，速度受限。溝槽柵技術(shù)則如挖隧道，速度更快。若平面柵要達到溝槽柵速度，需更薄的柵極氧化層，但篩選電壓與氧化層厚度成正比，薄氧化層難以承受高電壓篩選。因此，英飛凌的溝槽柵技術(shù)通過(guò)更厚的氧化層和更高的篩選電壓，最大限度降低缺陷密度，保障可靠性。

第二個(gè)常見(jiàn)誤區是關(guān)于碳化硅性能的評價(jià)。常聽(tīng)到只看單位面積導通電阻（Rsp）來(lái)評價(jià)器件好壞的說(shuō)法，但這并不全面。碳化硅的商業(yè)價(jià)值在于長(cháng)期、可靠、高效的能源轉化效率。能量損耗由導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成，隨著(zhù)碳化硅高頻開(kāi)關(guān)應用的出現，開(kāi)關(guān)損耗越來(lái)越重要。例如，在60kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，導通損耗已遠小于開(kāi)關(guān)損耗。除了芯片損耗，封裝參數如熱阻也影響能效轉換。模塊雜感優(yōu)化對功率輸出和頻率穩定性也很重要。此外，魯棒性和可靠性也是關(guān)鍵，包括長(cháng)期使用壽命和極端工況下的穩定性能。

關(guān)于高溫漂移，溝槽柵和平面柵的電阻變化不同，并非產(chǎn)品可靠性問(wèn)題。導通電阻由溝道電阻A和外延層電阻B組成，它們的溫度特性相反。平面柵的溝道電阻A占比大，能補償B的上升，所以導通損耗受溫度變化影響小。而溝槽柵的溝道電阻A占比小，無(wú)法補償B的上升，導致高溫漂移。因此，碳化硅性能評價(jià)標準應多元化，包括導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、雜散電感、封裝熱阻以及魯棒性和可靠性。英飛凌為用戶(hù)提供詳盡的設計參數，幫助工程師充分利用每個(gè)器件。

對于三個(gè)持續，沈璐表示：“第一我們要持續布局，步履不停。第二持續創(chuàng )新，超越期待。第三是持續深耕，穿越周期?！比齻€(gè)持續是英飛凌對于碳化硅業(yè)務(wù)的堅定選擇，也是英飛凌應對市場(chǎng)挑戰的信心。

第二代CoolSiC^TM MOSFETs驚艷亮相

英飛凌持續布局碳化硅業(yè)務(wù)，從芯片技術(shù)迭代到生產(chǎn)線(xiàn)升級，不斷滿(mǎn)足客戶(hù)多元化需求，避免同質(zhì)化競爭。英飛凌的目標是減少工藝損耗、優(yōu)化散熱性能，以保持高可靠性。從CoolSiC^TM MOSFETs第一代到新一代技術(shù)，英飛凌一直致力于降低損耗、提高散熱性能和可靠性。

CoolSiC^TM MOSFETs G2的電阻范圍從7毫歐到78毫歐，其中7毫歐是業(yè)界工藝密度之最。與G1相比，G2具有更低的損耗、更好的散熱、更易用且更寬的V_GS范圍。同時(shí)G2還增強了開(kāi)關(guān)性能，降低開(kāi)關(guān)損耗，提高功率效率。

R_DSON*Q_GD品質(zhì)因素反映開(kāi)關(guān)損耗。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，Q_GD和R_DSON的乘積影響開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗的平衡。乘積越小，損耗越低，器件性能越好，這在硬開(kāi)關(guān)應用中尤為重要。不同應用和拓撲結構對器件性能要求不同。英飛凌優(yōu)化了驅動(dòng)損耗等其他因素，使G2系列表現最佳。在半橋拓撲測試中，通過(guò)對比，包括與第一代產(chǎn)品的比較，G2整體效率更高。

英飛凌科技高級技術(shù)總監、工業(yè)與基礎設施業(yè)務(wù)大中華區技術(shù)負責人陳立烽

值得一提的是G2采用了英飛凌.XT互連技術(shù)和擴散焊技術(shù)。英飛凌科技高級技術(shù)總監、工業(yè)與基礎設施業(yè)務(wù)大中華區技術(shù)負責人陳立烽先生介紹到，“在傳統器件中，無(wú)論是單板還是模塊，通常采用標準焊接方式，即將芯片焊接到芯片引線(xiàn)框架或者DCB等載體上。然而，通過(guò)X光或者顯微鏡觀(guān)察，標準焊接過(guò)程往往難以達到完全平滑的焊接效果。相比之下，采用.XT擴散焊技術(shù)則能顯著(zhù)改善這一情況。該技術(shù)使得芯片與載體之間的結合處變得非常緊密。這種緊密的結合不僅有助于降低熱阻，提高散熱效率，還能顯著(zhù)提升焊接的可靠性，從而增強器件對于溫度熱應力的抵抗能力。”

在工藝水平方面，英飛凌采用了冷切割技術(shù)，能夠更加充分的利用材料，特別是在工藝器件生產(chǎn)的一道工序減薄環(huán)節中。

未來(lái)，相信英飛凌會(huì )繼續深耕在碳化硅領(lǐng)域，并持續創(chuàng )造出引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的碳化硅產(chǎn)品。