歐盟功率半導體高管峰會 (PSES) 于 9 月 19 日至 22 日在慕尼黑舉行，匯聚了來自功率半導體行業各個領域的領導者。這包括半導體基板、設備和模塊的制造商、專門從事測試和封裝的公司，以及最終用途的產品供應商。PSES 的目標是討論如何使用電力電子技術推動世界在電動汽車(EV)、消費電子產品、5G 和物聯網 (IoT) 等關鍵技術領域邁向更可持續、碳中和的未來，以及工業自動化。

我們將重點介紹博世對碳化硅 (SiC) 在汽車應用中的作用的看法。碳化硅和氮化鎵 (GaN) 是當今最受歡迎的寬帶隙 (WBG) 半導體之一。與 Si 相比，材料特性方面的優勢（例如更高的臨界電場、更低的本征載流子密度和更高的熱導率）使 MOSFET 和肖特基勢壘二極管 (SBD) 等 SiC 器件成為高壓和大功率開關應用的重點領域。

博世的演講題為“電動汽車會成為純粹的 WBG 半導體游戲嗎？”?由汽車電子高級副總裁 Ralf Bornefeld 發表。博世在德國生產針對汽車應用的 SiC 溝槽 MOSFET 以及功率轉換模塊（見圖 1）。他們今年早些時候宣布，他們將提高 SiC 產量，計劃在其位于羅伊特林根的現有 Si Fab 中創建一條 200mm 生產線，這將把 Si 制造轉移到位于德累斯頓的 300mm Fab。

 

 

博世 1200V 碳化硅 MOSFET (BT1M120)
圖 1 博世 1200V SiC MOSFET (BT1M120)

基于 SiC 器件的博世第四代逆變器模塊
基于 SiC 器件的博世第四代逆變器模塊

Bornefeld 通過強調電動汽車 (EV) 的巨大增長預測開始了他的演講。2020 年，電動汽車約占全球新車購買量的 6%。預計到 2030 年，這一數字將上升到 52%。就汽車數量而言，這意味著每年從約 100 萬輛增加到 5000 萬輛電動汽車。這種需求旺盛來自政府激勵措施、客戶對新電動汽車設計的興趣以及對 CO?2的關注汽油車的排放，以及由于電力電子和電池存儲系統的效率和成本提高，預計擁有成本將繼續下降。在氫動力、生物燃料、混合氣電等各種未來低碳足跡汽車技術中，電動汽車顯示出減少碳足跡的最佳前景。這主要是由于電池到車軸的功率轉換，即“坦克到車輪”，實現了接近95%的高效率。這種高效率來自轉換階段使用的功率半導體。

碳化硅電動汽車需求驅動因素

 

Bornefeld 強調，三件事推動了 SiC 在汽車應用中的使用：

  1. 電動汽車有向快速直流快速充電能力發展的趨勢。這導致 800 V 直流鏈路和 1200 V 設備級操作。在這些電壓下，SiC 是最受歡迎的技術，因為它具有出色的擊穿場強。同樣對于充電器和其他 DC-DC 轉換器，高達 50% 的較低能量損失意味著最終用戶在家中或公共充電站為汽車充電時的成本更低。由于更高的功率密度，更高的效率有助于汽車制造商減小 ECU 的尺寸。更高的功率密度還允許更輕松地實施更高容量的車載充電器，例如從 11 kW 到 22 kW。
  2. 全球統一輕型車輛測試程序 (WLTP) 強調效率和范圍，與使用類似拓撲的基于 Si IGBT 的轉換器相比，SiC 的效率提高了 6% 到 10%。SiC 中較低的傳導損耗是一個關鍵優勢；特別是在電動汽車中使用的主驅動牽引逆變器的部分負載條件下。部分負載發生在主驅動逆變器的大約 90% 的時間，尤其是在城市駕駛中。提高的效率可以轉化為更長的續航里程或更小的電池。對于城市駕駛而言，較小的電池電動汽車在成本和空間方面都具有優勢。中國廉價電動汽車的強勁增長證明了這一點
  3. 轉向 200 毫米 SiC 晶圓加工將使芯片成本降低到使用 SiC 的系統成本將與用于 800V EV 主驅動牽引逆變器的 Si IGBT 相當的水平。

SiC 供應側改進

 

在容量方面，需要發生革命性的變化才能滿足未來十年電動汽車數量增長 50 倍的預測。Bornefeld 確定了幾種旨在幫助滿足需求的方法：

  1. 將制造從當前的 150 毫米晶圓轉移到 200 毫米晶圓：幾家 SiC 器件制造商已宣布計劃在未來幾年內大批量生產 200 毫米晶圓
  2. 良率提高：缺陷會影響良率超過 10%。這直接影響模具成本。降低缺陷密度是研發活動密集的領域
  3. 晶圓切割和分裂：激光切割可以減少機械切割造成的裸片損失。正如 SOITEC 提出的那樣，通過注入氫從單晶主 SiC 晶圓上分離出小的器件層厚度部分，然后將其鍵合到高摻雜多晶 SiC 處理晶圓上，可以降低晶圓成本，并且可能還提高產量
  4. 搭建經驗：Si IGBT 已有 50 年的歷史，而 SiC MOSFET 只有 5 年左右。在器件特性和可靠性方面還有很大的改進空間。柵極氧化物及其屏蔽高電場的方法仍然是器件開發的重點領域。改進的篩選測試對于過濾掉隨著時間的推移可能具有參數漂移的芯片也很重要
  5. 封裝和晶圓厚度：更薄的晶圓更靈活，因此可以達到更高的可靠性水平。銀或銅的燒結可以提高芯片到外殼的熱阻，從而提高整體效率，尤其是在較小的芯片中。芯片貼裝材料更好的熱膨脹 (CTE) 匹配也可以提高高溫可靠性。

用于汽車的 GaN 與 SiC

 

關于汽車充電/轉換中的氮化鎵 (GaN) 與 SiC 的問題，Bornefeld 指出了使 SiC 有利于在 EV 牽引逆變器中使用的幾個因素。隨著市場向 1200 V 器件的 800 V DC 快速充電方向發展，GaN 很難作為垂直功率器件競爭。GaN on Si 是一種更便宜的解決方案，但兩種材料之間顯著的晶格和 CTE 不匹配使其具有挑戰性。需要更厚 GaN 層的更高電壓等級會加劇這種情況。需要厚的緩沖層來提供應力消除，這些緩沖層通常是不導電的。解決此問題的流程集成將很困難。目前在 GaN 中通常使用的橫向器件在所需的 >1200 V 范圍內會太大且太貴。GaN 具有明顯的優勢，具有更高的開關速度。

總而言之，從技術角度來看，SiC 將成為電動汽車應用的首選器件。它確實需要在成本、生產能力和可靠性方面進行改進，而這些挑戰都必須得到解決，才能滿足對其巨大的需求預測。