电动汽车为什么热衷SiC？SiC芯片及封装技术进阶之路

2021-12-13 10:40

文︱立厷

图︱网络

SiC（碳化硅）为人们熟知还要感谢电动汽车率先打响了搭载的第一枪，特别是特斯拉，据说其平均每2辆电动车就需要一片6英寸SiC晶圆；SiC器件市占率高达6成的科锐（Cree）产能几乎被它包了一半。

市场调研公司Yole Développement在《电动出行之功率电子2021》中指出：“在市场增长和设计机会方面，SiC已成为最具活力的技术之一。SiC正在渗透到汽车应用的新赛道。”Yole预计，这一市场在2023年之前仍可保持44％的增长速度。

电动汽车为什么热衷SiC？

本世纪初，SiC器件开始商业应用，20年里，已经从高端市场的专利演变为大众市场应用。随着越来越多公司对SiC器件感兴趣并持续投资，其发展势头与日俱增。作为硅的“年轻竞争者”，2020年SiC市场价值已超过6亿美元。

Yole功率电子技术与市场分析师Ana Villamor认为：“电动汽车基本上有三种转换器：主逆变器、DC－DC和OBC。由于功率水平较高，主逆变器是最大的市场，其功率半导体含量最高。”

在功率半导体市场，预计2026年SiC模块价值将比2020年翻一番。事实上，目前SiC模块成本仍是650V IGBT模块的3倍，但生产规模较大时，这种差异将会缩小，过渡到8英寸晶圆以及1200V器件的渗透，将有助于使用更高的电池电压，进一步提升效率。

正如Yole的团队在报告中所分析的那样，EV／HEV供应链继续受到需求和技术趋势增长的影响。为电动汽车提供领先半导体的制造商，如英飞凌科技、三菱电机、意法半导体、罗姆、日立、东芝、安森美、UnitedSiC、CISSOID等众多企业都推出了与汽车相关的最新SiC产品，正在为Tier 1、主机厂提供SiC功率模块，也包括分立器件。

这只是一个缩影

势头迅猛的电动出行对SiC的拉动只是一个缩影。清华大学电机工程与应用电子技术系教授赵争鸣认为：“人们之所以非常热衷于SiC，是因为它具有电力电子应用期待的三高特性：高频、高温、高压。但理论与现实差距还是有的，特别是当你真正使用这种器件时。”

他指出，功率器件就是一个开关，利用开关频率对电力进行采样，得到所需的波形，虽然频率越高越好，但高频会增加损耗。在高频应用方面，因为SiC器件大幅降低了损耗，频率才能提上去，给电力电子设备带来极大的好处。

有了SiC器件，就可以实现高频，大幅提升设备特性。正是由于这一特征，SiC最早是二极管，后来是SiC MOSFET，中间曾经有J－FET过渡产品，现在基本都是MOSFET，进一步发展将是IGBT。做成器件后，其显著特点是大电流、小通态电阻，为大电压、大功率应用带来了很大好处。

赵争鸣教授还表示，电力电子器件和微电子器件的最大区别是弱电控制强电。控制的功率越大，器件水平越高。其另一个特点是高电压，击穿场强可以高十倍，从而把耐压提上去。从原来80mΩ到16mΩ，差不多是5倍，1200V就可以通过650A电流；10kV可以做成SiC MOSFET，15kV可以做成SiC IGBT，22kV可以做成SiC BJT。

这么高功率的器件原来只能用晶闸管来做，IGBT做不到。SiC的初期一般是低电压、大电流，或者小电流、高电压，现在同时实现了高电压和大电流，如3．3kV，750A及10kV，240A SiC MOSFET，覆盖的电压和电流等级越来越大，并且还在发展中，所以今后大功率SiC将是主流，值得期待。

应用方面，由于SiC器件电压和电流越来越大，从UPS电源到电动汽车、全电飞机、高速电机等高压应用，以及新能源、高速铁路、舰船、中压配电网等大电流应用都已进入实用阶段。

三代SiC器件的迭代

在SiC器件和封装发展进程中，窥一斑即可知全豹。三菱电机半导体大中国区应用技术经理马先奎讲述了这样的历程。

上世纪90年代初，三菱电机开始研发SiC产品；2010年，一些SiC器件已在各种各样产品中商业化；2015年后，除了开发新器件外，一直在做从小功率到大功率产品的拓展。

在SiC芯片技术方面，2015年已开发出第二代产品；2018年推出第二代平面栅6英寸产品，针对高压器件内嵌了SBD芯片，并着手开发第三代沟槽栅芯片。其产品性能不断提升，损耗不断降低，以满足更多应用领域的需求。

第二代SiC MOSFET芯片仍采用平面栅结构，特点首先是低通态损耗；还采用了JFET掺杂技术以及薄晶圆工艺。在导通电阻方面，通常JFET层和漂移层所占比重非常大，而随着器件额定电压升高，占比会越来越大。三菱电机通过JFET掺杂技术降低了JFET导通电阻，从而降低了器件损耗，还同步优化了器件的开关损耗。

到了第三代SiC芯片，三菱电机采用了沟槽栅结构，用多离子倾斜注入技术来形成MOSFET芯片。好处首先是栅氧场强降低了，芯片可靠性提升，加上之前的JFET掺杂技术降低了沟槽电阻，也优化了导通电阻。此外，工艺的提升并没有带来特殊要求，其可生产性保持不变或加强了。

高压SiC MOSFET晶圆则采用了另一个思路，内嵌SBD技术，实现了额定电压3300V、6500V的模块。其好处是，以前的产品需要在模块中封装MOSFET和SBD，现在用一个芯片实现，芯片面积小了很多。这样，就可以给客户带来成本方面的效益。

除了高压SiC MOSFET，三菱电机还在研发更高电压的芯片，如双极性器件、SiC IGBT，实际样品也通过了验证，耐压达到了13000V。

封装成了提升可靠性和性能的关键

封装是承载器件的载体，也是保证SiC芯片可靠性、充分发挥性能的关键。从封装技术发展看，首先是分立式SiC MOSFET器件，从最初的TO－247 3脚到TO－247 4脚，后来是采用开尔文连接的TO－263 7脚封装，杂散电感得到不断优化，特别是开尔文连接改善了驱动，降低了模块损耗，有助于提升SiC器件的性能。

SiC MOSFET模块面世后，也在利用模块封装不断降低杂散电感，以充分发挥SiC芯片性能；通过采用对称布局和层叠端子，实现了更大功率的模块；标准封装也在逐渐被市场接受，可满足各种多样化需求。

对SiC MOSFET模块来说，除了外形变化，更重要的是如何充分发挥器件性能，让应用更加简单、可靠。所推出的更高集成化的模块，例如从常规MOSFET模块到内置RTC的模块，甚至集成驱动和保护的IPM模块，功能不断提升，使SiC性能得以在用户的各种应用中体现。

封装技术的发展同时兼顾了充分发挥SiC芯片性能和实际应用易用性与可靠性要求，以多样化产品满足了市场的广泛需求。

分立式SiC器件依然故我

依然故我，却并非不思进取，一点也没有改变，这就是分立式SiC器件。三菱电机半导体大中国区高级应用工程师赵瑞表示，分立式SiC器件仍然是PFC、DC－DC、OBC等应用中提升功率密度和效率不可或缺的器件，更何况SiC才刚刚开始导入各种应用呢？

谈到应用场景，赵瑞认为，分立式SiC器件，包括SiC二极管，广泛适用于各种充电应用系统，典型拓扑是一个整流加上PFC、双向DC－DC，以及PLC电路，其优势是减少电抗器、变压器和散热器尺寸。

三菱电机的N系列SiC MOSFET器件具有较低的镜像电容，实现了无误导通风险的宽短路安全工作区（SOA），且开关性能良好，开关损耗低；同时允许体二极管导通工作和栅极负偏置，可靠性高。N系列主要有1200V 80mΩ、40mΩ、22mΩ；封装有TO－247－3、TO－247－4、TO－267－7 3封装；每个型号都有工业版本和车规版本，满足AEC－Q101规格。

好处还不止这些，在系统中采用SiC MOSFET方案，可以进一步缩小体积，减少系统承载，降低系统成本，提高布局灵活度。

目前，三菱电机SiC器件采用第二代平面型芯片技术，以JFET掺杂降低JFET内阻，同时缩小了JFET宽度，使反向输出电容减小，在实现防误导通高鲁棒性的同时进一步减少了开关损耗。

为防止误导通风险，需要提高dV／dt（开关速度）下的输入电容（Ciss）与反向电容（Crss）的比值，对比显示，N系列比值很高，代表误导通能力很强。另外是门槛电压（VGSth）数值，N系列2．3V左右，但即使是在如此低的门槛电压下，在无误导通安全工作区，以及纵轴－5到－10V的门极关断电压（VGS＿off）内，N系列在开关速度达到120V／ns都没有误导通，而其他竞品工作区小些，开关速度在70、80V／ns左右，需要把关断门极电压调低一些。

同样，横轴是开关速度，纵轴则是开关损耗。很明显，开关速度越快，器件整体开关损耗越小。几个竞品相比，实线代表N系列可以实现的无误导通风险曲线，虚线表示如果速度加快，就可能有寄生导通风险。在整个横轴，N系列都是实线。

三菱电机分立器件的推荐栅源极电压是－5V到＋15V，其他友商绝大部分是0V到18V。SiC的门极有一个栅氧化层，存在门槛电压漂移的问题，尤其是在负压时，门槛电压漂高后，会导致损耗增加，整个温升就会增加，导致器件失效率上升。测试表明，通过使用负电压，＋15、－5V脉冲偏置条件下门槛电压都保持不变，充分发挥了SiC开关速度快的能力。