欧盟功率半导体高管峰会 (PSES) 于 9 月 19 日至 22 日在慕尼黑举行，汇聚了来自功率半导体行业各个领域的领导者。这包括半导体基板、设备和模块的制造商、专门从事测试和封装的公司，以及最终用途的产品供应商。PSES 的目标是讨论如何使用电力电子技术推动世界在电动汽车(EV)、消费电子产品、5G 和物联网 (IoT) 等关键技术领域迈向更可持续、碳中和的未来，以及工业自动化。

我们将重点介绍博世对碳化硅 (SiC) 在汽车应用中的作用的看法。碳化硅和氮化镓 (GaN) 是当今最受欢迎的宽带隙 (WBG) 半导体之一。与 Si 相比，材料特性方面的优势（例如更高的临界电场、更低的本征载流子密度和更高的热导率）使 MOSFET 和肖特基势垒二极管 (SBD) 等 SiC 器件成为高压和大功率开关应用的重点领域。

博世的演讲题为“电动汽车会成为纯粹的 WBG 半导体游戏吗？” 由汽车电子高级副总裁 Ralf Bornefeld 发表。博世在德国生产针对汽车应用的 SiC 沟槽 MOSFET 以及功率转换模块（见图 1）。他们今年早些时候宣布，他们将提高 SiC 产量，计划在其位于罗伊特林根的现有 Si Fab 中创建一条 200mm 生产线，这将把 Si 制造转移到位于德累斯顿的 300mm Fab。

 

 

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

基于 SiC 器件的博世第四代逆变器模块
基于 SiC 器件的博世第四代逆变器模块

Bornefeld 通过强调电动汽车 (EV) 的巨大增长预测开始了他的演讲。2020 年，电动汽车约占全球新车购买量的 6%。预计到 2030 年，这一数字将上升到 52%。就汽车数量而言，这意味着每年从约 100 万辆增加到 5000 万辆电动汽车。这种需求旺盛来自政府激励措施、客户对新电动汽车设计的兴趣以及对 CO 2的关注汽油车的排放，以及由于电力电子和电池存储系统的效率和成本提高，预计拥有成本将继续下降。在氢动力、生物燃料、混合气电等各种未来低碳足迹汽车技术中，电动汽车显示出减少碳足迹的最佳前景。这主要是由于电池到车轴的功率转换，即“坦克到车轮”，实现了接近95%的高效率。这种高效率来自转换阶段使用的功率半导体。

碳化硅电动汽车需求驱动因素

 

Bornefeld 强调，三件事推动了 SiC 在汽车应用中的使用：

  1. 电动汽车有向快速直流快速充电能力发展的趋势。这导致 800 V 直流链路和 1200 V 设备级操作。在这些电压下，SiC 是最受欢迎的技术，因为它具有出色的击穿场强。同样对于充电器和其他 DC-DC 转换器，高达 50% 的较低能量损失意味着最终用户在家中或公共充电站为汽车充电时的成本更低。由于更高的功率密度，更高的效率有助于汽车制造商减小 ECU 的尺寸。更高的功率密度还允许更轻松地实施更高容量的车载充电器，例如从 11 kW 到 22 kW。
  2. 全球统一轻型车辆测试程序 (WLTP) 强调效率和范围，与使用类似拓扑的基于 Si IGBT 的转换器相比，SiC 的效率提高了 6% 到 10%。SiC 中较低的传导损耗是一个关键优势；特别是在电动汽车中使用的主驱动牵引逆变器的部分负载条件下。部分负载发生在主驱动逆变器的大约 90% 的时间，尤其是在城市驾驶中。提高的效率可以转化为更长的续航里程或更小的电池。对于城市驾驶而言，较小的电池电动汽车在成本和空间方面都具有优势。中国廉价电动汽车的强劲增长证明了这一点
  3. 转向 200 毫米 SiC 晶圆加工将使芯片成本降低到使用 SiC 的系统成本将与用于 800V EV 主驱动牵引逆变器的 Si IGBT 相当的水平。

SiC 供应侧改进

 

在容量方面，需要发生革命性的变化才能满足未来十年电动汽车数量增长 50 倍的预测。Bornefeld 确定了几种旨在帮助满足需求的方法：

  1. 将制造从当前的 150 毫米晶圆转移到 200 毫米晶圆：几家 SiC 器件制造商已宣布计划在未来几年内大批量生产 200 毫米晶圆
  2. 良率提高：缺陷会影响良率超过 10%。这直接影响模具成本。降低缺陷密度是研发活动密集的领域
  3. 晶圆切割和分裂：激光切割可以减少机械切割造成的裸片损失。正如 SOITEC 提出的那样，通过注入氢从单晶主 SiC 晶圆上分离出小的器件层厚度部分，然后将其键合到高掺杂多晶 SiC 处理晶圆上，可以降低晶圆成本，并且可能还提高产量
  4. 搭建经验：Si IGBT 已有 50 年的历史，而 SiC MOSFET 只有 5 年左右。在器件特性和可靠性方面还有很大的改进空间。栅极氧化物及其屏蔽高电场的方法仍然是器件开发的重点领域。改进的筛选测试对于过滤掉随着时间的推移可能具有参数漂移的芯片也很重要
  5. 封装和晶圆厚度：更薄的晶圆更灵活，因此可以达到更高的可靠性水平。银或铜的烧结可以提高芯片到外壳的热阻，从而提高整体效率，尤其是在较小的芯片中。芯片贴装材料更好的热膨胀 (CTE) 匹配也可以提高高温可靠性。

用于汽车的 GaN 与 SiC

 

关于汽车充电/转换中的氮化镓 (GaN) 与 SiC 的问题，Bornefeld 指出了使 SiC 有利于在 EV 牵引逆变器中使用的几个因素。随着市场向 1200 V 器件的 800 V DC 快速充电方向发展，GaN 很难作为垂直功率器件竞争。GaN on Si 是一种更便宜的解决方案，但两种材料之间显着的晶格和 CTE 不匹配使其具有挑战性。需要更厚 GaN 层的更高电压等级会加剧这种情况。需要厚的缓冲层来提供应力消除，这些缓冲层通常是不导电的。解决此问题的流程集成将很困难。目前在 GaN 中通常使用的横向器件在所需的 >1200 V 范围内会太大且太贵。GaN 具有明显的优势，具有更高的开关速度。

总而言之，从技术角度来看，SiC 将成为电动汽车应用的首选器件。它确实需要在成本、生产能力和可靠性方面进行改进，而这些挑战都必须得到解决，才能满足对其巨大的需求预测。