碳化硅迎來快速發展期！ 英飛凌深度解析碳化硅可靠性和性能評價兩大常見誤區
2025-01-03 11:01:33 周菊香，EETOP碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料的代表，因其在禁帶寬度、擊穿電場、熱導率等關鍵參數方面的顯著優勢，正逐漸從科研走向產業化，并正迎來快速增長。行業預估，預計從2024年到2029年，全球碳化硅市場規模將從31億歐元增長到90億歐元，年復合增長率超過24%。特別是在固態斷路器領域，未來5年碳化硅的市場規模將以76%的年復合增長率增長，風能領域未來5年可以達到95%的年復合增長率。
近日，在英飛凌碳化硅媒體發布會上，英飛凌科技高級副總裁、工業與基礎設施業務大中華區負責人于代輝分享說：“碳化硅是滿足可持續性能源生產和消費的核心技術，這是一個業界共識。碳化硅產品的升級、創新為客戶帶來了系統層面的升級，從而助力整個新能源行業的提升，驅動市場應用發展?！?/span>
英飛凌科技高級副總裁、工業與基礎設施業務大中華區負責人于代輝
據介紹，碳化硅是滿足可持續性能源生產和消費的核心技術，可驅動三大類應用市場的發展：一是可再生能源發展和電網升級，包括HVDC、風電、光伏和儲能；二是電動汽車的普及和擴展；三是工業和消費類應用的能效和智能提升。在電動汽車領域，特斯拉等多家車企已開始使用SiC，預計到2027年全球導電型SiC功率器件市場規模將達63億美元，其中新能源汽車市場規模將達50億美元，占比高達79%。此外，碳化硅在光伏逆變器、電池充電和化成、服務器和通信電源等領域的應用也在不斷擴展。
英飛凌作為碳化硅技術的先行者，自1992年開始研發；2001年推出了世界上第一個商用的碳化硅二極管；2018年收購Siltectra公司，進一步優化了碳化硅芯片的生產效率；2019年，推出第一代CoolSiCTM MOSFET技術；2024年進一步推出第二代CoolSiCTM MOSFET G2技術，以及XHPTM 2 CoolSiCTM半橋模塊，進而展現了英飛凌在碳化硅技術上的持續創新和領先。
一個目標、兩個誤區、三個持續
碳化硅技術的主要核心目標就是能夠實現在新的低碳化轉型的框架下，滿足兩個過去尚未被滿足的需求：一是能效創新的需求，像光伏、儲能、充電樁都需要這樣一些碳化硅的應用來增加能效、功率的轉化效率；二是設計創新，怎么把系統做得更小、成本更低，甚至是更加節能、高效，這恰恰就是碳化硅所在的時代的價值。英飛凌科技副總裁、工業與基礎設施業務大中華區市場負責人沈璐女士分享說：“我們摸索出來了在全球范圍內碳化硅真正的商業模式的成功，其實是在于要跟客戶聯合創新，這樣我們才可以在能效創新和設計創新上找到正確的解決方案。”
英飛凌科技副總裁、工業與基礎設施業務大中華區市場負責人沈璐女士
碳化硅是一個功率能效轉換的創新提升技術，創新的目的不僅僅是為了創新，更是為了能夠搭建一個更可持續的未來，讓生活更美好。沈璐表示：“作為一個追求可持續發展的企業，英飛凌也在身體力行，致力于成為客戶首選的零碳技術創新伙伴。我們希望在2025年，實現碳排放量比2019年減少70％，并在2030年實現到零碳的最終目標。”
確實，碳化硅的應用越來越普及了。原來可能因為碳化硅的成本暫時不敢用，但現在已經開始提前進入研發狀態了。同時原來可能只有20%滲透率的應用，現在可能滲透率都在提速。沈璐表示：“我們認為碳化硅的商業模式應該跟客戶、應用做協同創新。這樣的話，才能夠幫助用戶解決那些未被滿足的需求?！?/span>
不過，在碳化硅技術應用中有兩個常見的誤區，即可靠性問題和碳化硅的性能評價問題。首先是關于可靠性的問題。在討論半導體器件的可靠性時，我們通常會比較平面柵結構和溝槽柵結構。平面柵結構因其簡單性而看似更可靠，但事實并非如此英飛凌十年前就開始采用溝槽柵技術，并且目前國內外大廠都紛紛將其作為下一代技術路線。
英飛凌科技高級技術總監、工業與基礎設施業務大中華區技術負責人陳立烽介紹說：“英飛凌的溝槽柵技術是技術創新的關鍵。該技術采用英飛凌專有的垂直溝道設計，有效降低界面密度和氧化層陷阱，提升載流子遷移率，從而顯著降低導通電阻和開關損耗。深P阱結構增強了器件氧化層的可靠性，并在溝槽拐角處形成高電場，起到保護作用。”
英飛凌科技高級技術總監、工業與基礎設施業務大中華區技術負責人陳立烽
在硅器件和碳化硅器件中，柵極氧化層是影響可靠性的關鍵部分。硅基器件的柵極氧化層就像高速公路一樣平坦，而碳化硅器件的柵極氧化層則像顛簸的鄉間小道，因為其缺陷密度更高，這直接影響了器件的使用壽命和可靠性。為了使碳化硅器件達到與硅器件相同的可靠性，必須降低柵極氧化層的缺陷密度。篩選電壓與氧化層厚度成正比，氧化層越厚，篩選電壓就可以越高，從而能夠篩選出更多的缺陷而不損壞器件。溝槽柵就像是挖了一個隧道，使得電子速度更快，確保了更高的可靠性。而要使平面柵達到溝槽柵的速度，就需要更大的動力，這在技術上意味著需要更薄的柵極氧化層，這也就意味著平面柵在實現高可靠性方面面臨著極大的挑戰。因此，英飛凌通過使用更高的篩選電壓和更厚的氧化層，確保了更高的可靠性，而平面柵則難以做到這一點。
第二個常見誤區是關于碳化硅的性能評價。關于碳化硅性能的評價原則，沈璐建議放棄單一的“單位面積導通電阻(Rsp)”評價標準，而是更關注包括開關損耗、導通損耗、封裝熱阻/雜感、魯棒性及可靠性在內的多元化綜合考量體系。因為在光伏、儲能、充電樁等實際應用中，碳化硅高頻開關帶來的開關損耗開始越來越接近，甚至超過導通損耗。另一方面，隨著溫度的升高，溝槽柵導通電阻高溫漂移是碳化硅的物理特性，英飛凌為用戶提供了非常詳盡的設計參數，可以幫助設計工程師用足器件性能。此外，功率器件模塊的封裝熱阻/雜感優化，對于增加功率轉換效率和密度、保持功率輸出和頻率振蕩穩定性也起到重要的作用。因此，多元化評價體系將更加客觀。
因此，碳化硅性能評價是多元化的，既需要考慮導通損耗、開關損耗、雜散電感、封裝熱阻，還要考慮魯棒性和可靠性。高溫漂移則是碳化硅物理特性的表現，英飛凌提供了詳盡的設計參數，幫助設計工程師充分利用每個器件，避免浪費。
沈璐最后總結說：“我想一個真正穿越過周期的企業，不但要看護好眼下的利益，更要目光長遠，布局未來。為此，在我們碳化硅業務的策略上我們還要繼續三個持續：持續布局，步履不停；持續創新，超越期待；持續深耕，穿越周期。我們也要保持定力，做對的事，而不是容易的事。堅持溝槽柵技術，堅持對可靠性的承諾，堅持對于供應鏈多元化管理的上游供應鏈選擇。”
不斷創新，推動低碳化的高性能系統
英飛凌通過不斷的技術創新，不僅在溝槽柵技術，還在封裝技術、工藝水平上取得了顯著的進步。陳立烽介紹說：“D2PAK封裝形式中，.XT封裝技術相較于標準焊接，熱阻值可從0.68K/W降低到0.5K/W，熱阻表征值也能從0.28 K/W降到0.18 K/W，這是一個相當可觀的降低幅度。”而在工藝水平方面，英飛凌發布的冷切割技術旨在更充分地利用材料，特別是在工藝器件生產的減薄環節中。傳統的減薄過程往往會導致材料被磨削掉，造成不必要的浪費。英飛凌的冷切割技術有效地解決了這一問題，推進了器件、封裝及整體工藝的發展。
英飛凌在碳化硅技術領域的發展從未停歇，特別是在CoolSiCTM MOSFET系列產品上，從第一代到第二代，英飛凌持續致力于降低損耗、提高散熱性能和可靠性，不斷推進技術的精進。據介紹，CoolSiCTM MOSFET G2在繼承第一代產品特性的基礎上，進行了深度優化和提升。在TO-247封裝上，英飛凌進行了優化，使得產品系列得到了更大的擴充。CoolSiCTM MOSFET G2系列的電阻范圍從7毫歐到78毫歐，其中7毫歐的產品在業界工藝密度上處于領先地位。相比CoolSiCTM MOSFET G1，CoolSiCTM MOSFET G2擁有更低的損耗、更好的散熱性能、更易用性以及更寬的VGS范圍。
英飛凌通過最佳優值（FOM）來衡量損耗，并關注不同系統應用下的性能。CoolSiCTM MOSFET G2產品在RDSON*QGD品質因素上表現出色，這一因素表征了開關損耗。在硬開關應用中，QGD的影響尤為重要，而英飛凌的CoolSiCTM MOSFET G2產品在整個系列中展現出最低的驅動損耗。通過系統優化，英飛凌在半橋拓撲測試中實現了99.11%的高效率。
英飛凌強調產品的一致性，特別是在VGS(th)門極電壓分布上。這種一致性確保了系統性能的穩定性，尤其在并聯應用中。英飛凌的產品在溫度特性上也表現出更好的一致性，這在并聯時尤為重要。正溫度系數的導通電阻在并聯時能夠自動適應，這是英飛凌產品的一大特點。此外，CoolSiCTM MOSFET G2產品增強了對抗米勒效應的能力，減少了誤導通即寄生導通的風險。英飛凌的測試表明，其產品在抗寄生導通能力上優于其他廠商。這使得設計更簡單，系統可靠性更高，減少了因寄生導通導致的上下管支撐的危險情況。
回顧2024，展望2025，于代輝表示：“回顧英飛凌大中華區的工業與基礎設施業務的整體發展，2024年無疑是充滿挑戰與不平凡的一年，很多行業都面臨著高庫存的壓力，所以市場因此略顯疲軟。然而，展望2025年，我認為將是迎來光明的一年。盡管目前尚未能即刻見證，但無論是去庫存的進程，還是市場的恢復正?；蛘吒咚僭鲩L，種種跡象均表明，當前市場正處于筑底階段，并且隨時都有可能迎來反彈。因此我們對2025年充滿期待，同時也做好了充分的心理準備。從長期來看，2030年、2060年的低碳目標無疑是明確且堅定的，這一發展趨勢將持續穩健的推進，而相應的市場需求也始終存在。”
