英飛凌碳化硅產(chǎn)品創(chuàng)新的四大支柱綜述(二)

本文是作者2024年“第十八屆中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)半導(dǎo)體分立器件年會(huì)”演講稿第二部分，第一部分請(qǐng)見《英飛凌碳化硅SiC技術(shù)創(chuàng)新的四大支柱綜述（一）》。

英飛凌SiC技術(shù)創(chuàng)新到豐富產(chǎn)品的四大支柱

SiC技術(shù)創(chuàng)新到豐富產(chǎn)品的四個(gè)支柱簡單講，就是技術(shù)，質(zhì)量，產(chǎn)量和產(chǎn)品。

技術(shù)優(yōu)勢

要做好碳化硅MOSFET，在技術(shù)上需要做好兩件事情：

性能穩(wěn)定的體二極管

垂直結(jié)構(gòu)的功率MOSFET（如CoolSiC?器件）通過體二極管提供反向?qū)窂剑梢杂米?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1581888.html">變流器中的續(xù)流二極管。由于SiC的寬帶隙，該二極管的轉(zhuǎn)折電壓VT約為3V，相對(duì)較高。這意味著完全依賴其續(xù)流，連續(xù)工作將導(dǎo)致高導(dǎo)通損耗。

為了提高變流器效率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)利用單極性器件的優(yōu)勢，采用同步整流來續(xù)流以降低導(dǎo)通損耗，但死區(qū)時(shí)間內(nèi)二極管的特性和表現(xiàn)依然很重要。

由于SiC MOSFET是高速器件，死區(qū)時(shí)間可以設(shè)計(jì)得很短，應(yīng)用電路中的典型死區(qū)時(shí)間在150ns至1μs之間。較短的死區(qū)時(shí)間可以顯著減少反向恢復(fù)損耗、過電壓和相關(guān)的振蕩行為。條件是體二極管的特性和得當(dāng)?shù)耐獠?a class="article-link" target="_blank" href="/design/">電路設(shè)計(jì)，如驅(qū)動(dòng)電路采用EiceDriver?磁隔驅(qū)動(dòng)器，SiC MOSFET可以在非?？斓?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%80%E5%85%B3/">開關(guān)速度下工作。

對(duì)于SiC MOSFET，在最大工作溫度和電流下，體二極管關(guān)斷期間，大量的雙極電荷存儲(chǔ)在體二極管中，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。器件中和外部電路的寄生電感會(huì)抑制電流變化，導(dǎo)致體二極管的dv/dt很高，以導(dǎo)致電場迅速掃除漂移區(qū)中的自由載流子。如果在器件電流自然降低到零之前發(fā)生這種情況，那么，剩余的器件電流可能會(huì)在高di/dt下瞬變，并導(dǎo)致器件出現(xiàn)不希望的過沖電壓和發(fā)生跳變（snap-off）效應(yīng)。

體二極管的反向恢復(fù)特性在應(yīng)用環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生各種損耗、振蕩和電磁兼容性問題。參考微信文章：深入剖析高速SiC MOSFET的開關(guān)行為。

柵極氧化層的可靠性

英飛凌CoolSiC?溝槽型MOSFET具備優(yōu)異的柵極氧化層可靠性，生產(chǎn)工藝和質(zhì)檢流程經(jīng)過20余年不斷優(yōu)化，讓芯片和封裝始終保持領(lǐng)先優(yōu)勢，2016年上市8年來質(zhì)量一直很穩(wěn)定。

碳化硅MOSFET和二極管的性能已在光伏逆變器、電動(dòng)汽車充電和電動(dòng)汽車等各種應(yīng)用中得到驗(yàn)證，是大家公認(rèn)的。

盡管如此，基于碳化硅的MOSFET產(chǎn)品在性能，成本上有進(jìn)一步提高潛力，芯片設(shè)計(jì)中要在性能、堅(jiān)固性和可靠性之間選擇適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

MOSFET器件追求低的導(dǎo)通電阻，型號(hào)命名就是按照電阻值命名的，在相同芯片面積下實(shí)現(xiàn)更小的導(dǎo)通電阻，這樣器件的成本就更低。但設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)還需要考慮與實(shí)際電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的其他各個(gè)方面，例如足夠的可靠性，包括柵極氧化層的可靠性、防寄生導(dǎo)通的抗干擾能力，驅(qū)動(dòng)易用性，高的VGSth以及可靠地0V關(guān)斷的能力。

英飛凌很早就決定投資開發(fā)溝槽這一工藝復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

由于碳化硅晶體的各向異性，與碳化硅水平界面相比，垂直界面上的SIC-SIO2缺陷密度較低,這使得柵氧化物可靠性更容易控制，這是獲得類似于硅的可靠性的不可多得的先決條件。

其次，溝槽技術(shù)的有很多好處，非常適合未來的技術(shù)發(fā)展路線圖，在半導(dǎo)體制造過程中，垂直比橫向更容易控制，功率密度更高，現(xiàn)代硅器件發(fā)展趨勢是溝槽柵，溝槽柵MOSFET已經(jīng)取代了平面柵MOSFET。

關(guān)于碳化硅可靠性是一個(gè)很大的話題，我們有《英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導(dǎo)體器件的可靠性》一本3萬字的白皮書，JEDEC也陸續(xù)出版了關(guān)于碳化硅可靠性的出版物JEP。

JEP184用于電力電子變換的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體器件偏置溫度不穩(wěn)定性評(píng)估指南 2021年3月

JEP194碳化硅功率MOSFET柵極氧化層可靠性和穩(wěn)健性評(píng)估程序指南 2023年2月

JEP195用于電力電子變換的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體器件柵極開關(guān)不穩(wěn)定性評(píng)估指南 2023年2月

質(zhì)量優(yōu)勢

CoolSiC?是最可靠的碳化硅技術(shù)。

高質(zhì)量和高可靠性可以從4個(gè)方面看，除了已經(jīng)提到的柵極氧化可靠性和穩(wěn)定的體二極管，從生產(chǎn)角度講還有生產(chǎn)工藝的開發(fā)和以應(yīng)用為中心的質(zhì)檢流程，輔以針對(duì)SiC的特定篩選措施確保卓越質(zhì)量。JEDEC出版物，SiC MOSFET評(píng)估指南標(biāo)題都冠以“用于電力電子變換的”。

產(chǎn)量優(yōu)勢

產(chǎn)量是半導(dǎo)體行業(yè)最重要的三個(gè)競爭優(yōu)勢之一，技術(shù)和產(chǎn)品，產(chǎn)量（產(chǎn)能）和應(yīng)用服務(wù)。

我們碳化硅前道和后道都是有自有產(chǎn)線支持，便于控制質(zhì)量、交貨和工藝開發(fā)。

穩(wěn)定生產(chǎn)和供應(yīng)鏈保障，英飛凌是從三個(gè)方面著手：

1.全球多渠道碳化硅晶圓和晶錠采購戰(zhàn)略，與知名供應(yīng)商密切合作，不斷篩選培育市場上的新供應(yīng)商

2.提高生產(chǎn)效率，降低成本，收購 SILTECTRA?公司實(shí)現(xiàn)冷切割技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，可在切割晶圓工藝過程中將損耗降至最低

3.投資內(nèi)部生產(chǎn)能力，擴(kuò)大奧地利菲拉赫和馬來西亞居林的碳化硅產(chǎn)能

英飛凌簽了5家晶圓和晶錠供應(yīng)商，其中2家來自中國。

從供應(yīng)商的發(fā)展?jié)摿砜?，目前?家供應(yīng)商的市場份額為80%，預(yù)測為幾年后產(chǎn)能為3400kpcs，增長為260%。山東天岳和天科合達(dá)這些市場新秀產(chǎn)能將成倍增長，份額將達(dá)到30%。

產(chǎn)品優(yōu)勢

英飛凌按照客戶和應(yīng)用的需求開發(fā)產(chǎn)品，現(xiàn)已有7個(gè)電壓等級(jí)，在英飛凌官網(wǎng)上你能找到294個(gè)SiC MOSFET產(chǎn)品，405個(gè)各種驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品（截止到2024年12月），還有很多評(píng)估板。

我們功率半導(dǎo)體產(chǎn)量是最大的，IGBT單管和模塊的全球市場份額都是第一。

CoolSiC?進(jìn)入到第二代G2產(chǎn)品

英飛凌已經(jīng)推出第二代碳化硅MOSFET產(chǎn)品，G2的性能優(yōu)化改善有四個(gè)維度，這一頁的數(shù)據(jù)是以1200V，26和30毫歐為例。

這4個(gè)維度都和RDSON相關(guān)：

1.光伏，儲(chǔ)能，電動(dòng)汽車充電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)這類應(yīng)用會(huì)用到硬開關(guān)電路，RDSONxQGD?(mΩ*μC)很重要，G2有了明顯地提升, 領(lǐng)先于第二名17%。

2.軟開關(guān)中追求低的RDSONxQOSS?(mΩ*μC)，目前大家水平差不多，我們第二代也是最好的，領(lǐng)先于第二名7%。

3.在輕載應(yīng)用，為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，要考慮?RDSONxEOSS(mΩ*μJ)，我們第二代也是最好的，領(lǐng)先于第二名4%。

4.RDSxQG(mΩ*μC)是典型的MOSFET考核指標(biāo)，值越低所需要的驅(qū)動(dòng)功率越小，可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，領(lǐng)先第二名友商12%。

CoolSiC? MOSFET性能更加出色：

G2與G1的比較

英飛凌已經(jīng)在陸陸續(xù)續(xù)推出第二代的碳化硅產(chǎn)品，其性能在各方面有了長足的提升。

1.提高芯片性能：英飛凌產(chǎn)品是針對(duì)特定應(yīng)用要求優(yōu)化，所以看芯片性能提升也應(yīng)該在典型負(fù)載使用情況下，在典型負(fù)載使用情況下，功率損耗降低5%~20%

2..XT封裝互連技術(shù)使用擴(kuò)散焊工藝，改進(jìn)了的芯片和封裝基板之間的焊接技術(shù)。與以前的標(biāo)準(zhǔn)焊接技術(shù)相比，.XT連接技術(shù)將焊料層的厚度大大減小，同時(shí)，擴(kuò)散焊也大大降低了空洞的概率，這都直接有利于熱阻（RthJC）的降低。

第二代G2 SiC MOSFET結(jié)殼熱阻Rth,j-c可降低12%，因此可以在保持相同的溫升時(shí)輸出更大的電流，或者在結(jié)溫上升較低時(shí)保持相同的電流能力。也有可能在兩者之間取得平衡，從而降低溫升和提高輸出電流。這不僅提高了系統(tǒng)的輸出電流能力，而且延長了器件的使用壽命。

3.同類最佳的RDS(on)，市場上最精細(xì)的產(chǎn)品組合。D2PAK封裝有12個(gè)型號(hào)實(shí)現(xiàn)了最佳產(chǎn)品選擇，1200V G1最大規(guī)格為30mΩ，而G2最大規(guī)格8mΩ。TO247通孔封裝G2最大規(guī)格可達(dá)7mΩ。

4.過載運(yùn)行溫度高達(dá)Tvj=200°C，這比上一代提升了寶貴的25°C，提高了器件輸出電流能力。

5.一些技術(shù)細(xì)節(jié)還包括，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的高溫下最大RDS(on)，提高了最大柵極-源極電壓到+23V，短路額定值2us，并具有雪崩穩(wěn)健性等。

G2產(chǎn)品：