功率器件的新風(fēng)與舊熱——碳化硅與IGBT

隨著新能源汽車(chē)、工業(yè)、光伏、儲(chǔ)能等行業(yè)的迅猛發(fā)展，功率器件領(lǐng)域也在不斷迭代升級(jí)。其中，碳化硅技術(shù)近幾年備受關(guān)注，國(guó)際廠商的出貨量迅速上升，國(guó)內(nèi)廠商紛紛重金投入。與此同時(shí)，碳化硅在多個(gè)領(lǐng)域中替代IGBT的呼聲也愈發(fā)變大。

IGBT的余熱尚未散去，碳化硅的新風(fēng)已經(jīng)刮來(lái)。在這樣的大背景下，與非網(wǎng)特別邀請(qǐng)了安森美和英飛凌參與本次功率器件專題月采訪，期望了解頭部企業(yè)在該領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及如何在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。

業(yè)內(nèi)人士細(xì)談碳化硅替代硅基IGBT可行性

眾所周知，硅基功率半導(dǎo)體的代表——IGBT技術(shù)，在進(jìn)一步提升性能方面遇到了一些困難。開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來(lái)越小，于是業(yè)界開(kāi)始希望SiC能夠成為顛覆性的技術(shù)。

對(duì)此，英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)陳子穎認(rèn)為，這樣的看法有一定局限性。在他看來(lái)，硅基IGBT的技術(shù)仍在進(jìn)步，尤其是英飛凌自己。伴隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，IGBT器件的性能和功率密度越來(lái)越高。同時(shí)，針對(duì)不同應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和性價(jià)比。英飛凌的TRENCHSTOP? IGBT 7便是典型的例子。

因此，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展進(jìn)程，還是需要與硅器件相伴而行，在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，還有針對(duì)不同應(yīng)用的大規(guī)模商業(yè)化價(jià)值因素的考量，指望第三代器件很快在所有應(yīng)用場(chǎng)景中替代硅器件是不現(xiàn)實(shí)的。在未來(lái)數(shù)年中，不同的半導(dǎo)體技術(shù)將并存于市場(chǎng)中，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中分別具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

陳子穎還認(rèn)為，SiC MOSFET發(fā)展目前尚處于起步階段，未來(lái)新應(yīng)用的出現(xiàn)和市場(chǎng)潛力的發(fā)掘，將推動(dòng)以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。至于在這個(gè)過(guò)程中如何提高器件的利用率和市場(chǎng)滲透率，封裝技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面的提升或?qū)⑵鸬讲恍〉挠绊憽?/p>

從英飛凌高功率密度的封裝、低寄生電感的模塊封裝，到基于增強(qiáng)型SiC MOSFET芯片技術(shù)單管，采用.XT技術(shù)的單管等等，都體現(xiàn)了其在功率半導(dǎo)體，尤其是工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用方向上幾十年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)和積累。

安森美中國(guó)區(qū)汽車(chē)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師夏超則表示，受益于中高端電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的第三代半導(dǎo)體器件處于加速階段。目前，碳化硅器件的成本仍然是略高于硅基功率器件，但得益于各家碳化硅廠商產(chǎn)能擴(kuò)張目標(biāo)的陸續(xù)實(shí)現(xiàn)，碳化硅的價(jià)格正在快速降低。由于電動(dòng)汽車(chē)在大部分運(yùn)行周期內(nèi)是處于低功率運(yùn)行狀態(tài)，因此碳化硅器件在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)揮其低損耗特性，正在取代傳統(tǒng)的硅器件，未來(lái)也將逐步擴(kuò)散到如車(chē)用充電樁、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

夏超強(qiáng)調(diào)，安森美目前重點(diǎn)著力于電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)用充電樁/器、可再生能源、5G四個(gè)市場(chǎng)，旨在為客戶提供全方位解決方案。目前來(lái)看，在不同的細(xì)分市場(chǎng)，碳化硅跟硅基器件是一個(gè)很好的互補(bǔ)，也是價(jià)格與性能的一個(gè)平衡。

隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，以及成本的降低，最終會(huì)慢慢取代部分硅基產(chǎn)品成為主流方案。碳化硅芯片可以工作在更高的溫度(175℃至200℃)，結(jié)溫超過(guò)175℃的碳化硅方案將能在更高的功率密度下工作，從而比硅基替代方案的性價(jià)比更高，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠更加靈活地選擇滿足應(yīng)用需求的高性價(jià)比方案。

面對(duì)國(guó)際廠商在碳化硅領(lǐng)域的快速出貨，雖然陳子穎和夏超認(rèn)為所處的發(fā)展階段不同，但英飛凌和安森美對(duì)于碳化硅布局的持續(xù)性都很重視，區(qū)別在于英飛凌依然很重視硅基IGBT的技術(shù)發(fā)展，并選擇雙管齊下；而安森美的側(cè)重點(diǎn)更偏向碳化硅，并堅(jiān)信在部分領(lǐng)域，碳化硅對(duì)于IGBT的替代會(huì)逐步進(jìn)行。因此，目前就談碳化硅完全替代硅基IGBT或許為時(shí)尚早。

大廠的產(chǎn)能布局

基于已簽署的眾多戰(zhàn)略協(xié)議，安森美的碳化硅工廠當(dāng)前正在有序擴(kuò)產(chǎn)。如近期與寶馬集團(tuán)等國(guó)際一線車(chē)廠陸續(xù)達(dá)成戰(zhàn)略合作。夏超認(rèn)為，安森美產(chǎn)能的擴(kuò)張既有增量需求，如電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，也包含對(duì)已有的IGBT器件的存量替代，如光伏發(fā)電及儲(chǔ)能等領(lǐng)域。隨著產(chǎn)能的進(jìn)一步提升，市場(chǎng)價(jià)格的進(jìn)一步降低，碳化硅器件將會(huì)助力構(gòu)建一個(gè)更為清潔綠色的家園。

同樣，英飛凌在擴(kuò)產(chǎn)能方面也毫不落后，預(yù)計(jì)到2027年，英飛凌的碳化硅產(chǎn)能將增長(zhǎng)10倍，屆時(shí)其碳化硅業(yè)務(wù)的銷(xiāo)售額將增長(zhǎng)至約30億歐元。英飛凌的目標(biāo)是，通過(guò)大幅擴(kuò)展產(chǎn)能，在未來(lái)十年內(nèi)將公司在碳化硅領(lǐng)域的市場(chǎng)份額提高到30%。

為了確保供應(yīng)安全，英飛凌依靠廣泛的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)和與不同合作伙伴在雙邊層面上開(kāi)展的眾多合作。英飛凌還宣布，將投資20多億歐元在居林新建一個(gè)廠區(qū)，用于擴(kuò)大碳化硅和氮化鎵產(chǎn)能外，同時(shí)，英飛凌對(duì)其菲拉赫工廠現(xiàn)有硅設(shè)備進(jìn)行改造，將現(xiàn)有的6英寸和8英寸硅生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換為碳化硅和氮化鎵生產(chǎn)線，以增加菲拉赫工廠的碳化硅和氮化鎵產(chǎn)能。

碳化硅的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及發(fā)展歷程

在對(duì)碳化硅長(zhǎng)達(dá)30多年的研究中，英飛凌的技術(shù)打磨和沉淀，最終體現(xiàn)在具體的產(chǎn)品和技術(shù)上，典型的就是英飛凌CoolSiC? MOSFET，它可以簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少器件數(shù)量，降低損耗，提高功率密度。

CoolSiC? MOSFET 芯片面積比IGBT小很多，大約是IGBT與續(xù)流二級(jí)管之和的五分之一；在耐高壓方面則可以通過(guò)提高系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度；在可靠性和質(zhì)量保證方面，能很好地規(guī)避平面柵的柵極氧化層可靠性問(wèn)題，同時(shí)功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動(dòng)汽車(chē)充電、燃料電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域都有相應(yīng)的應(yīng)用。

相對(duì)而言，安森美的技術(shù)和產(chǎn)品更加集中在汽車(chē)半導(dǎo)體領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)領(lǐng)域的M3系列碳化硅功率模塊，及后續(xù)更大性能提升的M3e系列。在碳化硅設(shè)計(jì)生產(chǎn)方面，安森美擁有近20年的經(jīng)驗(yàn)積累，目前已發(fā)布了三代碳化硅 MOSFET，每一代都針對(duì)一種特定的應(yīng)用：

M1基于Square cell結(jié)構(gòu)，適用于工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用，針對(duì)在20 kHz范圍內(nèi)運(yùn)行的最低導(dǎo)通損耗和穩(wěn)定可靠性進(jìn)行了優(yōu)化；M2系列應(yīng)用了Hex cell結(jié)構(gòu)，涵蓋同類(lèi)型但電壓較低的應(yīng)用，具有針對(duì)這些電壓優(yōu)化的新型晶胞結(jié)構(gòu)；M3系列采用了Strip cell結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用；下一代安森美將采用Trench cell結(jié)構(gòu)，其性能還將得到進(jìn)一步提升。用安森美的話說(shuō)，其所有的碳化硅器件都已達(dá)到最高的可靠性水平，并已完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

在功率器件領(lǐng)域，安森美一方面對(duì)于硅基器件及碳化硅器件都擁有從基底，晶圓，單管，模塊到系統(tǒng)級(jí)的完整解決方案。另一方面，安森美近年來(lái)依然在不斷投入優(yōu)化碳化硅器件的溝槽設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)和制程工藝，已經(jīng)使終端產(chǎn)品在轉(zhuǎn)換效率、功率密度和成本控制方面有了大幅的提高。同時(shí)硅基器件也在進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)以滿足新的應(yīng)用需求。

在交叉互補(bǔ)中前行

安森美中國(guó)區(qū)汽車(chē)碳化硅現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師牛嘉浩總結(jié)道，新技術(shù)的發(fā)展并不意味著原有技術(shù)的消亡，這是一個(gè)迭代的過(guò)程。雖然碳化硅崛起迅速，在一些應(yīng)用中替代硅基器件是主流趨勢(shì)，但是硅基功率器件目前仍然占據(jù)大部分的市場(chǎng)，并且有著自身的優(yōu)勢(shì)，短時(shí)間內(nèi)并不會(huì)退出舞臺(tái)。

總之，從安森美及英飛凌對(duì)于IGBT和碳化硅的態(tài)度來(lái)看，硅基IGBT本身的存量市場(chǎng)還很大，而碳化硅器件也尚處于偏早期的發(fā)展階段，不論是起步還是加速出貨，兩者的市場(chǎng)總量還有一定差距，且兩者并非零和博弈，甚至有不少新的應(yīng)用領(lǐng)域，需要兩者共同發(fā)揮，在交叉互補(bǔ)中前行。IGBT余熱尚未散去，碳化硅新風(fēng)徐徐刮起。