碳化硅功率器件的未來(lái)趨勢(shì)是朝著尺寸縮小的方向發(fā)展。

深圳市森國(guó)科科技股份有限公司董事長(zhǎng)楊承晉在2023第四屆第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇中，作了《碳化硅功率器件的應(yīng)用機(jī)會(huì)及未來(lái)》的主題演講。

楊承晉董事長(zhǎng)主要圍繞碳化硅功率器件、碳化硅器件的未來(lái)應(yīng)用做了分享。

?碳化硅材料優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于第一代（硅基）半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體禁帶寬度大，電導(dǎo)率高、熱導(dǎo)率高。第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度是第一代和第二代半導(dǎo)體禁帶寬度的近3倍，具有更強(qiáng)的耐高壓、高功率能力。

碳化硅更適合作為襯底材料。在高壓和高可靠性領(lǐng)域選擇碳化硅外延，在高頻領(lǐng)域選擇氮化鎵外延。

碳化硅襯底器件體積小。由于碳化硅具有較高的禁帶寬度，碳化硅功率器件可承受較高的電壓和功率，其器件體積可變得更小，約為硅基器件的1/10。碳化硅器件電阻更小。同樣由于碳化硅較高的禁帶寬度，碳化硅器件可進(jìn)行重?fù)诫s，碳化硅器件的電阻將變得更低，約為硅基器件的1/100。

碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉(zhuǎn)換頻率下，400V電壓時(shí)，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的29%-60%之間；800V時(shí)，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。

碳化硅器件特性

碳化硅器件在具體應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出的特性是:1、耐高溫:硅基材料120°C場(chǎng)景需要散熱，使用SiC在175°C結(jié)溫不需要散熱，可承受600°C以上高溫環(huán)境。2、高壓大功率:二極管600-1700V，MOS管800-3300V，如新能源車(chē)直流快充僅15分鐘可完成80%。3、高頻率:能量損耗減少了四分之三，轉(zhuǎn)化率高，如提升了新能源車(chē)5%-10%續(xù)航能力。4、小體積:因?yàn)樽杩剐?，同性能的碳化硅器件尺寸縮小到硅基的十分之一，模組尺寸更大幅縮小。未來(lái)在高壓、高頻、大功率、環(huán)境惡劣的場(chǎng)景下，碳化硅器件將逐漸替代硅基器件。

如何突破功率半導(dǎo)體器件性能天花板?

為了突破功率半導(dǎo)體器件性能天花板，需要發(fā)力的幾個(gè)點(diǎn)是：高耐壓:在大功率應(yīng)用中，耐壓能力是一個(gè)重要的硬指標(biāo)；高頻率:更高的開(kāi)關(guān)頻率不僅能夠提升功率器件自身的性能，還能夠帶來(lái)一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，就是允許使用更小的外圍元件，進(jìn)而減小系統(tǒng)整體的尺寸；高可靠:由于要承載更高的功率密度，所以功率器件需要耐高溫，具有更高的熱穩(wěn)定性，以及對(duì)抗過(guò)流過(guò)壓等瞬變的能力。低功耗:影響功率器件功耗的因素有很多，以一個(gè)功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復(fù)過(guò)程相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗、與正向壓降 VF相關(guān)的正向?qū)〒p耗，以及反向漏電流帶來(lái)的反向損耗。

根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到 2027 年,SiC 器件市場(chǎng)將從 2021 年的 10 億美元業(yè)務(wù)增長(zhǎng)到 60 億美元以上，主要包括新能源汽車(chē)、泛新能源市場(chǎng)。

碳化硅的應(yīng)用

碳化硅應(yīng)用-新能源汽車(chē)

新能源汽車(chē)從400V平臺(tái)向800V平臺(tái)躍遷已是業(yè)內(nèi)共識(shí)，可使汽車(chē)電池在10分鐘內(nèi)充滿80%電量，解決“里程焦慮”和“充電焦慮”。SiC逆變器使得電源頻率增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，相同功率下轉(zhuǎn)矩減小，體積減小。800V 架構(gòu)時(shí)代來(lái)臨，SiC 在高壓下較IGBT 性能優(yōu)勢(shì)更為明顯，損耗降低度更大。SiC 在新能源車(chē)主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。

如今新能源汽車(chē)使用碳化硅器件已經(jīng)蔚然成風(fēng)：

2018年特斯拉從Moldel 3開(kāi)始大規(guī)模采用SiC功率器件。2019年，保時(shí)捷率先量產(chǎn)800V高電壓平臺(tái)電動(dòng)車(chē)Taycan，其最大充電功率可達(dá)270kW。2020年，現(xiàn)代集團(tuán)發(fā)布E-GMP平臺(tái)，搭載400V/800V超高壓充電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)充電5分鐘續(xù)航100km。2021年，奧迪發(fā)布PPE平臺(tái)的A6e-tron概念車(chē)，搭載800V高壓電氣系統(tǒng)。2021年，比亞迪發(fā)布e平臺(tái)3.0，該平臺(tái)具備800V高壓閃充技術(shù)，最高可實(shí)現(xiàn)充電5分鐘續(xù)航150km。2021年，北汽極狐發(fā)布極狐aSHi版，具備800V 充電架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)10分鐘補(bǔ)充196公里續(xù)航的電量。2021年10月，小鵬汽車(chē)公布首個(gè)量產(chǎn)的800V高壓SiC平臺(tái)，充電5分鐘最高可補(bǔ)充續(xù)航200公里。

碳化硅應(yīng)用-光伏逆變

預(yù)計(jì)到2025年時(shí)，全球光伏新增裝機(jī)量有望增加至287GW，2019-2025年間復(fù)合增長(zhǎng)率為16.40%。其中逆變器市場(chǎng)需求將大幅增長(zhǎng)。

SiC MOSFET或SiC MOSFET+SiCSBD模組的光伏逆變器能將轉(zhuǎn)換效率由96%提升至99%以上，能量損耗可降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。對(duì)于100kW的太陽(yáng)能逆變器，其平均需要30-50顆SiC器件。二極管與三極管比例在4:1與5:1之間。據(jù)CASA預(yù)測(cè)，2025年光伏逆變器中SiC器件價(jià)值占比將增長(zhǎng)至50%。

碳化硅應(yīng)用-儲(chǔ)能

2021-2025年電力系統(tǒng)用儲(chǔ)能裝機(jī)需求分別為 117、190、274、367和507GWh，需求年平均增速約為83.34%。2021年儲(chǔ)能逆變器(PCS)和能量管理系統(tǒng)(EMS) 價(jià)格按照0.8元/W計(jì)算，2025年每年價(jià)格下降8%，則分別為234、349、463、571、726億市場(chǎng)空間。其中功率器件占比5%左右，將有11.7億、17.5億、23.1億、28.5億、36.3億的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

碳化硅應(yīng)用-充電樁

2020年，全球充電樁市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1925.32百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到5923.22百萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為16.84%。中國(guó)2020年市場(chǎng)規(guī)模為1131.52百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到3247.44百萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為15.63%。中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，載至2022年3月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計(jì)上報(bào)公共類(lèi)充電樁123.2萬(wàn)臺(tái)，其中直流充電樁50.2萬(wàn)臺(tái)。從2021年4月到2022年3月，月均新增公共類(lèi)充電樁約3.2萬(wàn)臺(tái)。

隨著新能源汽車(chē)從400V向800V躍遷，直流充電采用的是高電壓大功率充電，電壓從1000V向1400V演進(jìn)，并開(kāi)始采用SiC MOS模塊，功率達(dá)到30-40KW。

SiC功率器件的未來(lái)

提高器件的可靠性和效率

1、提高材料質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性:碳化硅功率器件生產(chǎn)過(guò)程中需要控制材料質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性，尤其是在制造高質(zhì)量晶體時(shí)。此外，還需要采用先進(jìn)的微細(xì)加工技術(shù)，提高器件的精度和一致性，從而提升器件的可靠性和效率。

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu): 在碳化硅功率器件設(shè)計(jì)方面，需要考慮材料的特性和應(yīng)用場(chǎng)景的要求，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。同時(shí)，還需要通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化減少能量損失和熱效應(yīng)，優(yōu)化器件的電熱特性和穩(wěn)定性。

3、改進(jìn)封裝技術(shù):碳化硅功率器件的封裝方式對(duì)器件的性能和可靠性影響很大。因此，需要優(yōu)化封裝材料和結(jié)構(gòu)，提高溫度承受能力和抗電氣應(yīng)力能力。此外，還需要采用先進(jìn)的封裝工藝，提高封裝可靠性和耐久性。

器件尺寸縮小

碳化硅功率器件的未來(lái)趨勢(shì)是朝著尺寸縮小的方向發(fā)展。針對(duì)此趨勢(shì)，可以從以下方面進(jìn)行更深入的探討：

1.更小的芯片尺寸

碳化硅器件尺寸的縮小，可以通過(guò)采用更先進(jìn)的制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)是在不增加器件大小的情況下提高芯片功率密度和效率。隨著尺寸的縮小，碳化硅器件的電路集成度不斷提高。高集成度的器件可以帶來(lái)更低的損耗和更小的體積，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)更高的性能。

2.更高的工作溫度

碳化硅器件的尺寸縮小還可以降低器件的熱阻，使得器件能夠在更高的溫度下正常工作。這對(duì)于一些高溫工作條件下的應(yīng)用非常有益，例如航空航天、軍事和汽車(chē)行業(yè)等。

降低成本

碳化硅功率器件隨著市場(chǎng)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，降低成本是未來(lái)大趨勢(shì)，可以從以下方面進(jìn)行更深入的探討：

更大尺寸的襯底，比如6寸到8寸；更高效的村底長(zhǎng)晶效率，大幅度提升良率;更低損耗的水冷激光切割;更高效的外延生長(zhǎng)效率;進(jìn)一步擴(kuò)大晶圓代工的生產(chǎn)規(guī)模，以規(guī)?；档蜕a(chǎn)成本。

編輯：黃飛

?