隨著新能源汽車的逐漸升溫，碳化硅摩拳擦掌，似乎要挑戰(zhàn)逆變器功率器件IGBT 的霸主地位。市場(chǎng)方面，領(lǐng)頭羊 CREE 與大眾等數(shù)家公司簽署長(zhǎng)期供貨協(xié)議，并于 2019 年宣布未來(lái) 5 年投資 10 億美元擴(kuò)展襯底產(chǎn)線， ST 收購(gòu)Norstel55% 的股權(quán)，英飛凌、羅姆等半導(dǎo)體大廠，都在積極布局碳化硅。

但是，截止到目前，也僅有 Tesla Model 3 和比亞迪漢等寥寥無(wú)幾的車型在主逆變器上量產(chǎn)使用碳化硅，碳化硅挑戰(zhàn) IGBT 仍舊有一段路要走，僅僅是因?yàn)橘F嗎？

碳化硅的機(jī)遇

都快被媒體說(shuō)爛了，但是大多數(shù)人仍然搞不清楚碳化硅好在哪里，為什么好？

首先，要明確電動(dòng)汽車的痛點(diǎn) —— 續(xù)駛里程 。

提升續(xù)駛里程要么增加電池裝機(jī)量，要么降低損耗；電池成本居高不下，而且增加裝機(jī)量需要額外的空間，這時(shí)候降低損耗成為一個(gè)不錯(cuò)的突破口，那么碳化硅如何發(fā)揮？就逆變器而言，功率器件是核心能量轉(zhuǎn)換單元，其損耗包含兩部分， 導(dǎo)通損耗Econ和開關(guān)損耗Esw ，兩個(gè)維度分別與 IGBT 對(duì)比：

導(dǎo)通損耗 Econ

碳化硅 MOS 的核心參數(shù)是導(dǎo)通電阻 Rdson ，損耗功率是 I2*Rdson ；而 IGBT的關(guān)鍵參數(shù)是 Vcesat ，即導(dǎo)通壓降，這個(gè)值隨電流的上升變化不大，其損耗功率表示為 I*Vcesat。假如我們選用的碳化硅 MOS 和 IGBT 在某個(gè)電流 In 的時(shí)候達(dá)到相同的導(dǎo)通壓降，那么其導(dǎo)通損耗功率表示為下圖（近似）

很容易看出，碳化硅在電流比較小也就是輕載的工況下導(dǎo)通損耗優(yōu)勢(shì)是比較明顯的，再結(jié)合輕載工況開關(guān)損耗占比更大（碳化硅開關(guān)損耗也低），這也印證了為什么碳化硅更適合城市工況。因此逆變器應(yīng)用碳化硅MOS體現(xiàn)在效率Map上就是高效區(qū)面積比較大。另外，碳化硅 MOS 打開時(shí)雙向?qū)?，又?guī)避了 IGBT 模塊在續(xù)流時(shí)， FRD 的導(dǎo)通壓降比 IGBT 大的問(wèn)題，進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗。

開關(guān)損耗 Esw

第一： IGBT 模塊的 FRD 在開關(guān)過(guò)程中存在反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)電流一方面會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)安全工作區(qū)、電磁兼容等負(fù)面影響，另外也額外增加了反向恢復(fù)損耗；而碳化硅 MOS 則從材料及結(jié)構(gòu)本身的特性上決定其非常小的反向恢復(fù)電流；

第二： 功率器件開關(guān)損耗很大程度上是由于其開關(guān)速度決定的， IGBT 本身由于開通時(shí) FRD 的反向恢復(fù)過(guò)程，以及關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流，導(dǎo)致其開關(guān)速度受到限制，開關(guān)損耗相對(duì)較高；而碳化硅 MOS 更像是一個(gè)剛性開關(guān)，極快的開關(guān)速度帶來(lái)更低的開關(guān)損耗，當(dāng)然這里硬開關(guān)給系統(tǒng)帶來(lái)的干擾也是碳化硅 MOS 應(yīng)用一個(gè)需要特別關(guān)注的問(wèn)題。

系統(tǒng)效益

按照 WLTC 工況（更接近實(shí)際城市工況）續(xù)航能力的提升， PCIM Europe 上的一篇文章，基于 750V IGBT 模塊及 1200V 碳化硅模塊仿真顯示， 400V 母線電壓下，由 750V IGBT 模塊替換為 1200V 碳化硅模塊，整車損耗降低 6.9%；如果電壓提升至 800V ，整車損耗將進(jìn)一步降低 7.6%。

除效率優(yōu)勢(shì)外：

相同電壓、電流等級(jí)情況下，碳化硅MOS芯片面積比IGBT芯片要小，設(shè)計(jì)出的功率模塊功率密度更大，更小巧；

碳化硅芯片耐更高的溫度，理論上遠(yuǎn)超175℃；

高頻電源設(shè)計(jì)能夠縮小系統(tǒng)儲(chǔ)能器件的體積，例如大電感及大容量電容等。

碳化硅有那么多優(yōu)勢(shì)，在試圖攻陷 IGBT 市場(chǎng)的道路上，面臨哪些挑戰(zhàn)呢？

碳化硅的挑戰(zhàn)

價(jià)格

行業(yè)內(nèi)的人都很清楚，由于碳化硅襯底本身生產(chǎn)效率低，目前國(guó)際主流仍是4英寸和6英寸晶圓，從原材料面積及失效率層面，成本已經(jīng)比硅晶片高出許多，再加上后期芯片制造及器件封裝的低成品率，導(dǎo)致碳化硅器件價(jià)格居高不下，目前行業(yè)預(yù)測(cè)批量化價(jià)格仍舊是硅基IGBT的3~5倍。

當(dāng)然，按照半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律，隨著新能源汽車的應(yīng)用，供給端產(chǎn)能的布局，相信碳化硅器件的價(jià)格在未來(lái)幾年會(huì)有可觀的下降。

產(chǎn)業(yè)鏈

不少機(jī)構(gòu)分析，逆變器功率器件由 IGBT 替換成 SiC ，雖然逆變器成本上升，但是整車效率提升帶來(lái)的電池裝機(jī)量下降，從電池端把成本又省回來(lái)了，例如 80度電的中高端純電車型，按照 5% 的效率提升，可節(jié)省約 4 度電池裝機(jī)量，按照目前三元鋰電的成本，電池端可省四千來(lái)塊，何樂(lè)而不為？

這是個(gè)有意思的問(wèn)題。

一般對(duì)整車開發(fā)來(lái)說(shuō)，電池端的錢是省了，但是省下來(lái)的錢愿不愿意補(bǔ)貼給電驅(qū)Tier1 就不一定了，于是就存在了 Tier1 碳化硅電驅(qū)價(jià)格下不來(lái)，整車廠不愿意使用的尷尬局面。

于是，為什么率先使用碳化硅的是 Tesla 和比亞迪，他們自身 成熟的電驅(qū)、電池供應(yīng)鏈體系 不能不說(shuō)是非常重要的因素。

還有一點(diǎn)，碳化硅耐高壓的特性決定其在 800V 系統(tǒng)上有天然優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比更高，目前市場(chǎng)上充電樁及高壓組件仍以 400V 電壓為主，倒是許多歐洲追求高壓快充的跑車品牌試圖率先使用碳化硅。

技術(shù)層面

碳化硅 MOS 芯片本身而言，柵極氧化層的電場(chǎng)的問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)。

在應(yīng)用層面，碳化硅芯片雖然有比導(dǎo)通電阻小、耐高溫的優(yōu)勢(shì)，但是其封裝依然沿用硅器件的封裝，單管以 To-247-3 和 To-247-4 封裝為主，汽車上的模塊以 HP Drive 封裝作為過(guò)渡。

前邊說(shuō)到，碳化硅芯片面積更小，工作時(shí)開關(guān)速度更快，這就需要模塊封裝有更低的雜散參數(shù)和更高的散熱效率，而傳統(tǒng)的封裝模式恰恰成了限制碳化硅發(fā)揮的瓶頸：

鋁線綁定和內(nèi)部復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)帶來(lái)比較高的寄生電感寄生電容等問(wèn)題，在碳化硅的快速開關(guān)過(guò)程中帶來(lái)震蕩和干擾，鋁線綁定的熱循環(huán)可靠性較低；

傳統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)熱阻比較大，不能滿足碳化硅小面積高效散熱的需求；

像 HP Drive 這種大模塊封裝模式，封裝過(guò)程中單個(gè)芯片失效會(huì)導(dǎo)致整體失效，目前來(lái)看成品率還是比較低，成本較高

那什么才是碳化硅應(yīng)有的封裝？

碳化硅的方向

其實(shí) Model3 做了一個(gè)不錯(cuò)的榜樣，兩顆芯片并聯(lián)，采用低雜感小模塊的結(jié)構(gòu)， DBC 散熱并直接通過(guò)銀燒結(jié)工藝與散熱器結(jié)合，與單管相比，雜散參數(shù)、散熱能力以及可靠性都有了不錯(cuò)的提升。

那么方向基本確定：1、低雜感的封裝例如采用直接導(dǎo)線鍵合結(jié)構(gòu)代替引線鍵合，利用焊料將導(dǎo)線直接焊接到芯片表面，相對(duì)于引線鍵合可有效降低雜散電感，同時(shí)提升功率循環(huán)可靠性。

2、高散熱效率封裝

1）上邊說(shuō)的直接導(dǎo)線鍵合技術(shù)一定程度上能夠提高散熱效率；2）雙面水冷散熱技術(shù)或許會(huì)在未來(lái)一段時(shí)間成為碳化硅器件的主流。

3 ）單面直接水冷封裝， 類似于 Danfoss 的 Shower Power 3D 技術(shù)，散熱效率也是相當(dāng)可觀。

4 ）高散熱材料 Si3N4 陶瓷及銀燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用，可能會(huì)伴隨著碳化硅加快其應(yīng)用速度。

3、高溫封裝芯片的正面連接通過(guò)銅線來(lái)取代鋁線，能夠有效提高模塊高溫工作的可靠性。除此之外，銅帶、鋁帶等連接工藝具有更好的功率循環(huán)效果以及節(jié)流工藝，也成為未來(lái)解決上述問(wèn)題的新方法。

寫在最后

碳化硅的使用肯定會(huì)催生封裝技術(shù)的不斷改進(jìn)， 上邊列舉的是已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的方向，當(dāng)然還會(huì)有新封裝技術(shù)和新封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，更多發(fā)揮碳化硅的性能；最后的最后，碳化硅的耐高壓特性天然決定其高壓應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，隨著 高壓快充和整車 高壓技術(shù) 的推進(jìn)，相信碳化硅將會(huì)迎來(lái)真正的爆發(fā)期。

責(zé)任編輯：tzh