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碳化硅和氮化鎵等寬帶隙功率半導(dǎo)體可減小組件尺寸、提高效率并改善混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車(chē)的性能。現(xiàn)在越來(lái)越多的汽車(chē)制造商押注于 SiC 和 GaN，芯片制造商正在轉(zhuǎn)變他們的業(yè)務(wù)，以利用電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的爆炸式增長(zhǎng)。
在先進(jìn)汽車(chē)技術(shù)論壇的電動(dòng)汽車(chē)寬帶隙半導(dǎo)體小組會(huì)議上，三位行業(yè)專(zhuān)家討論了解決GaN 和 SiC當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)機(jī)遇的努力。
把握電氣化勢(shì)頭
在清潔能源領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)是迄今為止最具活力的。2012 年，全球售出約 130,000 輛電動(dòng)汽車(chē)。今天，這是一周內(nèi)售出的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量。
Covid-19 大流行嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)汽車(chē)市場(chǎng)，但并未抑制電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)售。國(guó)際能源署 (IEA) 的最新數(shù)據(jù)顯示，2019 年電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量為 220 萬(wàn)輛，2020 年為 300 萬(wàn)輛，而電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量在 2021 年翻了一番多，達(dá)到 660 萬(wàn)輛，占全球汽車(chē)市場(chǎng)的近 9%。2021年全球汽車(chē)銷(xiāo)量的凈增長(zhǎng)來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)。
根據(jù) IEA 的數(shù)據(jù)，在政府補(bǔ)貼和其他激勵(lì)措施的推動(dòng)下，中國(guó)在 2021 年引領(lǐng)了全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，銷(xiāo)量幾乎翻了三倍，達(dá)到 340 萬(wàn)輛。中國(guó)政府的官方目標(biāo)是到 2025 年電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額達(dá)到 20%。
作為綠色協(xié)議的一部分，歐盟為自己設(shè)定了到 2050 年實(shí)現(xiàn)中立的雄心勃勃的目標(biāo)，并決定在 2035 年后禁止銷(xiāo)售新的化石燃料汽車(chē)。事實(shí)上，電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量增長(zhǎng)了近去年 70% 至 230 萬(wàn)。而這僅僅是開(kāi)始。
不僅汽車(chē)制造商必須適應(yīng)并跟上電動(dòng)汽車(chē)的普及率。電源芯片供應(yīng)商正爭(zhēng)先恐后地滿(mǎn)足對(duì)車(chē)載充電器、牽引逆變器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等 EV 動(dòng)力總成組件的需求。
“市場(chǎng)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命，Tier 1 的角色被完全重新定義，”onsemi 汽車(chē)牽引解決方案總監(jiān) Pietro Scalia 說(shuō)。“半導(dǎo)體廠商有一個(gè)很好的機(jī)會(huì)來(lái)加強(qiáng)并搶占優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，因?yàn)檫@一切都與系統(tǒng)有關(guān)?！?/font>
根據(jù)英國(guó)研究公司 IDTechEx 的數(shù)據(jù)，每輛電動(dòng)汽車(chē)對(duì)半導(dǎo)體的需求約為內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的 2.3 倍。到 2022 年，按照目前的發(fā)展軌跡并假設(shè)沒(méi)有供應(yīng)限制，IDTechEx 預(yù)測(cè)，與沒(méi)有電氣化的情況相比，汽車(chē)行業(yè)的電氣化（BEV、PHEV、FCEV、HEV、48 V）將需要額外價(jià)值 74 億美元的半導(dǎo)體材料。
然后出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：面對(duì)半導(dǎo)體短缺，電氣化是否可持續(xù)？
“如果你想讓你的車(chē)隊(duì)電氣化，你不能在一年內(nèi)做到；你需要五到十年，”斯卡利亞說(shuō)。“原始設(shè)備制造商正在簽訂長(zhǎng)期協(xié)議——不僅是商業(yè)協(xié)議，還有技術(shù)協(xié)議。客戶(hù)想知道我們的路線(xiàn)圖，了解從現(xiàn)在起三年后比電阻的品質(zhì)因數(shù)會(huì)達(dá)到什么水平，因?yàn)榻裉焖麄冑?gòu)買(mǎi)了某種性能的芯片，但他們肯定需要更新他們的電源模塊?！?/font>
除了與原始設(shè)備制造商的持續(xù)互動(dòng)外，斯卡利亞還強(qiáng)調(diào)，強(qiáng)大的供應(yīng)鏈?zhǔn)恰氨夭豢缮俚摹?，而多大陸采?gòu)“非常重要”。
總部位于鳳凰城的 onsemi 聲稱(chēng)，其SiC MOSFET和SiC 二極管目前用于電動(dòng)汽車(chē)，并且與世界各地的汽車(chē) OEM 都有合作項(xiàng)目。
“毫無(wú)疑問(wèn)，碳化硅晶圓短缺阻礙了 [EV] 市場(chǎng)的增長(zhǎng)，”意法半導(dǎo)體 (ST) 功率晶體管宏部門(mén)戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Filippo Di Giovanni 說(shuō)。為解決全球產(chǎn)能限制并實(shí)現(xiàn)基板設(shè)計(jì)和內(nèi)部生產(chǎn)，ST 在 2019 年底以 1.375 億美元收購(gòu)了瑞典 SiC 晶圓制造商 Norstel。然而，建立大批量基板產(chǎn)能需要時(shí)間，Di Giovanni 表示 ST 已經(jīng)與合作伙伴簽署了“價(jià)值數(shù)億美元的大型戰(zhàn)略供應(yīng)合同，以獲得連續(xù)性和獲得基板的機(jī)會(huì)。” 目標(biāo)是到 2025 年“至少有 40% 的基板需求在內(nèi)部生產(chǎn)”。
在這些不確定的時(shí)期，建立制造和供應(yīng)鏈的彈性是當(dāng)務(wù)之急。由于需求主要集中在兩個(gè)世界地區(qū)，ST 的 Di Giovanni 表示：“我們的產(chǎn)能增長(zhǎng)非?？欤诜浅？拷袊?guó)的新加坡開(kāi)設(shè)了第二家生產(chǎn)工廠……并在非常靠近歐洲的地方引入了第二條裝配線(xiàn)，在摩洛哥，卡薩布蘭卡?！?/font>
Nexperia 還傾向于采用雙重采購(gòu)方法來(lái)降低供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。“在汽車(chē)行業(yè)，您需要雙重采購(gòu)，這就是我們擁有歐洲資源和遠(yuǎn)東資源的原因，”Nexperia 功率 GaN 技術(shù)戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Dilder Chowdhury 說(shuō)。
過(guò)渡到 8 英寸晶圓
下一代電動(dòng)汽車(chē)將需要滿(mǎn)足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等嚴(yán)格要求的技術(shù)。SiC 和 GaN 功率半導(dǎo)體為汽車(chē)制造商提供了有前景的解決方案，并且正在從 150 毫米（6 英寸）到 200 毫米（8 英寸）晶圓生產(chǎn)過(guò)渡。
雖然增加晶圓尺寸會(huì)顯著降低組件的單位成本，但它在消除缺陷和提高交付半導(dǎo)體的可靠性方面提出了重大挑戰(zhàn)。
7 月，意法半導(dǎo)體宣布已在其位于瑞典諾爾雪平的工廠制造了第一批 8 英寸 SiC 體晶片，用于下一代功率器件的原型設(shè)計(jì)。該公司聲稱(chēng)，這些初始晶圓具有“高質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)量的影響和晶體位錯(cuò)缺陷最小”。
ST 目前在其位于卡塔尼亞（意大利）和宏茂橋（新加坡）的工廠的兩條 6 英寸晶圓線(xiàn)上生產(chǎn) STPOWER SiC MOSFET，并在其位于深圳（中國(guó)）和 Bouskoura（摩洛哥）的后端工廠進(jìn)行組裝和測(cè)試. “現(xiàn)有的處理 6 英寸晶圓的設(shè)備也可以處理 8 英寸晶圓，”Di Giovanni 說(shuō)。“切換到 8 英寸會(huì)很順利，并不意味著要購(gòu)買(mǎi)全新的設(shè)備?！?/font>
同樣，Scalia 表示，Onsemi 目前生產(chǎn) 6 英寸晶圓，因?yàn)椤斑@是市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)”。然而，該公司于 2021 年 11 月收購(gòu)了 GT Advanced Technologies (GTAT)，旨在投資擴(kuò)大 GTAT 的制造設(shè)施，支持研發(fā)工作以推進(jìn) 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶體生長(zhǎng)技術(shù)。“GTAT 正在研究 8 英寸，我們已經(jīng)在測(cè)試材料，”他說(shuō)。“這不是一次輕松的步行，但這是一次必要的步行。我們都需要 8 英寸?！?/font>
GaN晶圓生產(chǎn)也正在轉(zhuǎn)向8英寸。
“GaN [晶圓] 目前采用 6 英寸，但我們計(jì)劃將 [它們] 轉(zhuǎn)換為 8 英寸，我們相信產(chǎn)量的增加和我們的 8 英寸過(guò)渡將與我們?cè)谑袌?chǎng)上看到的時(shí)間表兼容， ”喬杜里說(shuō)。
另一方面，英飛凌和松下最近宣布，他們正在開(kāi)發(fā)第二代 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓，將于 2023 年推出。
同樣，總部位于中國(guó)蘇州的 Innoscience 有兩個(gè)晶圓廠專(zhuān)門(mén)用于制造 8 英寸 GaN-on-Si 器件，并生產(chǎn)適用于各種應(yīng)用和電壓的常關(guān)（e 模式）GaN 器件——低電壓（低至 30 V ) 和高電壓（高達(dá) 650 V）。Innoscience 表示，目前的產(chǎn)量為每月 10,000 片，但到今年年底將達(dá)到每月 14,000 片，到 2025 年將達(dá)到每月 70,000 片。
延長(zhǎng)電池續(xù)航里程
牽引逆變器將來(lái)自車(chē)輛電池的能量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成電機(jī)。它直接影響車(chē)輛的駕駛性能、續(xù)航里程和可靠性，尤其是由于其重量和尺寸。
“碳化硅在汽車(chē)電氣化中如此重要的主要原因是它在牽引逆變器中的作用，”迪喬瓦尼說(shuō)。“由于效率的大幅提高，一輛給定的汽車(chē)可以行駛更遠(yuǎn)的距離。”
Di Giovanni 補(bǔ)充說(shuō)：“設(shè)計(jì)師有可能減少對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制。冷卻系統(tǒng)是車(chē)內(nèi)最昂貴的部件之一，特定駕駛員可以駕駛汽車(chē)更長(zhǎng)距離的事實(shí)將有助于緩解基本上困擾電動(dòng)汽車(chē)潛在購(gòu)買(mǎi)者的所謂里程焦慮。”
Nexperia 一直與汽車(chē)工程公司 Ricardo 合作開(kāi)發(fā)基于 GaN 技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器。Chowdhury 說(shuō)：“我們看到了在相同電池功率下擴(kuò)展續(xù)航里程的好處，或者我們可以減小相同續(xù)航里程的電池尺寸。”
解決熱管理問(wèn)題
為了利用寬帶隙半導(dǎo)體的潛力，設(shè)計(jì)人員必須估計(jì)使用這些材料所固有的挑戰(zhàn)。通過(guò)在更高的開(kāi)關(guān)頻率和功率密度下工作，可以減小無(wú)源元件（電感器和電容器）的尺寸并構(gòu)建更輕、更小的系統(tǒng)。但是，可能會(huì)出現(xiàn)熱管理問(wèn)題。
“不用說(shuō)，材料創(chuàng)新應(yīng)該與包裝創(chuàng)新齊頭并進(jìn)，而不是浪費(fèi)或抵消新材料帶來(lái)的巨大改進(jìn)，”Di Giovanni 說(shuō)。例如，意法半導(dǎo)體的 ACEPack“允許客戶(hù)使用銀燒結(jié)技術(shù)將此封裝安裝到散熱器中。不僅芯片通過(guò)銀燒結(jié)連接到封裝上，而且背面的處理方式也可以使用相同的技術(shù)安裝到散熱器上，我們知道銀燒結(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于焊接技術(shù)熱阻和長(zhǎng)期可靠性?！?/font>
意法半導(dǎo)體和法國(guó)汽車(chē)制造商雷諾還就意法半導(dǎo)體的電池驅(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)電力電子系統(tǒng)的產(chǎn)品和相關(guān)封裝解決方案的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和供應(yīng)建立了合作伙伴關(guān)系。“我們正在開(kāi)發(fā)下一代 SiC 和 GaN 功率模塊和器件，以滿(mǎn)足他們?cè)谖磥?lái)推出電動(dòng)汽車(chē)的雄心勃勃的計(jì)劃，”Di Giovanni 說(shuō)。Chowdhury 表示，基于其在使用銅夾技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，Nexperia 開(kāi)發(fā)了 CCPAK 表面貼裝封裝來(lái)替代內(nèi)部鍵合線(xiàn)并最終“獲得更好的散熱效果”。由于 GaN 的高熱性能，“關(guān)鍵是要獲得高密度功率耗散以及 PIN FIN 技術(shù)等冷卻系統(tǒng)?！?/font>
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