意法半導(dǎo)體SiC MOSFET的路線圖

特斯拉聲稱下一代電驅(qū)動系統(tǒng)將要削減75%的碳化硅用量，此言一出，除英飛凌外的碳化硅廠商股票紛紛大跌，只有英飛凌基本持平。Wolfspeed、ST、OnSemi、ROHM跌幅都不低，但尾盤跌幅均收窄了很多。

特斯拉是全球首家使用SiC MOSFET的廠家，一共使用了24對即48顆意法半導(dǎo)體的GK 026 SiCMOSFET，雖然不是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但根據(jù)特斯拉的功率參數(shù)很容易推斷出這些SiC MOSFET是600-650V，90-100A，生產(chǎn)工廠位于意大利的卡塔尼亞(Catania)。意法半導(dǎo)體一直是特斯拉獨家供應(yīng)商。GK026的封裝據(jù)說是意法半導(dǎo)體特別委托荷蘭一家名為Advanced Packaging Center設(shè)計的，類似于三菱電機J系列TPM模塊，也就是塑封銅絲帶綁定(Plastic molding and Cu ribbon-bonding)，意法半導(dǎo)體稱之為STPAK。特斯拉為其再加了針翅散熱。

時至今日，特斯拉已經(jīng)明顯落后了，特斯拉采購的是意法半導(dǎo)體第二代SiCMOSFET，如今意法半導(dǎo)體已經(jīng)升級到了第三代，主打產(chǎn)品ADP280120W3、ADP360120W3、ADP480120W3都是1200V產(chǎn)品，也就是說這些產(chǎn)品對應(yīng)的是800V平臺。眾所周知，800V平臺才能發(fā)揮SiC的全部潛力。環(huán)顧整個SiC MOSFET行業(yè)，基本上都是針對1200V設(shè)計的，特別是汽車領(lǐng)域，只有意法半導(dǎo)體有650V或900V產(chǎn)品。馬斯克說過特斯拉Model 3/Y不會上800V，因為特斯拉的充電樁包括快充最高是480V，而800V平臺對特斯拉沒有價值。同時800V對整體系統(tǒng)要做徹底革新，是一大筆研發(fā)支出。不過特斯拉的皮卡和卡車則是直接上了1000V平臺。

特斯拉要想削減75%的SiC用量，不使用1200V產(chǎn)品是很難的，但也不是不可能。特斯拉還有一個獨特之處是不用模塊，從早期的IGBT到今天的SiC，特斯拉都是單管，單管成本低，靈活度高，可靠性略低于模塊。

模塊成本高一方面是管子需要高度一致性配對，同時散熱部分通常要使用AMB（即活性金屬釬焊）基板?；钚越饘兮F焊是一種釬焊方法，能夠融合金屬與陶瓷，而不會出現(xiàn)金屬化。AMB是汽車應(yīng)用、風(fēng)機、牽引應(yīng)用和高壓直流輸電應(yīng)用的首選基板，此類應(yīng)用需要材料具備高可靠性、出色的散熱和局部放電性能。Si3N4的高熱導(dǎo)率(90W/mK)，再加上厚實銅層的高熱容量和高散熱性（高達(dá) 800 μm），成為大功率電子應(yīng)用中不可替代的材料，由Rogers壟斷。此外，IGBT用的陶瓷基板也大多來自Rogers，還有車載毫米波雷達(dá)的PCB 天線板也主要由Rogers供應(yīng)。

特斯拉之所以用單管，一方面是因為成本；另一方面，特斯拉特別擅長散熱，從座艙的水冷到SiC MOSFET的銅帶都是典型代表，特斯拉也有信心靠高超的散熱技術(shù)提高可靠性。英飛凌、ROHM和安森美都是主打模塊產(chǎn)品的，只有意法半導(dǎo)體是主打單管，這也是特斯拉青睞意法半導(dǎo)體的原因，單管讓特斯拉有發(fā)揮自己專長的地方。

意法半導(dǎo)體SiC MOSFET的路線圖

圖片來源：意法半導(dǎo)體

顯然特斯拉用的是意法半導(dǎo)體2018年的第二代SiC MOSFET產(chǎn)品，第四代產(chǎn)品目前還沒有推出。溝槽型是發(fā)展方向，但意法半導(dǎo)體要到2025年才開始推出。

圖片來源：意法半導(dǎo)體

自2010年Cree和ROHM推出SiC MOSFET以來，平面柵結(jié)構(gòu)一直被使用，但平面柵結(jié)構(gòu)限制了Cell間距的減小速率，預(yù)計在更高代次的產(chǎn)品中溝槽柵結(jié)構(gòu)將取代平面柵結(jié)構(gòu)。功率晶體管由很多個Cell組成，這些Cell以間距大小Cell Pitch為特征。技術(shù)擴展旨在減少晶體管Cell間距。

RONxA表示芯片每平方毫米的導(dǎo)通電阻，通常用mΩ x mm2單位表示。對于垂直晶體管，RONxA取決于晶體管布局、垂直結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)摻雜分布設(shè)計。RONxA越小，芯片尺寸越小,同時降低了成本/價格、晶體管電容、動態(tài)損耗和開關(guān)延遲時間。

與高級邏輯CMOS一樣，功率晶體管技術(shù)的發(fā)展是由降低成本和提高性能的需求推動的。這些目標(biāo)是通過開發(fā)新的晶體管結(jié)構(gòu)和縮小尺寸來實現(xiàn)的，對于恒定的Ron值，芯片面積每三年比上一代減小0.7倍。自2016年以來，領(lǐng)先制造商已推出商用溝槽柵SiC MOSFET，更小的元胞尺寸給這些器件的可靠性與魯棒性帶來了新的挑戰(zhàn)。

圖片來源：意法半導(dǎo)體

如果特斯拉使用意法半導(dǎo)體的SCTHS300N75G3AG，可以勉強做到將SiC MOSFET數(shù)量減少到12個，750*300*12=270kW，上一代是650*48*90=280kW，僅僅小了10kW。如果是芯片面積減少75%，那么表現(xiàn)在降本上不會太明顯，因為面積減少意味著要更多地考慮散熱和其他可靠性，這些也會增加成本，畢竟基板成本在總成本里比例不超過45%。芯片面積減少75%，對特斯拉來說成本可能只減少10%，特斯拉投資日里提到的最有可能還是數(shù)量。

圖片來源：意法半導(dǎo)體

意法半導(dǎo)體也在推模塊產(chǎn)品，特斯拉在下一代產(chǎn)品估計也得用模塊和1200V，特別是高功率車型。特斯拉不可能一人挑戰(zhàn)整個SiC MOSFET行業(yè)，并且大多數(shù)車企都用1200V時，特斯拉也無法獨善其身。

雖然業(yè)內(nèi)一致認(rèn)為溝槽型是發(fā)展方向，但是目前溝槽型在牽引電機領(lǐng)域不如平面型。

圖片來源：意法半導(dǎo)體

平面型：特點是工藝簡單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高。但是，這種結(jié)構(gòu)的中間，N區(qū)夾在兩個P區(qū)域之間，當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過時，將產(chǎn)生JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻；同時，這種結(jié)構(gòu)的寄生電容也較大。

溝槽型：是將柵極埋入基體中形成垂直溝道，盡管其工藝復(fù)雜，單元一致性比平面結(jié)構(gòu)差。但是，溝槽結(jié)構(gòu)可以增加單元密度，沒有JFET效應(yīng)，寄生電容更小，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗非常低；而且，通過選取合適溝道晶面以及優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)最佳的溝道遷移率，顯著降低導(dǎo)通電阻。

溝槽MOSFET較低的比導(dǎo)通電阻(Ronsp，電阻x面積)背后有多種原因：

?? ?首先，在SiC溝槽側(cè)壁上制造的柵極具有更高的溝道遷移率，這意味著與平面器件相比，電子通過溝槽柵極的阻礙更少，這降低了通道電阻。 ?? ?其次，溝槽MOSFET可能會消除平面MOSFET的JFET電阻，在該區(qū)域中，來自兩個通道的電流被擠壓到p體接觸之間的狹窄通道中。然而，正如下文將看到的，實用、務(wù)實的設(shè)計可能會導(dǎo)致重新引入類似JFET的區(qū)域。 ?? ?第三，與平面柵極的數(shù)量相比，垂直溝槽柵極的密度應(yīng)該更大，因此可以減小單元間距并增加電流密度。 ? 但是，溝槽MOSFET可能難以優(yōu)化，以實現(xiàn)可靠、穩(wěn)健的運行。成功的設(shè)計必須解決在SiC器件頂部的峰值電場（比Si大9倍）的問題，同時保護同樣位于器件頂部的精細(xì)柵極氧化物免受同一電場的影響。這種平衡行為需要巧妙但復(fù)雜的器件布局。

為提高可靠性，溝槽型不得不略微降低功率，這意味著相同功率下，溝槽型需要的MOSFET數(shù)量可能更多，對特斯拉來說成本反而可能更高。溝槽型的最佳例子是日本ROHM的第四代產(chǎn)品，額定電壓為750V（從 650 V 提升而來）和1200 V 的 MOSFET，以及 56A/24mΩ 條件下的車規(guī)級TO247 封裝組件。這一產(chǎn)品特性表明ROHM將繼續(xù)聚焦其之前取得成功的車載充電器市場而非牽引電機市場。

向溝槽型發(fā)展最困難之處在于專利壁壘，日本廠家?guī)缀鯇⒂嘘P(guān)溝槽SiC MOSFET的專利包攬，包括三菱電機、住友電氣、富士電機、東芝、瑞薩、豐田電裝都有豐富的專利，基本上你能想到的方法，日本企業(yè)都申請了專利。

圖片來源：意法半導(dǎo)體

上圖是幾大巨頭的溝槽SiC MOSFET結(jié)構(gòu)對比，日本住友還有獨特的V型結(jié)構(gòu)。

溝槽不可避免帶來一些復(fù)雜工藝，增加了制造成本，而面積的減小所帶來的成本效益并不明顯。

實際最早使用SiC MOSFET的是豐田，早在2015年豐田就開始測試SiC MOSFET。2016年的氫燃料車使用SiC MOSFET由豐田關(guān)聯(lián)公司電裝提供，并且是垂直供應(yīng)鏈，從磊晶到芯片到模塊，不假手外部廠家，即便是今天部分專業(yè)SiC半導(dǎo)體公司都做不到。