碳化硅功率器件的未來趨勢是朝著尺寸縮小的方向發(fā)展。

深圳市森國科科技股份有限公司董事長楊承晉在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)會及未來》的主題演講。

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

?碳化硅材料優(yōu)勢

相對于第一代（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，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，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)用場景中表現(xiàn)出的特性是:1、耐高溫:硅基材料120°C場景需要散熱，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。未來在高壓、高頻、大功率、環(huán)境惡劣的場景下，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)力的幾個點(diǎn)是：高耐壓:在大功率應(yīng)用中，耐壓能力是一個重要的硬指標(biāo)；高頻率:更高的開關(guān)頻率不僅能夠提升功率器件自身的性能，還能夠帶來一個明顯的優(yōu)勢，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，以及對抗過流過壓等瞬變的能力。低功耗:影響功率器件功耗的因素有很多，以一個功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復(fù)過程相關(guān)的開關(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的反向損耗。

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

碳化硅的應(yīng)用

碳化硅應(yīng)用-新能源汽車

新能源汽車從400V平臺向800V平臺躍遷已是業(yè)內(nèi)共識，可使汽車電池在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)時代來臨，SiC 在高壓下較IGBT 性能優(yōu)勢更為明顯，損耗降低度更大。SiC 在新能源車主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。

如今新能源汽車使用碳化硅器件已經(jīng)蔚然成風(fēng)：

2018年特斯拉從Moldel 3開始大規(guī)模采用SiC功率器件。2019年，保時捷率先量產(chǎn)800V高電壓平臺電動車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，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平臺的A6e-tron概念車，搭載800V高壓電氣系統(tǒng)。2021年，比亞迪發(fā)布e平臺3.0，該平臺具備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，小鵬汽車公布首個量產(chǎn)的800V高壓SiC平臺，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)計到2025年時，全球光伏新增裝機(jī)量有望增加至287GW，2019-2025年間復(fù)合增長率為16.40%。其中逆變器市場需求將大幅增長。

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。對于100kW的太陽能逆變器，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，2025年光伏逆變器中SiC器件價值占比將增長至50%。

碳化硅應(yīng)用-儲能

2021-2025年電力系統(tǒng)用儲能裝機(jī)需求分別為 117、190、274、367和507GWh，需求年平均增速約為83.34%。2021年儲能逆變器(PCS)和能量管理系統(tǒng)(EMS) 價格按照0.8元/W計算，2025年每年價格下降8%，則分別為234、349、463、571、726億市場空間。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、36.3億的市場機(jī)會。

碳化硅應(yīng)用-充電樁

2020年，全球充電樁市場規(guī)模達(dá)到了1925.32百萬美元，預(yù)計2027年將達(dá)到5923.22百萬美元，年復(fù)合增長率(CAGR)為16.84%。中國2020年市場規(guī)模為1131.52百萬美元，預(yù)計2027年將達(dá)到3247.44百萬美元，年復(fù)合增長率(CAGR)為15.63%。中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟統(tǒng)計，載至2022年3月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計上報公共類充電樁123.2萬臺，其中直流充電樁50.2萬臺。從2021年4月到2022年3月，月均新增公共類充電樁約3.2萬臺。

隨著新能源汽車從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)，并開始采用SiC MOS模塊，功率達(dá)到30-40KW。

SiC功率器件的未來

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。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)計和結(jié)構(gòu): 在碳化硅功率器件設(shè)計方面，需要考慮材料的特性和應(yīng)用場景的要求，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。同時，還需要通過設(shè)計優(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趨勢是朝著尺寸縮小的方向發(fā)展。針對此趨勢，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，可以通過采用更先進(jìn)的制造工藝來實(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更低的損耗和更小的體積，同時也可以實(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、軍事和汽車行業(yè)等。

降低成本

碳化硅功率器件隨著市場規(guī)模的快速增長，降低成本是未來大趨勢，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

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