功率器件的新風(fēng)與舊熱——碳化硅與IGBT

隨著新能源汽車、工業(yè)、光伏、儲能等行業(yè)的迅猛發(fā)展，功率器件領(lǐng)域也在不斷迭代升級。其中，碳化硅技術(shù)近幾年備受關(guān)注，國際廠商的出貨量迅速上升，國內(nèi)廠商紛紛重金投入。與此同時，碳化硅在多個領(lǐng)域中替代IGBT的呼聲也愈發(fā)變大。

IGBT的余熱尚未散去，碳化硅的新風(fēng)已經(jīng)刮來。在這樣的大背景下，與非網(wǎng)特別邀請了安森美和英飛凌參與本次功率器件專題月采訪，期望了解頭部企業(yè)在該領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)和技術(shù)優(yōu)勢，以及如何在兩者之間進行權(quán)衡。

業(yè)內(nèi)人士細(xì)談碳化硅替代硅基IGBT可行性

眾所周知，硅基功率半導(dǎo)體的代表——IGBT技術(shù)，在進一步提升性能方面遇到了一些困難。開關(guān)損耗與導(dǎo)通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來越小，于是業(yè)界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術(shù)。

對此，英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場總監(jiān)陳子穎認(rèn)為，這樣的看法有一定局限性。在他看來，硅基IGBT的技術(shù)仍在進步，尤其是英飛凌自己。伴隨著封裝技術(shù)的進步，IGBT器件的性能和功率密度越來越高。同時，針對不同應(yīng)用而開發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，進而提高系統(tǒng)性能和性價比。英飛凌的TRENCHSTOP? IGBT 7便是典型的例子。

因此，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展進程，還是需要與硅器件相伴而行，在技術(shù)發(fā)展的同時，還有針對不同應(yīng)用的大規(guī)模商業(yè)化價值因素的考量，指望第三代器件很快在所有應(yīng)用場景中替代硅器件是不現(xiàn)實的。在未來數(shù)年中，不同的半導(dǎo)體技術(shù)將并存于市場中，在不同的應(yīng)用場景中分別具有特殊的優(yōu)勢。

陳子穎還認(rèn)為，SiC MOSFET發(fā)展目前尚處于起步階段，未來新應(yīng)用的出現(xiàn)和市場潛力的發(fā)掘，將推動以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。至于在這個過程中如何提高器件的利用率和市場滲透率，封裝技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面的提升或?qū)⑵鸬讲恍〉挠绊憽?/p>

從英飛凌高功率密度的封裝、低寄生電感的模塊封裝，到基于增強型SiC MOSFET芯片技術(shù)單管，采用.XT技術(shù)的單管等等，都體現(xiàn)了其在功率半導(dǎo)體，尤其是工業(yè)和汽車應(yīng)用方向上幾十年來的經(jīng)驗和積累。

安森美中國區(qū)汽車現(xiàn)場應(yīng)用工程師夏超則表示，受益于中高端電動汽車銷量的持續(xù)增長，對應(yīng)的第三代半導(dǎo)體器件處于加速階段。目前，碳化硅器件的成本仍然是略高于硅基功率器件，但得益于各家碳化硅廠商產(chǎn)能擴張目標(biāo)的陸續(xù)實現(xiàn)，碳化硅的價格正在快速降低。由于電動汽車在大部分運行周期內(nèi)是處于低功率運行狀態(tài)，因此碳化硅器件在電動汽車領(lǐng)域發(fā)揮其低損耗特性，正在取代傳統(tǒng)的硅器件，未來也將逐步擴散到如車用充電樁、光伏儲能等領(lǐng)域。

夏超強調(diào)，安森美目前重點著力于電動汽車、電動汽車用充電樁/器、可再生能源、5G四個市場，旨在為客戶提供全方位解決方案。目前來看，在不同的細(xì)分市場，碳化硅跟硅基器件是一個很好的互補，也是價格與性能的一個平衡。

隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，以及成本的降低，最終會慢慢取代部分硅基產(chǎn)品成為主流方案。碳化硅芯片可以工作在更高的溫度(175℃至200℃)，結(jié)溫超過175℃的碳化硅方案將能在更高的功率密度下工作，從而比硅基替代方案的性價比更高，有助于系統(tǒng)設(shè)計人員能夠更加靈活地選擇滿足應(yīng)用需求的高性價比方案。

面對國際廠商在碳化硅領(lǐng)域的快速出貨，雖然陳子穎和夏超認(rèn)為所處的發(fā)展階段不同，但英飛凌和安森美對于碳化硅布局的持續(xù)性都很重視，區(qū)別在于英飛凌依然很重視硅基IGBT的技術(shù)發(fā)展，并選擇雙管齊下；而安森美的側(cè)重點更偏向碳化硅，并堅信在部分領(lǐng)域，碳化硅對于IGBT的替代會逐步進行。因此，目前就談碳化硅完全替代硅基IGBT或許為時尚早。

大廠的產(chǎn)能布局

基于已簽署的眾多戰(zhàn)略協(xié)議，安森美的碳化硅工廠當(dāng)前正在有序擴產(chǎn)。如近期與寶馬集團等國際一線車廠陸續(xù)達成戰(zhàn)略合作。夏超認(rèn)為，安森美產(chǎn)能的擴張既有增量需求，如電動汽車等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，也包含對已有的IGBT器件的存量替代，如光伏發(fā)電及儲能等領(lǐng)域。隨著產(chǎn)能的進一步提升，市場價格的進一步降低，碳化硅器件將會助力構(gòu)建一個更為清潔綠色的家園。

同樣，英飛凌在擴產(chǎn)能方面也毫不落后，預(yù)計到2027年，英飛凌的碳化硅產(chǎn)能將增長10倍，屆時其碳化硅業(yè)務(wù)的銷售額將增長至約30億歐元。英飛凌的目標(biāo)是，通過大幅擴展產(chǎn)能，在未來十年內(nèi)將公司在碳化硅領(lǐng)域的市場份額提高到30%。

為了確保供應(yīng)安全，英飛凌依靠廣泛的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)和與不同合作伙伴在雙邊層面上開展的眾多合作。英飛凌還宣布，將投資20多億歐元在居林新建一個廠區(qū)，用于擴大碳化硅和氮化鎵產(chǎn)能外，同時，英飛凌對其菲拉赫工廠現(xiàn)有硅設(shè)備進行改造，將現(xiàn)有的6英寸和8英寸硅生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換為碳化硅和氮化鎵生產(chǎn)線，以增加菲拉赫工廠的碳化硅和氮化鎵產(chǎn)能。

碳化硅的技術(shù)優(yōu)勢及發(fā)展歷程

在對碳化硅長達30多年的研究中，英飛凌的技術(shù)打磨和沉淀，最終體現(xiàn)在具體的產(chǎn)品和技術(shù)上，典型的就是英飛凌CoolSiC? MOSFET，它可以簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少器件數(shù)量，降低損耗，提高功率密度。

CoolSiC? MOSFET 芯片面積比IGBT小很多，大約是IGBT與續(xù)流二級管之和的五分之一；在耐高壓方面則可以通過提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度；在可靠性和質(zhì)量保證方面，能很好地規(guī)避平面柵的柵極氧化層可靠性問題，同時功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機驅(qū)動和電動汽車等領(lǐng)域都有相應(yīng)的應(yīng)用。

相對而言，安森美的技術(shù)和產(chǎn)品更加集中在汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域，如電動汽車主驅(qū)領(lǐng)域的M3系列碳化硅功率模塊，及后續(xù)更大性能提升的M3e系列。在碳化硅設(shè)計生產(chǎn)方面，安森美擁有近20年的經(jīng)驗積累，目前已發(fā)布了三代碳化硅 MOSFET，每一代都針對一種特定的應(yīng)用：

M1基于Square cell結(jié)構(gòu)，適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用，針對在20 kHz范圍內(nèi)運行的最低導(dǎo)通損耗和穩(wěn)定可靠性進行了優(yōu)化；M2系列應(yīng)用了Hex cell結(jié)構(gòu)，涵蓋同類型但電壓較低的應(yīng)用，具有針對這些電壓優(yōu)化的新型晶胞結(jié)構(gòu)；M3系列采用了Strip cell結(jié)構(gòu)，主要針對快速開關(guān)應(yīng)用；下一代安森美將采用Trench cell結(jié)構(gòu)，其性能還將得到進一步提升。用安森美的話說，其所有的碳化硅器件都已達到最高的可靠性水平，并已完全實現(xiàn)工業(yè)化。

在功率器件領(lǐng)域，安森美一方面對于硅基器件及碳化硅器件都擁有從基底，晶圓，單管，模塊到系統(tǒng)級的完整解決方案。另一方面，安森美近年來依然在不斷投入優(yōu)化碳化硅器件的溝槽設(shè)計、封裝技術(shù)和制程工藝，已經(jīng)使終端產(chǎn)品在轉(zhuǎn)換效率、功率密度和成本控制方面有了大幅的提高。同時硅基器件也在進行持續(xù)的改進以滿足新的應(yīng)用需求。

在交叉互補中前行

安森美中國區(qū)汽車碳化硅現(xiàn)場應(yīng)用工程師牛嘉浩總結(jié)道，新技術(shù)的發(fā)展并不意味著原有技術(shù)的消亡，這是一個迭代的過程。雖然碳化硅崛起迅速，在一些應(yīng)用中替代硅基器件是主流趨勢，但是硅基功率器件目前仍然占據(jù)大部分的市場，并且有著自身的優(yōu)勢，短時間內(nèi)并不會退出舞臺。

總之，從安森美及英飛凌對于IGBT和碳化硅的態(tài)度來看，硅基IGBT本身的存量市場還很大，而碳化硅器件也尚處于偏早期的發(fā)展階段，不論是起步還是加速出貨，兩者的市場總量還有一定差距，且兩者并非零和博弈，甚至有不少新的應(yīng)用領(lǐng)域，需要兩者共同發(fā)揮，在交叉互補中前行。IGBT余熱尚未散去，碳化硅新風(fēng)徐徐刮起。