芯耀
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本文是作者2024年“第十八屆中國半導體行業(yè)協(xié)會半導體分立器件年會”演講稿第二部分，第一部分請見《英飛凌碳化硅SiC技術創(chuàng)新的四大支柱綜述（一）》。
英飛凌SiC技術創(chuàng)新到豐富產(chǎn)品的四大支柱
SiC技術創(chuàng)新到豐富產(chǎn)品的四個支柱簡單講，就是技術，質量，產(chǎn)量和產(chǎn)品。
技術優(yōu)勢
要做好碳化硅MOSFET，在技術上需要做好兩件事情：
性能穩(wěn)定的體二極管
垂直結構的功率MOSFET（如CoolSiC?器件）通過體二極管提供反向導通路徑，可以用作變流器中的續(xù)流二極管。由于SiC的寬帶隙，該二極管的轉折電壓VT約為3V，相對較高。這意味著完全依賴其續(xù)流，連續(xù)工作將導致高導通損耗。
為了提高變流器效率，在系統(tǒng)設計中會利用單極性器件的優(yōu)勢，采用同步整流來續(xù)流以降低導通損耗，但死區(qū)時間內二極管的特性和表現(xiàn)依然很重要。
由于SiC MOSFET是高速器件，死區(qū)時間可以設計得很短，應用電路中的典型死區(qū)時間在150ns至1μs之間。較短的死區(qū)時間可以顯著減少反向恢復損耗、過電壓和相關的振蕩行為。條件是體二極管的特性和得當?shù)耐獠?a class="article-link" target="_blank" href="/design/">電路設計，如驅動電路采用EiceDriver?磁隔驅動器，SiC MOSFET可以在非常快的開關速度下工作。
對于SiC MOSFET，在最大工作溫度和電流下，體二極管關斷期間，大量的雙極電荷存儲在體二極管中，關斷時產(chǎn)生反向恢復電流。器件中和外部電路的寄生電感會抑制電流變化，導致體二極管的dv/dt很高，以導致電場迅速掃除漂移區(qū)中的自由載流子。如果在器件電流自然降低到零之前發(fā)生這種情況，那么，剩余的器件電流可能會在高di/dt下瞬變，并導致器件出現(xiàn)不希望的過沖電壓和發(fā)生跳變（snap-off）效應。
體二極管的反向恢復特性在應用環(huán)境中會產(chǎn)生各種損耗、振蕩和電磁兼容性問題。參考微信文章：深入剖析高速SiC MOSFET的開關行為。
柵極氧化層的可靠性
英飛凌CoolSiC?溝槽型MOSFET具備優(yōu)異的柵極氧化層可靠性，生產(chǎn)工藝和質檢流程經(jīng)過20余年不斷優(yōu)化，讓芯片和封裝始終保持領先優(yōu)勢，2016年上市8年來質量一直很穩(wěn)定。
碳化硅MOSFET和二極管的性能已在光伏逆變器、電動汽車充電和電動汽車等各種應用中得到驗證，是大家公認的。
盡管如此，基于碳化硅的MOSFET產(chǎn)品在性能，成本上有進一步提高潛力，芯片設計中要在性能、堅固性和可靠性之間選擇適當?shù)钠胶狻?/p>
MOSFET器件追求低的導通電阻，型號命名就是按照電阻值命名的，在相同芯片面積下實現(xiàn)更小的導通電阻，這樣器件的成本就更低。但設計產(chǎn)品時還需要考慮與實際電力電子系統(tǒng)設計相關的其他各個方面，例如足夠的可靠性，包括柵極氧化層的可靠性、防寄生導通的抗干擾能力，驅動易用性，高的VGSth以及可靠地0V關斷的能力。
英飛凌很早就決定投資開發(fā)溝槽這一工藝復雜的結構。
由于碳化硅晶體的各向異性，與碳化硅水平界面相比，垂直界面上的SIC-SIO2缺陷密度較低,這使得柵氧化物可靠性更容易控制，這是獲得類似于硅的可靠性的不可多得的先決條件。
其次，溝槽技術的有很多好處，非常適合未來的技術發(fā)展路線圖，在半導體制造過程中，垂直比橫向更容易控制，功率密度更高，現(xiàn)代硅器件發(fā)展趨勢是溝槽柵，溝槽柵MOSFET已經(jīng)取代了平面柵MOSFET。
關于碳化硅可靠性是一個很大的話題，我們有《英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導體器件的可靠性》一本3萬字的白皮書，JEDEC也陸續(xù)出版了關于碳化硅可靠性的出版物JEP。
JEP184用于電力電子變換的碳化硅金屬氧化物半導體器件偏置溫度不穩(wěn)定性評估指南 2021年3月
JEP194碳化硅功率MOSFET柵極氧化層可靠性和穩(wěn)健性評估程序指南 2023年2月
JEP195用于電力電子變換的碳化硅金屬氧化物半導體器件柵極開關不穩(wěn)定性評估指南 2023年2月
質量優(yōu)勢
CoolSiC?是最可靠的碳化硅技術。
高質量和高可靠性可以從4個方面看，除了已經(jīng)提到的柵極氧化可靠性和穩(wěn)定的體二極管，從生產(chǎn)角度講還有生產(chǎn)工藝的開發(fā)和以應用為中心的質檢流程，輔以針對SiC的特定篩選措施確保卓越質量。JEDEC出版物，SiC MOSFET評估指南標題都冠以“用于電力電子變換的”。
產(chǎn)量優(yōu)勢
產(chǎn)量是半導體行業(yè)最重要的三個競爭優(yōu)勢之一，技術和產(chǎn)品，產(chǎn)量（產(chǎn)能）和應用服務。
我們碳化硅前道和后道都是有自有產(chǎn)線支持，便于控制質量、交貨和工藝開發(fā)。
穩(wěn)定生產(chǎn)和供應鏈保障，英飛凌是從三個方面著手：
1.全球多渠道碳化硅晶圓和晶錠采購戰(zhàn)略，與知名供應商密切合作，不斷篩選培育市場上的新供應商
2.提高生產(chǎn)效率，降低成本，收購 SILTECTRA?公司實現(xiàn)冷切割技術的產(chǎn)業(yè)化，可在切割晶圓工藝過程中將損耗降至最低
3.投資內部生產(chǎn)能力，擴大奧地利菲拉赫和馬來西亞居林的碳化硅產(chǎn)能
英飛凌簽了5家晶圓和晶錠供應商，其中2家來自中國。
從供應商的發(fā)展?jié)摿砜?，目前?家供應商的市場份額為80%，預測為幾年后產(chǎn)能為3400kpcs，增長為260%。山東天岳和天科合達這些市場新秀產(chǎn)能將成倍增長，份額將達到30%。
產(chǎn)品優(yōu)勢
英飛凌按照客戶和應用的需求開發(fā)產(chǎn)品，現(xiàn)已有7個電壓等級，在英飛凌官網(wǎng)上你能找到294個SiC MOSFET產(chǎn)品，405個各種驅動器產(chǎn)品（截止到2024年12月），還有很多評估板。
我們功率半導體產(chǎn)量是最大的，IGBT單管和模塊的全球市場份額都是第一。
CoolSiC?進入到第二代G2產(chǎn)品
英飛凌已經(jīng)推出第二代碳化硅MOSFET產(chǎn)品，G2的性能優(yōu)化改善有四個維度，這一頁的數(shù)據(jù)是以1200V，26和30毫歐為例。
這4個維度都和RDSON相關：
1.光伏，儲能，電動汽車充電和電機驅動這類應用會用到硬開關電路，RDSONxQGD?(mΩ*μC)很重要，G2有了明顯地提升, 領先于第二名17%。
2.軟開關中追求低的RDSONxQOSS?(mΩ*μC)，目前大家水平差不多，我們第二代也是最好的，領先于第二名7%。
3.在輕載應用，為了實現(xiàn)更高的效率，要考慮?RDSONxEOSS(mΩ*μJ)，我們第二代也是最好的，領先于第二名4%。
4.RDSxQG(mΩ*μC)是典型的MOSFET考核指標，值越低所需要的驅動功率越小，可實現(xiàn)更高的開關頻率，領先第二名友商12%。
CoolSiC? MOSFET性能更加出色：
G2與G1的比較
英飛凌已經(jīng)在陸陸續(xù)續(xù)推出第二代的碳化硅產(chǎn)品，其性能在各方面有了長足的提升。
1.提高芯片性能：英飛凌產(chǎn)品是針對特定應用要求優(yōu)化，所以看芯片性能提升也應該在典型負載使用情況下，在典型負載使用情況下，功率損耗降低5%~20%
2..XT封裝互連技術使用擴散焊工藝，改進了的芯片和封裝基板之間的焊接技術。與以前的標準焊接技術相比，.XT連接技術將焊料層的厚度大大減小，同時，擴散焊也大大降低了空洞的概率，這都直接有利于熱阻（RthJC）的降低。
第二代G2 SiC MOSFET結殼熱阻Rth,j-c可降低12%，因此可以在保持相同的溫升時輸出更大的電流，或者在結溫上升較低時保持相同的電流能力。也有可能在兩者之間取得平衡，從而降低溫升和提高輸出電流。這不僅提高了系統(tǒng)的輸出電流能力，而且延長了器件的使用壽命。
3.同類最佳的RDS(on)，市場上最精細的產(chǎn)品組合。D2PAK封裝有12個型號實現(xiàn)了最佳產(chǎn)品選擇，1200V G1最大規(guī)格為30mΩ，而G2最大規(guī)格8mΩ。TO247通孔封裝G2最大規(guī)格可達7mΩ。
4.過載運行溫度高達Tvj=200°C，這比上一代提升了寶貴的25°C，提高了器件輸出電流能力。
5.一些技術細節(jié)還包括，在數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的高溫下最大RDS(on)，提高了最大柵極-源極電壓到+23V，短路額定值2us，并具有雪崩穩(wěn)健性等。
G2產(chǎn)品：
