SiC MOSFET批量上车，国内厂商正迎新能源发展机遇

时间： 2022-01-07 来源：汽车电子应用网

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功率模块是决定新能源汽车性能和整车能源效率的关键因素，在新能源汽车成本占比中居高位，当前功率模块的主流是硅基IGBT。新能源汽车的大功率、高电压、轻量化、高效率需求呼唤着性能更高的功率器件。业界普遍将第三代半导体材料的优秀代表——碳化硅（SiC）视为替代IGBT的理想方案。

SiC特点优势：

SiC功率器件具有高效率、高转换频率、耐高温、散热能力强、高击穿电压等特质，在推动新能源汽车轻量化、提升续航里程、缩短充电时间、降低整体成本方面起着重要作用。比如SiC MOSFET相较于传统的硅基IGBT，不仅体积缩小了50%，效率还提升了2%，器件的使用寿命得到延长。

SiC面临挑战：

首先，SiC的缺陷类型有很多种，比如微管、三角形缺陷、胡萝卜缺陷以及一些小的坑洼等等，从成本的控制和良率的角度来说，有些缺陷工业级可以容忍，但车规绝不容忍。对此，一方面可以将不符合车规的芯片挑出去做工业级的产品，至于一些致命缺陷，可以提前把这些缺陷筛选出来。另一方面，可以给材料厂提要求优化产品，在这方面，派恩杰会帮助衬底厂商找到一个折衷的平衡点。

在原材料方面，全球SiC原材料供应商能够做到稳定供货的只有少数几家，与IGBT相比，SiC产业链还比较脆弱，这导致行业供给端在需求快速爆发的时候很难适应，这也是目前整个SiC缺货的趋势难以缓解的一大因素。同时，衬底的缺陷还会导致SiC整个良率失效模式，据悉，派恩杰的良率处于业内平均偏上的范围，综合来看在80%-90%，不同型号会有所不同。

SiC材料成本居高不下也是其未能普及开来的一大制约因素。像一张Si-MOSFET晶圆的成本约500块钱人民币，而一张SiC MOSFET晶圆需要大概3万块钱人民币，预算一个PN（part number）200片的SiC晶圆，研发投入就至少在600万人民币以上。如果要开发几十款料号的话，成本还将巨额上升。

成本之外，迭代速度是关键的一环。SiC加工难度大，大多工厂不具备加工条件，会极大限制研发迭代的速度，这也是目前很多SiC公司很难推出成熟产品一个重要原因。派恩杰与有30年车规的提供150mm SiC工艺的X-FAB Silicon Foundries（“X-FAB”）建立着长期战略合作关系，生产制造高品质、高性能，并且能快速上市的器件。据了解，过去三年派恩杰累计出货1千万，未来三年预计将超过8千万。

相比于原材料，fab代工的工艺没有那么“瓶颈”，但在fab端也还是有一些know how的问题，在确保跟国内fab厂可以深度合作的情况下，派恩杰也会把自身的一些know how交出来，帮助fab厂快速实现量产。

总的来说，目前SiC这个细分行业还比较新，很多仿真软件不会专门为SiC投入太多资源，所以导致这方面模型是缺失的，包括很多商用软件在仿真SiC时给出的预测非常不准确。这给设计者带来了很大的难度，很可能流片出来后跟原本的设计完全不一样。黄兴博士指出，这需要设计者从最底层的物理模型上对SiC材料进行校准，例如电子迁移率、雪崩击穿模型、热学仿真模型，以及一些工艺栅氧生长、栅氧界面钛的缺陷模型，需要设计者通过不断的实验迭代，然后完善。黄兴博士自2009年在北卡州立大学做研究以来，一直在行业中积累，包括跟业内科学家合作，提取出一个模型，该模型可以相对准确地匹配仿真和实验结果。“这样就极大地缩短了派恩杰SiC设计开发的时间。”

据悉，派恩杰的SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证已经取得了重大突破，获得了新能源汽车龙头企业数千万订单，并已开始供货。派恩杰之所以能迅速反应市场需求源自于其公司独特的全球战略布局，早在2018年也就是派恩杰成立之初就紧锣密鼓地按照车规级标准研发设计SiC功率器件，与X-FAB合作打造高标准的产品品质，帮助派恩杰在全球半导体行业缺货的大背景下紧抓发展机遇，率先顺利“上车”。

2019年3月，派恩杰成立仅6个月即发布了第一款可兼容驱动650V GaN功率器件。同年8月完成Gen3技术的1200V SiC MOSFET，填补了国内空白。2020年先后发布用于5G数据中心、服务器与工业辅助电源的650V、1700V工业级MOSFET以及用于车载充电机的650V车规级MOSFET。2021年2月发布1200V大电流车规级MOSFET，应用于电动汽车电驱单管及模块。

黄兴博士介绍，截至目前，派恩杰已经发布了50余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件产品。目前主要在汽车OBC上面进行应用的是单管1200V的SiC MOSFET和650VSiC MOSFET，针对客户的系统电压平台，800V的系统采用1200V耐压器件，400V的系统采用650V耐压器件。

黄兴博士认为，相比于OBC，SiC在电驱市场的需求虽大，但放量不会那么快，“国产的SiC MOSFET要上电驱的话，必须得过可靠性和产能这两个难关。” 黄兴博士指出，从国内整个产业链的优势和特点来说，国产供应链上车的路径可能还是要先解决量的问题，至少工业级上先保证国产供应链产能，慢慢再提升可靠性和技术的要求。上量非常有赖于国内SiC、衬底材料厂商的发展速度，随着上下游不断的迭代，估计两三年内可以逐步实现。

拟建车用SiC模块封装产线

黄兴博士指出，SiC上车目前核心的、在国内比较缺失的就是SiC功率模块。从SiC自身高频高速、低功耗的特性来说，已不太适合使用以前传统的一些功率模块，现在市面上量产比较成功的模块，还是像特斯拉的T pack，以及大众批量应用的板桥模块的形式。“鉴于国内这两年SiC功率模块比较欠缺，我们想借助自身芯片方面的先发优势，向模块继续进行技术的延伸和积累。”派恩杰对自家芯片在在工业、汽车方面的应用积累了大量的数据，非常清楚知道自身芯片的优势与特性，所以在整个模块联合设计中，会进行联合芯片上下联动的调校和优化，让模块去适应芯片，“在同一个技术传承的公司里面去做更合适的。” 黄兴博士如是说。在工艺制造端，派恩杰将使用纳米银焊接的技术，还会选择工作高温的封装材料来提高整个SiC的工作结温，同时也可以大大提高模块的可靠性。其次，派恩杰将核心放在联合上下游产业链，从材料的挑选到芯片的筛选，在到整个模块，会建立一整套完整的可靠性数据模型，使得模块符合车规级要求。

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