在汽車(chē)終端市場(chǎng)需求以及與硅的價(jià)格平價(jià)的推動(dòng)下，碳化硅產(chǎn)量正在迅速增加。

電動(dòng)汽車(chē)中已使用了數千個(gè)功率半導體模塊，用于車(chē)載充電、牽引逆變和直流到直流轉換。如今，其中大部分是使用硅基 IGBT 制造的。轉向基于碳化硅的 MOSFET 使功率密度加倍，并在更小、更輕的封裝中加快了開(kāi)關(guān)速度。

電動(dòng)汽車(chē)和充電站對高電壓和在炎熱、惡劣環(huán)境下工作的能力的要求越來(lái)越高，但由于這種寬帶隙材料的制造和封裝成本較高，碳化硅(SiC) 需要一段時(shí)間才能獲得堅實(shí)的基礎。然而，這種情況正在改變。PowerAmerica 執行董事兼首席技術(shù)官 Victor Veliadis 表示，SiC 功率模塊現在的價(jià)格與硅基模塊相當，這反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了供應合作伙伴關(guān)系和新 SiC 工廠(chǎng)的建設。

還有很多工作要做。SiC晶圓技術(shù)需要升級。制造這些器件需要 20% 的新工藝工具和 80% 的改進(jìn)工具。我們的目標是加快集成和分立功率器件的周轉速度，這就是汽車(chē)制造商轉向直接晶圓廠(chǎng)到模塊協(xié)作的原因。

圖 1：確保供應和快速技術(shù)進(jìn)步的收購和合作協(xié)議。

新的晶圓工藝工具包括高溫外延生長(cháng)（>1,500°C）、熱離子注入、快速熱處理（RTP）和更快的脈沖原子層沉積。用于硬而脆的 SiC 材料的晶圓研磨、CMP、拋光墊和漿料正在發(fā)生重大改進(jìn)。包括剝離劑和清潔化學(xué)品在內的新材料可滿(mǎn)足設備和可持續性需求。

從封裝端來(lái)看，帶有分立元件的高功率印刷電路板正在被集成電路和芯片級封裝（CSP）等集成封裝所取代，以實(shí)現更小、更可靠的高壓操作。這使得電動(dòng)汽車(chē)能夠配備更小、更輕的電池組，這有助于增加行駛里程。雖然今天的重點(diǎn)是 SiC 功率以及將 Si 功率模塊擴展到混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)，但未來(lái)的 SiC 模塊將在電動(dòng)汽車(chē)中占據主導地位。此外，GaN 將在電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)電力和智能能源領(lǐng)域找到利基市場(chǎng)。

SiC 和 GaN 功率的市場(chǎng)和技術(shù)

到 2030 年，全球將生產(chǎn) 3900 萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車(chē)，相當于 2022 年至 2030 年復合年增長(cháng)率為 22%。這反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了功率半導體市場(chǎng)，預計該市場(chǎng)將利用到 2030 年，大約 50% 的硅器件、35% 的碳化硅器件和 12% 的氮化鎵器件。在電動(dòng)汽車(chē)中，牽引逆變器將電池組的直流電轉換為交流電，為驅動(dòng)前軸和后軸的電機提供動(dòng)力。SiC 還可以加速車(chē)載和非車(chē)載充電，將電網(wǎng)的電力引入電動(dòng)汽車(chē)。

最重要的是，SiC 模塊構成了從 400V 電池向 800V 電池轉換的基石。當車(chē)輛充電速度更快、續航里程充足且每輛車(chē)的電池成本低于 10,000 美元時(shí)，消費者將更快地采用電動(dòng)汽車(chē)。

SiC 模塊正在達到與硅基電源解決方案價(jià)格相當的臨界點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現更高效、更緊湊的系統。再加上目前使用的 400V 電池（包含 600V 或 650V 器件）的 800V 電池范圍的擴展，正在刺激 1,200V SiC 器件的大批量生產(chǎn)。然而，晶圓晶體缺陷對良率的影響、器件封裝和模塊集成的損失以及汽車(chē)制造商和電力系統制造商之間更緊密聯(lián)系等供應鏈變化仍在進(jìn)行中。從實(shí)際角度來(lái)看，新的碳化硅晶圓和晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能需要一段時(shí)間才能達到大批量。

然而，這并沒(méi)有影響人們對該技術(shù)的熱情。分析師繼續上調 SiC 市場(chǎng)預測。Yole Group 預計，到 2027 年，功率半導體市場(chǎng)將達到63億美元，其中 70% 用于汽車(chē)應用。僅看 SiC 晶圓產(chǎn)量（從 SiC 晶圓開(kāi)始），TECHCET 預測 2022 年至 2027 年復合年增長(cháng)率為 14%。

圖 2：汽車(chē)制造商正在轉向與模塊供應商、最終與芯片制造商進(jìn)行更直接的合作。

IDM、代工廠(chǎng)、無(wú)晶圓廠(chǎng)活動(dòng)

Wolfspeed、意法半導體、安森美、羅姆、英飛凌和博世等領(lǐng)導者是芯片制造方面的關(guān)鍵參與者。這些設備的最大成本貢獻者，碳化硅晶圓，正開(kāi)始從 150 毫米制造遷移到 200 毫米制造，但生長(cháng)、切片和制備過(guò)程仍然依賴(lài)于昂貴、耗時(shí)的手工操作。

各方，尤其是 IDM 和晶圓廠(chǎng)，都在努力降低 SiC 晶格的缺陷率，開(kāi)發(fā) SiC 專(zhuān)用工具平臺，例如高溫離子注入、在 1,500°C 以上運行的外延沉積爐，以及改進(jìn)的 CMP 漿料、拋光墊和清潔化學(xué)品加工幾乎與金剛石一樣堅硬的材料。

由于基于硅、SiC 和 GaN 的電源電路都在 400V 電池范圍內競爭，因此技術(shù)轉換已經(jīng)完成。然而，SiC 電源系統能夠提供比 GaN 高得多的功率水平（見(jiàn)圖 3）。

“我稱(chēng)其為 650V 戰場(chǎng)，因為實(shí)際上所有三種技術(shù)在這個(gè)范圍內都具有競爭力，”PowerAmerica 的 Veliadis 說(shuō)道，他參加了 SEMICON West 舉辦的“連接汽車(chē)生態(tài)系統與 SiC 制造”論壇。GaN具有比SiC更高的電子遷移率，但其成熟度較低，無(wú)法與SiC的高功率水平相匹配。即便如此，GaN 在制造高頻器件方面仍具有巨大的吸引力。此外，英特爾、imec 等公司目前采用的一些硅基 GaN 方法看起來(lái)非常有前途。

圖 3：SiC、Si 和 GaN（左）的功率密度工作窗口在 650V 器件（400V 電池）的低端重疊，但用于 800V 電池的 1,200V 器件即將推出

碳化硅模塊被認為對于提高電動(dòng)汽車(chē)的電力傳動(dòng)系統效率至關(guān)重要。從硅基設備到碳化硅設備的巨大轉變將大大有助于提高電力系統的功率密度，同時(shí)減小電動(dòng)汽車(chē)的尺寸、重量，最重要的是，降低成本。發(fā)生這種情況是因為硅基功率半導體雖然仍在優(yōu)化，但在傳導和開(kāi)關(guān)損耗方面已達到其運行極限。碳化硅更寬的帶隙（硅為 3.26eV，硅為 1.12eV）可減少此類(lèi)損耗，并提供卓越的高溫和高頻性能。

迄今為止，許多 SiC 芯片制造商已將 150mm 硅生產(chǎn)線(xiàn)轉變?yōu)?SiC 制造。Veliadis 表示：“迄今為止非常成功的模式是在成熟的、完全折舊的硅工廠(chǎng)中加工碳化硅，資本投資約為 3000 萬(wàn)美元，回報當然是巨大的?！睂τ陔娫茨K來(lái)說(shuō)，成本最為重要?！笆褂锰蓟?，您將為半導體芯片支付大約三倍的費用，但最終的系統成本低于硅功率模塊，這是違反直覺(jué)的。但答案很簡(jiǎn)單。在高頻下高效運行的能力大大減少了磁性元件和無(wú)源元件的體積，以至于抵消了芯片制造的較高成本?！?/span>

然而，該行業(yè)已經(jīng)沒(méi)有可以花費 3000 萬(wàn)美元進(jìn)行翻新的舊工廠(chǎng)了。新的碳化硅晶圓廠(chǎng)正在迅速建設中。與此同時(shí)，無(wú)晶圓廠(chǎng)公司正在爭奪產(chǎn)能。

“我們有兩個(gè)相互競爭的市場(chǎng)——汽車(chē)市場(chǎng)和可再生能源市場(chǎng)，它們都在尋求產(chǎn)能，”羅伯特·博世功率半導體和模塊高級副總裁拉爾夫·博內菲爾德 (Ralf Bornefeld) 表示?！拔覀儚男鹿谝咔橹辛私獾?，一個(gè)競爭市場(chǎng)可能會(huì )關(guān)閉另一個(gè)市場(chǎng)，因此我們需要考慮到這一點(diǎn)?！?博世目前正在生產(chǎn)第三代 SiC MOSFET 模塊，擊穿電壓為 1,200V。

SiC器件特別適合汽車(chē)，因為它們可以在惡劣環(huán)境下以更高的溫度運行提供高功率密度。SiC功率器件可以實(shí)現極低的開(kāi)關(guān)損耗和超低的RDSon（工作時(shí)源極和漏極之間的電阻）。較小的 RDSon 與 MOSFET 的較低功率損耗相關(guān)。

器件能力始于 SiC 材料?！熬w質(zhì)量是關(guān)鍵參與者在過(guò)去 20 年里一直在解決的首要因素，但晶體中仍然存在基面位錯、堆垛層錯等，需要進(jìn)行設計才能制造 20、30 和40 平方毫米設備，”SOITEC Innovation 高級副總裁 Christophe Maleville 說(shuō)道?！八哪昵?，當我們進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域時(shí)，我們首先注意到的是每個(gè)晶錠和每個(gè)晶圓的可行性都不同，工程師通常需要調整和驗證外延。因此，它在制造業(yè)中的實(shí)施方式還不是精益的?！?/span>

在電氣方面，功率器件可能對寄生電感、火花和其他挑戰敏感。與模擬混合信號工廠(chǎng)不同，參數是主要關(guān)注點(diǎn)，電源工程師要應對變化。

“過(guò)去，（模擬）缺乏收縮。但他們在缺陷方面已經(jīng)有了成熟的流程，”DR Yield首席執行官 Dieter Rathei 說(shuō)道?！半S著(zhù)碳化硅、氮化鎵和砷化鎵等化合物半導體變得更加主流并且增長(cháng)率更快，參數良率問(wèn)題將會(huì )得到改善?！?/span>

垂直整合與協(xié)作晶圓開(kāi)發(fā)？

目前100mm和150mm尺寸的晶圓大多采用六方晶格結構的單晶碳化硅（4H和6H表示4英寸和6英寸六方晶圓）。但最大的 SiC 器件生產(chǎn)商正在順利進(jìn)行從 150mm 到 200mm 的轉變，其他生產(chǎn)商也在利用這一供應。

例如，據 Yole Group 分析師稱(chēng)，英飛凌從多個(gè)供應商處獲得晶圓。其中包括意法半導體收購瑞典Nortel的多數股權。硅功率器件供應商瑞薩電子正在加強產(chǎn)能和合作伙伴關(guān)系。7 月，瑞薩電子簽署了一份為期 10 年的協(xié)議，并向 Wolfspeed 支付了 20 億美元的定金，以供應 150mm 裸露和外延 SiC 晶圓。瑞薩電子還與三菱達成了一項協(xié)議，三菱將斥資 2600 億日元用于技術(shù)和擴張，其中包括在日本新建一座 SiC 工廠(chǎng)。

“[瑞薩]是傳統功率半導體領(lǐng)域的后來(lái)者，但現在[我們的產(chǎn)品]因其高效率而受到重視，”該公司總裁 Hidetoshi Shibata 在最近的一份新聞稿中表示?！?/span>SiC 也可以做到這一點(diǎn)?！?/span>

與此同時(shí)，SOITEC和意法半導體正在探索單晶上多晶SiC方法，該方法將單晶硅晶圓分成多個(gè)切片并重新使用供體晶圓基板以減少浪費。多晶硅基底的優(yōu)點(diǎn)是能夠將熱量通過(guò)基板傳導至金屬連接器，從而實(shí)現更快的切換和出色的散熱。

在某些方面，碳化硅正在追隨硅的發(fā)展軌跡。但由于 SiC 的缺陷水平，需要一些數據共享。

“我們與硅晶圓供應商的原材料數據交換設備數據，”博世的 Bornefeld 說(shuō)?！拔覀冞€使用先進(jìn)的基于人工智能的系統來(lái)識別良好的相關(guān)性并分享這一點(diǎn)，以便兩家公司都能向前邁進(jìn)?！?/span>

盡管如此，數據共享并不普遍。與硅不同的是，從 150 毫米到 200 毫米的晶錠尺寸并不能帶來(lái)更多晶圓/晶錠形式的高回報。此外，200毫米需要更大的種子，這需要更長(cháng)的時(shí)間才能在2,500°C下生長(cháng)。如今，生產(chǎn)率（晶圓/晶錠）的提高可能在 20% 范圍內。TECHCET 分析師估計，相對于切片、研磨、拋光和 CMP 等，晶錠生長(cháng)的成本貢獻將下降（見(jiàn)圖 4）。

圖 4：由于每毫米晶柱高度的材料成本很高，因此最大化每晶柱的 SiC 晶圓數量至關(guān)重要。

汽車(chē)芯片超過(guò)電動(dòng)汽車(chē)

意法半導體汽車(chē)智能電源和分立產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監 Lee Bell 表示：“我們看到汽車(chē)應用半導體需求的增長(cháng)速度快于電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量的增長(cháng)速度?！?“這是由于多種因素造成的。先進(jìn)的駕駛員安全功能、自動(dòng)駕駛車(chē)輛控制、先進(jìn)的連接性和便利性功能都推動(dòng)了半導體需求，但與動(dòng)力系統電氣化的方式不同，”他說(shuō)?！暗?2022 年，約三分之二的電動(dòng)汽車(chē)是混合動(dòng)力汽車(chē)，其中約三分之一是電池驅動(dòng)的。到 2030 年，這一趨勢將發(fā)生逆轉。這是由于市場(chǎng)接受度提高、充電基礎設施可用性提高，但可能最重要的是，這是汽車(chē)制造商放置研發(fā)和制造預算的地方?！?這一變化是使用 SiC MOSFET 的關(guān)鍵驅動(dòng)力。

貝爾指出，牽引逆變器往往采用更大的芯片。他補充說(shuō)，車(chē)輛中的充電系統以及降低從電池到物聯(lián)網(wǎng)系統的電壓的 DC-DC 轉換器是功率半導體的巨大消費者?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)架構中兩者都不存在。

他還強調，首要關(guān)注的是效率（封裝設備和模塊），因為系統中的功率損耗越少，汽車(chē)和卡車(chē)的續航里程就越長(cháng)。“我們進(jìn)行了一項研究，比較了 210kW 逆變器系統（大約相當于 280 馬力）與 SiC MOSFET 和硅 IGBT（絕緣柵雙極晶體管），”他說(shuō)?！疤蓟璺椒ㄊ冀K能提供 98% 的運行效率，而 IGBT 方法的效率較低，尤其是在低運行負載范圍內，而車(chē)輛在該范圍內的使用壽命約為 95%?！?/span>

總功率是通態(tài)損耗加上開(kāi)關(guān)損耗。“碳化硅的開(kāi)關(guān)損耗降低了四倍，”他說(shuō)。ST 正在生產(chǎn)第四代 SiC 產(chǎn)品，其 RDSon 性能提高了 30%。

博世的 Bornefeld 展示了到 2030 年的需求和產(chǎn)能預估，表明日本、韓國、中國、馬來(lái)西亞、德國、奧地利和美國的全球晶圓和晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能相當可觀(guān)。事實(shí)上，該行業(yè)需要小心不要過(guò)度建設（見(jiàn)圖 5）?！皢?wèn)題是，‘中國正在發(fā)生什么？’ 中國在碳化硅原材料方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，他們正在提供質(zhì)量非常高、價(jià)格合理的晶圓，”博內菲爾德說(shuō)?！八麄冊谠O備方面也正在快速追趕。所以我們確實(shí)需要觀(guān)察和跟蹤整體容量?！?/span>

圖 5：全球將 SiC 原材料加工成晶圓的設施分布圖。

最后，PowerAmerica 的 Veliadis 談到了在晶圓廠(chǎng)中熟練實(shí)施 SiC 和 GaN 等寬帶隙半導體所需的工作場(chǎng)所培訓?！霸?SiC 和 GaN MOSFET 制造方面擁有豐富經(jīng)驗的工程師供不應求，而且 SiC 晶圓廠(chǎng)和硅晶圓廠(chǎng)之間存在顯著(zhù)差異?！?/span>

結論

清潔能源和電動(dòng)汽車(chē)轉型將需要 SiC 和 GaN 等替代半導體材料，并且功率器件肯定會(huì )在未來(lái)幾十年內得到顯著(zhù)優(yōu)化。技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)能擴張的狂熱可能不會(huì )持續，但功率器件仍將是許多公司路線(xiàn)圖的關(guān)鍵。

“我們知道半導體行業(yè)正在邁向 1 萬(wàn)億美元的市場(chǎng)，但每個(gè)人都想知道 2030 年之后會(huì )發(fā)生什么，”應用材料公司 ICAPS 戰略營(yíng)銷(xiāo)主管 David Britz表示?！拔襾?lái)這里是為了證明半導體的第五個(gè)時(shí)代確實(shí)是由能源生產(chǎn)和運輸的轉型推動(dòng)的?！?/span>

碳化硅晶圓、器件和模塊的增長(cháng)管理可能是迄今為止碳化硅市場(chǎng)最困難的方面，此外還有供應鏈問(wèn)題、填補技術(shù)空白和地緣政治變化。盡管如此，半導體技術(shù)界似乎在許多事情上達成了一致，特別是對下一代電源效率和性能的需求。