近日，聚焦SiC產(chǎn)業(yè)鏈的三家大廠意法半導(dǎo)體、三菱電機(jī)、英飛凌傳來(lái)最新消息。意法半導(dǎo)體方面，其將在意大利卡塔尼亞建設(shè)世界首個(gè)全流程垂直集成的碳化硅（SiC）工廠；三菱電機(jī)方面，該公司位于熊本縣正在建設(shè)的SiC晶圓廠將提前5個(gè)月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)；英飛凌方面，則已獲得其位于德國(guó)德累斯頓的價(jià)值50億歐元的智能功率半導(dǎo)體工廠的最終建設(shè)許可，該工廠將按計(jì)劃于2026年開(kāi)始生產(chǎn)。

碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻率、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，突破了硅基半導(dǎo)體材料的物理極限，是第三代半導(dǎo)體的核心材料之一，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括射頻器件、新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、數(shù)據(jù)中心、智能電網(wǎng)、軌道交通等。其中新能源汽車(chē)和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需求上漲明顯。

新能源汽車(chē)方面碳化硅的上車(chē)已成為大勢(shì)所向，在2024年的意法半導(dǎo)體高層表示，在北京國(guó)際汽車(chē)展覽會(huì)中，配備碳化硅的車(chē)型超70款。中國(guó)科學(xué)院院士郝躍表示，近些年車(chē)規(guī)級(jí)器件的標(biāo)配是6英寸碳化硅襯底和800伏MOS器件。意法半導(dǎo)體高層則表示，現(xiàn)在的新車(chē)，只要能用碳化硅的地方，便不會(huì)再用傳統(tǒng)功率器件。


高壓平臺(tái)提升零件技術(shù)要求，碳化硅功率器件脫穎而出

高壓平臺(tái)將給整車(chē)零部件系統(tǒng)帶來(lái)等多種高難度要求，例如更高絕緣工作電壓等級(jí)的承受能力、更低水平的導(dǎo)通損耗等等。因此，電驅(qū)系統(tǒng)、車(chē)載電源等作為零件系統(tǒng)中的重要部分，需要相應(yīng)升級(jí)以滿(mǎn)足上述要求；而功率器件作為重要組成部分，對(duì)于電驅(qū)系統(tǒng)、車(chē)載電源等部件的升級(jí)具有重要影響。

目前，大多數(shù)功率模塊采用硅基IGBT技術(shù)。但硅基IGBT的功率密度正接近極限，同時(shí)隨著整車(chē)平臺(tái)電壓的提高，硅基IGBT的開(kāi)關(guān)損耗將會(huì)加大。在此背景下，碳化硅（SiC）功率器件的應(yīng)用逐步擴(kuò)大。相較硅基IGBT，碳化硅器件具備多方面優(yōu)勢(shì)，尤其在電控逆變器、OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。

高壓平臺(tái)將會(huì)對(duì)器件的耐壓等級(jí)、導(dǎo)通損耗高低、開(kāi)關(guān)損耗高低等性能提出更高要求，而碳化硅較硅具備多重性能優(yōu)勢(shì)，更能夠滿(mǎn)足高壓平臺(tái)的需求。

1）碳化硅的禁帶比硅大3倍，擊穿電場(chǎng)高10倍，較高的擊穿電場(chǎng)使得碳化硅器件具有更薄的漂移層或更高的摻雜濃度，進(jìn)而具有更低的導(dǎo)通損耗；

2）此外，硅基IGBT因?yàn)槠鋼舸╇妷和ǔ?50-750V間，選取的拓?fù)洳煌耆嗤?；而由于高擊穿電壓，在高壓?yīng)用中使用碳化硅MOSFET可以采用簡(jiǎn)化的拓?fù)?，?jiǎn)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使得組件以及控制算法的設(shè)計(jì)工作量更少；

3）碳化硅可用于設(shè)計(jì)如高壓MOSFET等的單極器件，理論上不產(chǎn)生尾電流，而碳化硅MOSFET相比于硅基IGBT擁有更低的開(kāi)關(guān)損耗；

此外，碳化硅器件的芯片面積更小，能夠產(chǎn)生更小的柵極電荷和電容，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度和更低的開(kāi)關(guān)損耗。


SiC功率器件成熱門(mén)，吸引雙雄押下重注

根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，SiC功率器件將很快占據(jù)整個(gè)功率器件市場(chǎng)的30%，到2027年，SiC行業(yè)（從襯底到模塊，包括器件）的產(chǎn)值有望超過(guò)60億美元。

SiC器件的工作結(jié)溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達(dá)20kV，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件；碳化硅器件體積可減小到IGBT整機(jī)的1/3-1/5，重量可減小到40-60%。

隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，對(duì)功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長(zhǎng)點(diǎn)。截至2023年上半年，全球已有40款SiC車(chē)型進(jìn)入量產(chǎn)交付，可查到交付數(shù)據(jù)的SiC車(chē)型上半年累計(jì)銷(xiāo)售118.7萬(wàn)輛。

熱門(mén)的SiC便吸引了歐洲芯片雙雄意法和英飛凌在其中押下重注。

這些SiC巨頭通過(guò)收購(gòu)、合并等方式不斷擴(kuò)大自身規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了SiC全產(chǎn)業(yè)鏈的布局，并在全球范圍內(nèi)掌握了SiC技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。Yole估計(jì)，將有數(shù)十億美元投資于晶體和晶圓制造以及設(shè)備加工，到2027年市場(chǎng)潛力將達(dá)到60億美元，高于2021年的約10億美元。

高質(zhì)量國(guó)產(chǎn)替代，才是本土SiC器件的出路

雖然市場(chǎng)產(chǎn)銷(xiāo)兩旺，但是我國(guó)碳化硅功率器件仍處于早期階段，在技術(shù)成熟度、穩(wěn)定量產(chǎn)能力、產(chǎn)業(yè)鏈配套等方面與海外還存在較大差距，尤其是電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)用碳化硅功率器件，現(xiàn)階段完全依賴(lài)進(jìn)口。

究其背后原因，高巍博士分析到，“一是新能源汽車(chē)應(yīng)用涉及生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)SiC器件的可靠性、工藝等方面都有著高要求；第二點(diǎn)是新能源汽車(chē)對(duì)功率器件要求的壽命是15至20年，技術(shù)門(mén)檻高；第三點(diǎn)是對(duì)器件質(zhì)量要求很高，器件ppm級(jí)的低失效率保障；第四點(diǎn)，則是和公司的可靠性要求有關(guān)，高質(zhì)量、長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定供給的器件設(shè)計(jì)公司，是獲得車(chē)廠信任的保證?！?/span>

而針對(duì)車(chē)載應(yīng)用的高可靠性要求，SiC功率器件目前面臨著一系列挑戰(zhàn)：一是良率保證和設(shè)計(jì)工藝保證，這是基礎(chǔ)；第二點(diǎn)是所有器件必須滿(mǎn)足AEC-Q101基本保障；第三點(diǎn)是器件廠商的質(zhì)量管理體系保證；最后是供應(yīng)鏈體系的保證，只有具備穩(wěn)定的供應(yīng)鏈保證，車(chē)廠才會(huì)選擇合作。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，高巍博士從蓉矽半導(dǎo)體出發(fā)，分享了蓉矽半導(dǎo)體在良率保證、設(shè)計(jì)工藝保證等角度的舉措，闡述如何解決功率器件的高可靠性問(wèn)題。

第一，高良率是高可靠性的保證。“一個(gè)產(chǎn)品要做到高良率，離不開(kāi)設(shè)計(jì)、材料、工藝這三要素。”高巍博士表示，“設(shè)計(jì)方面，蓉矽半導(dǎo)體從設(shè)計(jì)階段就引入了DFR的觀念，設(shè)計(jì)之初就考慮到產(chǎn)品的可靠性，并把可靠性觀念貫穿產(chǎn)品的整個(gè)生命周期；材料方面，高品質(zhì)、低缺陷材料的選擇是良率的保障；工藝方面，作為設(shè)計(jì)公司，由于沒(méi)有自己的Fab，需要將所有工藝委外于Foundry，因此選擇具備成熟平臺(tái)和穩(wěn)定工程管控的Foundry，是高良率的重要保證?！?/span>

第二，柵氧的高可靠性保證。高巍博士從高頻開(kāi)關(guān)下的柵壓過(guò)沖問(wèn)題、柵氧化層失效機(jī)理等角度進(jìn)行了說(shuō)明。相對(duì)于傳統(tǒng)硅器件，碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)更加脆弱，其偶發(fā)失效率遠(yuǎn)高于同規(guī)格的硅基MOSFET，而柵氧是導(dǎo)致碳化硅失效一個(gè)特別重要也特別常見(jiàn)的失效現(xiàn)象，主要失效類(lèi)型包括低勢(shì)壘導(dǎo)致的隧穿加劇、陷阱造成的TAT的加劇以及工藝制程中帶來(lái)的外部缺陷。

因此，SiC MOSFET的柵氧可靠性問(wèn)題成為了制約其快速發(fā)展的因素之一，器件柵氧介質(zhì)可靠性提升也是碳化硅功率MOSFET器件實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)應(yīng)用面臨的重要瓶頸。

為發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主可控，國(guó)家宏觀到微觀層面先后出臺(tái)了大量支持政策與規(guī)劃，促進(jìn)國(guó)內(nèi)企業(yè)在半導(dǎo)體設(shè)備、材料、設(shè)計(jì)等各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的重點(diǎn)突破。同時(shí)，數(shù)千億規(guī)模的國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)、下游應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)企業(yè)提供了有力的資金支持。目前我國(guó)完善的基建配套、巨大的工程技術(shù)人員規(guī)模和市場(chǎng)容量已經(jīng)培育出了在細(xì)分領(lǐng)域具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的半導(dǎo)體產(chǎn)品制造企業(yè)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是資金密集、技術(shù)密集和人才密集的產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在政策引導(dǎo)、資金支持下，產(chǎn)能規(guī)模和制造技術(shù)均能保持穩(wěn)定發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。