英飛凌碳化硅：“碳” 尋綠色能源之路的創(chuàng)新引擎

英飛凌1992年開始碳化硅技術(shù)研發(fā)，是第一批研發(fā)碳化硅的半導(dǎo)體公司之一。2001年推出世界上第一個(gè)商用碳化硅二極管，此后生產(chǎn)線不斷升級(jí)，2018年收購德國Siltectra公司，2019年推出碳化硅CoolSiC^TM MOSFET技術(shù)，2024年推出了集成.XT技術(shù)的XHP^TM 2 CoolSiC^TM半橋模塊。英飛凌持續(xù)32年深耕碳化硅功率器件，不斷突破不斷創(chuàng)新，持續(xù)引領(lǐng)碳化硅技術(shù)發(fā)展。

近日，英飛凌在北京舉辦碳化硅媒體發(fā)布會(huì)，深入介紹了其在碳化硅功率器件產(chǎn)品及技術(shù)方面的進(jìn)展及其在工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用和戰(zhàn)略布局。

碳化硅變革綠色能源

在全球政治經(jīng)濟(jì)多變的背景下，綠色、環(huán)保、低碳成為各國共識(shí)。IEA報(bào)告顯示，綠色能源涵蓋的發(fā)電、輸配電、儲(chǔ)能、用電等電力全價(jià)值鏈?zhǔn)袌鰸摿薮?。?030年，光伏裝機(jī)量超5000GW，電網(wǎng)投資將達(dá)每年6000億美元以上，電池儲(chǔ)能容量將增加1000GW以上，電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域投資將超1萬億美元。據(jù)介紹，中國在高壓直流輸電、新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，如國內(nèi)約90,000臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、超220GW光伏發(fā)電機(jī)組、約15GW/30GW新型儲(chǔ)能系統(tǒng)以及2,800多列高鐵都應(yīng)用了英飛凌產(chǎn)品。

碳化硅作為滿足可持續(xù)性能源生產(chǎn)和消費(fèi)的核心技術(shù)，其產(chǎn)品創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新和系統(tǒng)應(yīng)用創(chuàng)新為客戶帶來高能效、系統(tǒng)級(jí)性價(jià)比和壽命周期可靠性的升級(jí)，驅(qū)動(dòng)可再生能源發(fā)展和電網(wǎng)升級(jí)、電動(dòng)汽車普及擴(kuò)展以及工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用的能效和智能提升。據(jù)預(yù)測，2024 - 2029年全球碳化硅市場規(guī)模將從31億歐元增長到90億歐元，年復(fù)合增長率超過24%。

解決碳化硅產(chǎn)品痛點(diǎn)

英飛凌科技高級(jí)副總裁、工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)大中華區(qū)負(fù)責(zé)人于代輝

針對(duì)碳化硅產(chǎn)品一致性、領(lǐng)先性、創(chuàng)新性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性等痛點(diǎn)，英飛凌科技高級(jí)副總裁、工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)大中華區(qū)負(fù)責(zé)人于代輝先生表示，英飛凌作為IDM廠商，在技術(shù)和產(chǎn)品穩(wěn)定性上，從芯片到封裝協(xié)同效應(yīng)明顯，嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系可確保產(chǎn)品質(zhì)量；在供貨上，采用多元化采購，與中國本土及全球供應(yīng)商簽訂協(xié)議。在技術(shù)驅(qū)動(dòng)上，已積累近3萬項(xiàng)專利，擁有冷切割、溝槽柵、以及封裝等全球領(lǐng)先技術(shù)，并采用嚴(yán)苛的測試標(biāo)準(zhǔn)。在追求卓越方面，已推出多款全球首款產(chǎn)品并獲多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。產(chǎn)能布局上，奧地利和馬來西亞工廠虛擬協(xié)同，，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，注重與中國市場和客戶的深度融合，“融入市場，融入客戶”， 充分了解本土市場需求、加快對(duì)市場和客戶的響應(yīng)速度、加強(qiáng)本土應(yīng)用創(chuàng)新能力，加深對(duì)本土需求和系統(tǒng)的理解，從而為國內(nèi)客戶提供“端到端”增值服務(wù)。

碳化硅何以英飛凌

會(huì)上英飛凌科技副總裁、工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)大中華區(qū)市場負(fù)責(zé)人沈璐女士向我們分享了關(guān)于英飛凌碳化硅的一個(gè)目標(biāo)、兩個(gè)誤解以及三個(gè)持續(xù)。

英飛凌科技副總裁、工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)大中華區(qū)市場負(fù)責(zé)人沈璐

在全社會(huì)正進(jìn)行低碳化以及電氣化轉(zhuǎn)型的大背景下，英飛凌設(shè)立的一個(gè)目標(biāo)是要成為首選的零碳技術(shù)創(chuàng)新伙伴。

新能源架構(gòu)中能源轉(zhuǎn)換次數(shù)逐步增加，盡管可再生能源免費(fèi)，但每次轉(zhuǎn)換都有能效損失，因此高效能源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。碳化硅技術(shù)是提升能效的功率半導(dǎo)體技術(shù)，旨在滿足低碳轉(zhuǎn)型中的兩大需求：能效創(chuàng)新（如光伏、儲(chǔ)能、充電樁）和設(shè)計(jì)創(chuàng)新（系統(tǒng)小型化、低成本、節(jié)能高效）。英飛凌表示，碳化硅商業(yè)模式的成功在于與客戶聯(lián)合創(chuàng)新，以找到能效和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的正確方案。

其次是關(guān)于碳化硅的兩個(gè)誤解，第一個(gè)誤解是，大眾認(rèn)為平面柵結(jié)構(gòu)比較簡單，可靠性似乎更高，而溝槽柵結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝都很復(fù)雜，可能會(huì)有長期可靠性的問題。

但實(shí)際情況是，在可靠性上，硅器件與碳化硅器件的關(guān)鍵部分在于“柵極氧化層”。若將電流比作汽車，柵極氧化層即為路面。硅基上的柵極氧化層平坦如高速公路，而碳化硅上的則崎嶇如鄉(xiāng)間小道，因其缺陷密度更高，影響器件壽命，導(dǎo)致失效。為提升碳化硅可靠性，需降低其柵極氧化層缺陷密度。英飛凌采用高效測試方法，用高篩選電壓篩選器件，電壓越高，發(fā)現(xiàn)缺陷越多，篩選出的器件可靠性越高。

平面柵技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高可靠性，因其如車行顛簸路面，速度受限。溝槽柵技術(shù)則如挖隧道，速度更快。若平面柵要達(dá)到溝槽柵速度，需更薄的柵極氧化層，但篩選電壓與氧化層厚度成正比，薄氧化層難以承受高電壓篩選。因此，英飛凌的溝槽柵技術(shù)通過更厚的氧化層和更高的篩選電壓，最大限度降低缺陷密度，保障可靠性。

第二個(gè)常見誤區(qū)是關(guān)于碳化硅性能的評(píng)價(jià)。常聽到只看單位面積導(dǎo)通電阻（Rsp）來評(píng)價(jià)器件好壞的說法，但這并不全面。碳化硅的商業(yè)價(jià)值在于長期、可靠、高效的能源轉(zhuǎn)化效率。能量損耗由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成，隨著碳化硅高頻開關(guān)應(yīng)用的出現(xiàn)，開關(guān)損耗越來越重要。例如，在60kHz的開關(guān)頻率下，導(dǎo)通損耗已遠(yuǎn)小于開關(guān)損耗。除了芯片損耗，封裝參數(shù)如熱阻也影響能效轉(zhuǎn)換。模塊雜感優(yōu)化對(duì)功率輸出和頻率穩(wěn)定性也很重要。此外，魯棒性和可靠性也是關(guān)鍵，包括長期使用壽命和極端工況下的穩(wěn)定性能。

關(guān)于高溫漂移，溝槽柵和平面柵的電阻變化不同，并非產(chǎn)品可靠性問題。導(dǎo)通電阻由溝道電阻A和外延層電阻B組成，它們的溫度特性相反。平面柵的溝道電阻A占比大，能補(bǔ)償B的上升，所以導(dǎo)通損耗受溫度變化影響小。而溝槽柵的溝道電阻A占比小，無法補(bǔ)償B的上升，導(dǎo)致高溫漂移。因此，碳化硅性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)多元化，包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、雜散電感、封裝熱阻以及魯棒性和可靠性。英飛凌為用戶提供詳盡的設(shè)計(jì)參數(shù)，幫助工程師充分利用每個(gè)器件。

對(duì)于三個(gè)持續(xù)，沈璐表示：“第一我們要持續(xù)布局，步履不停。第二持續(xù)創(chuàng)新，超越期待。第三是持續(xù)深耕，穿越周期?！比齻€(gè)持續(xù)是英飛凌對(duì)于碳化硅業(yè)務(wù)的堅(jiān)定選擇，也是英飛凌應(yīng)對(duì)市場挑戰(zhàn)的信心。

第二代CoolSiC^TM MOSFETs驚艷亮相

英飛凌持續(xù)布局碳化硅業(yè)務(wù)，從芯片技術(shù)迭代到生產(chǎn)線升級(jí)，不斷滿足客戶多元化需求，避免同質(zhì)化競爭。英飛凌的目標(biāo)是減少工藝損耗、優(yōu)化散熱性能，以保持高可靠性。從CoolSiC^TM MOSFETs第一代到新一代技術(shù)，英飛凌一直致力于降低損耗、提高散熱性能和可靠性。

CoolSiC^TM MOSFETs G2的電阻范圍從7毫歐到78毫歐，其中7毫歐是業(yè)界工藝密度之最。與G1相比，G2具有更低的損耗、更好的散熱、更易用且更寬的V_GS范圍。同時(shí)G2還增強(qiáng)了開關(guān)性能，降低開關(guān)損耗，提高功率效率。

R_DSON*Q_GD品質(zhì)因素反映開關(guān)損耗。在開關(guān)過程中，Q_GD和R_DSON的乘積影響開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的平衡。乘積越小，損耗越低，器件性能越好，這在硬開關(guān)應(yīng)用中尤為重要。不同應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)器件性能要求不同。英飛凌優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)損耗等其他因素，使G2系列表現(xiàn)最佳。在半橋拓?fù)錅y試中，通過對(duì)比，包括與第一代產(chǎn)品的比較，G2整體效率更高。

英飛凌科技高級(jí)技術(shù)總監(jiān)、工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)大中華區(qū)技術(shù)負(fù)責(zé)人陳立烽

值得一提的是G2采用了英飛凌.XT互連技術(shù)和擴(kuò)散焊技術(shù)。英飛凌科技高級(jí)技術(shù)總監(jiān)、工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)大中華區(qū)技術(shù)負(fù)責(zé)人陳立烽先生介紹到，“在傳統(tǒng)器件中，無論是單板還是模塊，通常采用標(biāo)準(zhǔn)焊接方式，即將芯片焊接到芯片引線框架或者DCB等載體上。然而，通過X光或者顯微鏡觀察，標(biāo)準(zhǔn)焊接過程往往難以達(dá)到完全平滑的焊接效果。相比之下，采用.XT擴(kuò)散焊技術(shù)則能顯著改善這一情況。該技術(shù)使得芯片與載體之間的結(jié)合處變得非常緊密。這種緊密的結(jié)合不僅有助于降低熱阻，提高散熱效率，還能顯著提升焊接的可靠性，從而增強(qiáng)器件對(duì)于溫度熱應(yīng)力的抵抗能力。”

在工藝水平方面，英飛凌采用了冷切割技術(shù)，能夠更加充分的利用材料，特別是在工藝器件生產(chǎn)的一道工序減薄環(huán)節(jié)中。

未來，相信英飛凌會(huì)繼續(xù)深耕在碳化硅領(lǐng)域，并持續(xù)創(chuàng)造出引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的碳化硅產(chǎn)品。