近日，由芯師爺主辦的“第五屆硬核芯生態(tài)大會(huì)暨2023汽車芯片技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用論壇”在深圳國(guó)際會(huì)展中心成功舉辦，成都蓉矽半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱：蓉矽半導(dǎo)體）副總經(jīng)理兼研發(fā)中心總經(jīng)理高巍博士受邀出席，并發(fā)表了主題演講《高可靠性是國(guó)產(chǎn)SiC功率半導(dǎo)體器件車載應(yīng)用的必經(jīng)之路》，從碳化硅(SiC)功率器件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)、高可靠性要求、高可靠性的實(shí)現(xiàn)等維度出發(fā)，剖析了國(guó)產(chǎn)碳化硅器件面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，以及破局之路。

蓉矽半導(dǎo)體成立于2019年，總部位于成都，是四川省首家專注碳化硅功率器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有臺(tái)灣漢磊科技第一優(yōu)先級(jí)產(chǎn)能保障，目前擁有高性價(jià)比“NovuSiC?”和高可靠性“DuraSiC?”產(chǎn)品系列，涵蓋碳化硅二極管EJBS?與碳化硅MOSFET；硅基FR MOS與理想硅基二極管MCR?，應(yīng)用于光伏逆變器、儲(chǔ)能、充電樁、OBC及新能源汽車等領(lǐng)域。

SiC功率器件需求旺盛，進(jìn)入“上車”放量窗口期

隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車、光伏、儲(chǔ)能等市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，碳化硅功率器件呈蓬勃之勢(shì)，成為目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最熱門的賽道之一，吸引了眾多半導(dǎo)體大廠以及初創(chuàng)新銳力量紛至沓來(lái)，參與其中。

SiC功率器件火熱的背后，根由在于其材料性能。作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，碳化硅材料(SiC)有著擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、禁帶寬度大、飽和電子漂移速度大、熔點(diǎn)和熱導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能均優(yōu)于硅和氮化鎵(GaN)，因而更適合于制作高溫、高頻及大功率器件，可以有效實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化。

基于上述優(yōu)勢(shì)特性，SiC功率器件被廣泛應(yīng)用于新能源、充電樁、軌道交通、光伏、開(kāi)關(guān)電源、輸配電等領(lǐng)域。“可以看出來(lái)，SiC功率器件應(yīng)用市場(chǎng)主要集中在工業(yè)和汽車領(lǐng)域，而不是消費(fèi)領(lǐng)域，這就要求其必須滿足工業(yè)級(jí)以及車規(guī)級(jí)的可靠性需求?！备呶〔┦勘硎?。

談到SiC功率器件在新能源汽車上的應(yīng)用，高巍博士指出，“主要為兩個(gè)方向，一個(gè)用于車載充電系統(tǒng)（OBC），另一個(gè)用于主逆變器。”

首先是車載充電系統(tǒng)（OBC），SiC器件有利于OBC功率密度的提升和重量的降低。高巍博士分析了OBC 800V電池平臺(tái)系統(tǒng)中SiC器件的應(yīng)用表現(xiàn)，其系統(tǒng)拓?fù)涫侨嗳珮騪fc+cllc，功率為11kW/22kW，PFC是60kHz—140kHz，在這樣的場(chǎng)景下，采用1200V的SiC器件，系統(tǒng)拓?fù)鋾?huì)更簡(jiǎn)單，總損耗下降50%以上，磁性器件體積可降70%以上，效率提升約2%，峰值可以達(dá)到97%。

其次是在主逆變上的應(yīng)用，SiC器件相比硅基IGBT優(yōu)勢(shì)明顯，具有更高的功率轉(zhuǎn)換效率。高巍博士同樣以主逆變的拓?fù)溥M(jìn)行說(shuō)明，SiC功率模塊開(kāi)關(guān)損耗相比IGBT減小75%以上，系統(tǒng)效率提升約3%，最高效率可達(dá)到99%以上；同時(shí)，由于SiC功率器件開(kāi)關(guān)速度快，所以死區(qū)時(shí)間可減小到1μs以內(nèi)，大幅提升控制性能。這樣帶來(lái)的直接好處就是行駛里程的增加，對(duì)比硅基IGBT，使用SiC器件的電動(dòng)車將增加5—10%的續(xù)航里程，整車重量減小4%，電池+冷卻液成本可降低約900美金。

雖然市場(chǎng)產(chǎn)銷兩旺，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)汽車主驅(qū)用碳化硅功率器件，現(xiàn)階段完全依賴進(jìn)口。

高質(zhì)量國(guó)產(chǎn)替代，才是本土SiC器件的出路

究其背后原因，高巍博士分析到，“一是新能源汽車應(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)是新能源汽車對(duì)功率器件要求的壽命是15至20年，技術(shù)門檻高；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，是獲得車廠信任的保證。”

圖源：截自蓉矽半導(dǎo)體演講PPT

而針對(duì)車載應(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?！耙粋€(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?！?/p>

圖源：截自蓉矽半導(dǎo)體演講PPT

?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)新能源汽車應(yīng)用面臨的重要瓶頸。

認(rèn)真做好每一顆產(chǎn)品，用高可靠性產(chǎn)品服務(wù)客戶

針對(duì)柵氧化層可靠性，蓉矽半導(dǎo)體首先是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過(guò)降低工作狀態(tài)下的柵氧化層電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)緩解因隧穿電流造成的退化，以及通過(guò)柵氧化層的低電場(chǎng)設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)器件的壽命、降低器件在使用過(guò)程中的偶發(fā)失效率。

圖源：截自蓉矽半導(dǎo)體演講PPT

其次是篩選環(huán)節(jié)，在常規(guī)UIS、DVDS篩選的基礎(chǔ)上，蓉矽半導(dǎo)體加入高應(yīng)力的測(cè)試項(xiàng)目以篩出早期失效品，比如有些產(chǎn)品因工藝缺陷，導(dǎo)致柵氧有些地方厚，有的地方薄，或者雜質(zhì)的摻入。

”但現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對(duì)于碳化硅來(lái)講，最大的問(wèn)題不是解決早期失效的問(wèn)題，而是解決偶發(fā)時(shí)效初期的問(wèn)題，其真實(shí)原因，是沒(méi)有真正地在早期失效的這個(gè)位置上篩選出來(lái)?！案呶〔┦恐赋觯?strong>為解決早期失效模型建立這一難題，蓉矽半導(dǎo)體采取了兩大策略：

1、增加?xùn)叛趸瘜雍穸?/strong>