電動(dòng)汽車乘風(fēng)而起，IGBT與SiC將誰主沉??？
2022-10-17 11:41:08??????點(diǎn)擊：
近幾年來，電動(dòng)汽車、電化學(xué)儲(chǔ)能、以及光伏和風(fēng)電等新能源市場(chǎng)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)功率器件的需求量大增，特別是電動(dòng)汽車的興起，讓IGBT常年處于供應(yīng)緊張狀態(tài)，且未來幾年都沒有緩解的跡象。此時(shí)，SiC器件也乘勢(shì)而起，開啟了汽車領(lǐng)域的滲透之路，那么，未來這兩種功率器件將誰主沉浮呢？
1982年，通用電氣的B?賈揚(yáng)?巴利加發(fā)明了IGBT，它集合了雙極型功率晶體管（BJT）和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)推出，便引起了廣泛關(guān)注，各大半導(dǎo)體公司都投入巨資開發(fā)IGBT器件。隨著工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，其電性能參數(shù)和可靠性也日趨完善。
據(jù)Omdia統(tǒng)計(jì)，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模在過去近十年中保持穩(wěn)定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場(chǎng)，占到全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模的40%左右。另外，根據(jù)測(cè)算，國內(nèi)車載IGBT市場(chǎng)的規(guī)模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計(jì)算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術(shù)成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。然而，隨著功率器件使用場(chǎng)合日益豐富，對(duì)高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環(huán)境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設(shè)計(jì)瓶頸，SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體器件開始嶄露頭角。因?yàn)檫@類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
IGBT與SiC的性能對(duì)比
前面有提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優(yōu)點(diǎn)，它既具有功率MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動(dòng)特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點(diǎn)，且具有高耐壓能力。據(jù)悉，目前商業(yè)化的IGBT模塊耐壓已經(jīng)做到了6500V，實(shí)驗(yàn)室甚至已經(jīng)做到了8000V。
目前，IGBT器件的發(fā)展趨勢(shì)主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發(fā)展的主要難點(diǎn)在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達(dá)到。主要體現(xiàn)在IGBT的開通速度和損耗、擴(kuò)展至8英寸和12英寸制造/加工技術(shù)的挑戰(zhàn)、緩沖層構(gòu)成，以及微溝槽設(shè)計(jì)等方面。
也就是說，要想設(shè)計(jì)出性能更好的IGBT產(chǎn)品，需要減少產(chǎn)品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如英飛凌、ST、三菱電機(jī)等基本都掌握了場(chǎng)終止層（Field-stop，F(xiàn)S）+溝槽柵IGBT技術(shù)，且相繼推出了不同系列，不同規(guī)格的600V~6500V IGBT器件和模塊產(chǎn)品。 國內(nèi)IGBT廠商由于設(shè)備和工藝水平等因素的影響，目前還處于追趕階段。不過可喜的是，已經(jīng)有不少廠商取得了不錯(cuò)的進(jìn)步，比如國內(nèi)的賽晶亞太半導(dǎo)體科技（浙江）有限公司（以下簡稱“賽晶亞太半導(dǎo)體”），其已經(jīng)量產(chǎn)的i20 IGBT芯片組，性能達(dá)到，甚至有些方面已經(jīng)超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據(jù)資料顯示，i20 IGBT芯片采用精細(xì)溝槽柵-場(chǎng)終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結(jié)構(gòu)，并通過N型增強(qiáng)層（N- Enhancement layer）、窄臺(tái)面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+（Optimized P+ LAYER）、先進(jìn)3D結(jié)構(gòu)（Advanced 3D structure）等多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善IGBT導(dǎo)通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能，同時(shí)大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩(wěn)健性。
在性能方面，根據(jù)賽晶亞太半導(dǎo)體公開的其量產(chǎn)i20模塊與相似封裝技術(shù)的IGBT4模塊測(cè)試對(duì)比來看，兩個(gè)模塊的開通損耗基本相當(dāng)；關(guān)斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導(dǎo)通壓降更低。
在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設(shè)計(jì)，在VDC=800V時(shí)，可達(dá)到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規(guī)級(jí)AQG 324標(biāo)準(zhǔn)中極其重要的高溫高濕反偏試驗(yàn)（H3TRB）等測(cè)試。。且在經(jīng)過1500小時(shí)后，仍然沒有出現(xiàn)性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對(duì)SiC MOSFET的特性進(jìn)行了深入研究。據(jù)研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場(chǎng)合，現(xiàn)有的SiC器件與硅基功率器件相比開關(guān)速度并不占優(yōu)勢(shì)，但在900V以上的場(chǎng)合，SiC的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了。
比如說，1200V器件的開關(guān)損耗與開關(guān)時(shí)間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應(yīng)用場(chǎng)景。而開關(guān)頻率提升后，可以減小系統(tǒng)中無源元件的體積和重量，從而減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，增加系統(tǒng)的功率密度。
目前，SiC MOSFET技術(shù)遇到的主要難點(diǎn)是原材料成本和加工技術(shù)，業(yè)界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點(diǎn)階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產(chǎn)線還比較少，良率目前也不是很高，因此產(chǎn)量提升還有難度；次要的難點(diǎn)是改進(jìn)器件理論并積累更多可靠性數(shù)據(jù)。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需求一路高漲，目前處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量，而襯底和晶圓廠技術(shù)壁壘較高，產(chǎn)能擴(kuò)張慢等因素影響，再加上電動(dòng)汽車800V平臺(tái)的車型越來越多，對(duì)SiC MOSFET的需求將進(jìn)一步放大，未來供給缺口恐更大。
結(jié)語
可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術(shù)性能優(yōu)于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產(chǎn)量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，經(jīng)過40多年的持續(xù)奮斗，不斷探索與創(chuàng)新，硅基IGBT的參數(shù)折中已經(jīng)達(dá)到了極高的水平，可以滿足不同的應(yīng)用市場(chǎng)需求，而且成本可控。
因此，可以預(yù)見的是未來相當(dāng)長一段時(shí)間，硅基IGBT和SiC器件將會(huì)共存于市場(chǎng)。即便是電動(dòng)汽車市場(chǎng)，會(huì)極大推動(dòng)IGBT和SiC器件的發(fā)展，由于成本和性能的考量，這兩者也仍然會(huì)是共存狀態(tài)。
節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)必然會(huì)推動(dòng)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，IGBT和SiC器件是功率半導(dǎo)體的技術(shù)前沿。目前主要的供應(yīng)商還集中在國外，好在國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭也非常好，比如賽晶亞太半導(dǎo)體在2021年6月就完成了其第一條IGBT模塊生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，該生產(chǎn)線制造的ED封裝IGBT模塊系列產(chǎn)品已經(jīng)在數(shù)家電動(dòng)汽車、風(fēng)電、光伏及工業(yè)電控領(lǐng)域企業(yè)開展測(cè)試，去年年底完成了以晶圓形式向新能源乘用車市場(chǎng)客戶的批量交付。今年年中完成了IGBT模塊批量交付新能源乘用車客戶。此外，該公司SiC MOSFET產(chǎn)品也在布局當(dāng)中，預(yù)計(jì)今年推出第一代碳化硅模塊。
1982年，通用電氣的B?賈揚(yáng)?巴利加發(fā)明了IGBT，它集合了雙極型功率晶體管（BJT）和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)推出，便引起了廣泛關(guān)注，各大半導(dǎo)體公司都投入巨資開發(fā)IGBT器件。隨著工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，其電性能參數(shù)和可靠性也日趨完善。
據(jù)Omdia統(tǒng)計(jì)，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模在過去近十年中保持穩(wěn)定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場(chǎng)，占到全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模的40%左右。另外，根據(jù)測(cè)算，國內(nèi)車載IGBT市場(chǎng)的規(guī)模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計(jì)算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術(shù)成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。然而，隨著功率器件使用場(chǎng)合日益豐富，對(duì)高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環(huán)境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設(shè)計(jì)瓶頸，SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體器件開始嶄露頭角。因?yàn)檫@類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
近幾年，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率器件制造技術(shù)的發(fā)展也突飛猛進(jìn)，許多半導(dǎo)體公司都推出了其商業(yè)化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例，現(xiàn)有的商業(yè)化功率器件耐壓范圍達(dá)到了650V~1700V，電流等級(jí)達(dá)到了6~60A，SiC模塊的耐壓等級(jí)甚至已經(jīng)達(dá)到了幾十kV。
IGBT與SiC的性能對(duì)比
前面有提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優(yōu)點(diǎn)，它既具有功率MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動(dòng)特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點(diǎn)，且具有高耐壓能力。據(jù)悉，目前商業(yè)化的IGBT模塊耐壓已經(jīng)做到了6500V，實(shí)驗(yàn)室甚至已經(jīng)做到了8000V。
目前，IGBT器件的發(fā)展趨勢(shì)主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發(fā)展的主要難點(diǎn)在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達(dá)到。主要體現(xiàn)在IGBT的開通速度和損耗、擴(kuò)展至8英寸和12英寸制造/加工技術(shù)的挑戰(zhàn)、緩沖層構(gòu)成，以及微溝槽設(shè)計(jì)等方面。
也就是說，要想設(shè)計(jì)出性能更好的IGBT產(chǎn)品，需要減少產(chǎn)品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如英飛凌、ST、三菱電機(jī)等基本都掌握了場(chǎng)終止層（Field-stop，F(xiàn)S）+溝槽柵IGBT技術(shù)，且相繼推出了不同系列，不同規(guī)格的600V~6500V IGBT器件和模塊產(chǎn)品。 國內(nèi)IGBT廠商由于設(shè)備和工藝水平等因素的影響，目前還處于追趕階段。不過可喜的是，已經(jīng)有不少廠商取得了不錯(cuò)的進(jìn)步，比如國內(nèi)的賽晶亞太半導(dǎo)體科技（浙江）有限公司（以下簡稱“賽晶亞太半導(dǎo)體”），其已經(jīng)量產(chǎn)的i20 IGBT芯片組，性能達(dá)到，甚至有些方面已經(jīng)超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據(jù)資料顯示，i20 IGBT芯片采用精細(xì)溝槽柵-場(chǎng)終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結(jié)構(gòu)，并通過N型增強(qiáng)層（N- Enhancement layer）、窄臺(tái)面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+（Optimized P+ LAYER）、先進(jìn)3D結(jié)構(gòu)（Advanced 3D structure）等多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善IGBT導(dǎo)通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能，同時(shí)大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩(wěn)健性。
在性能方面，根據(jù)賽晶亞太半導(dǎo)體公開的其量產(chǎn)i20模塊與相似封裝技術(shù)的IGBT4模塊測(cè)試對(duì)比來看，兩個(gè)模塊的開通損耗基本相當(dāng)；關(guān)斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導(dǎo)通壓降更低。
在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設(shè)計(jì)，在VDC=800V時(shí)，可達(dá)到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規(guī)級(jí)AQG 324標(biāo)準(zhǔn)中極其重要的高溫高濕反偏試驗(yàn)（H3TRB）等測(cè)試。。且在經(jīng)過1500小時(shí)后，仍然沒有出現(xiàn)性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對(duì)SiC MOSFET的特性進(jìn)行了深入研究。據(jù)研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場(chǎng)合，現(xiàn)有的SiC器件與硅基功率器件相比開關(guān)速度并不占優(yōu)勢(shì)，但在900V以上的場(chǎng)合，SiC的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了。
比如說，1200V器件的開關(guān)損耗與開關(guān)時(shí)間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應(yīng)用場(chǎng)景。而開關(guān)頻率提升后，可以減小系統(tǒng)中無源元件的體積和重量，從而減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，增加系統(tǒng)的功率密度。
目前，SiC MOSFET技術(shù)遇到的主要難點(diǎn)是原材料成本和加工技術(shù)，業(yè)界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點(diǎn)階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產(chǎn)線還比較少，良率目前也不是很高，因此產(chǎn)量提升還有難度；次要的難點(diǎn)是改進(jìn)器件理論并積累更多可靠性數(shù)據(jù)。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需求一路高漲，目前處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量，而襯底和晶圓廠技術(shù)壁壘較高，產(chǎn)能擴(kuò)張慢等因素影響，再加上電動(dòng)汽車800V平臺(tái)的車型越來越多，對(duì)SiC MOSFET的需求將進(jìn)一步放大，未來供給缺口恐更大。
結(jié)語
可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術(shù)性能優(yōu)于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產(chǎn)量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，經(jīng)過40多年的持續(xù)奮斗，不斷探索與創(chuàng)新，硅基IGBT的參數(shù)折中已經(jīng)達(dá)到了極高的水平，可以滿足不同的應(yīng)用市場(chǎng)需求，而且成本可控。
因此，可以預(yù)見的是未來相當(dāng)長一段時(shí)間，硅基IGBT和SiC器件將會(huì)共存于市場(chǎng)。即便是電動(dòng)汽車市場(chǎng)，會(huì)極大推動(dòng)IGBT和SiC器件的發(fā)展，由于成本和性能的考量，這兩者也仍然會(huì)是共存狀態(tài)。
節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)必然會(huì)推動(dòng)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，IGBT和SiC器件是功率半導(dǎo)體的技術(shù)前沿。目前主要的供應(yīng)商還集中在國外，好在國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭也非常好，比如賽晶亞太半導(dǎo)體在2021年6月就完成了其第一條IGBT模塊生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，該生產(chǎn)線制造的ED封裝IGBT模塊系列產(chǎn)品已經(jīng)在數(shù)家電動(dòng)汽車、風(fēng)電、光伏及工業(yè)電控領(lǐng)域企業(yè)開展測(cè)試，去年年底完成了以晶圓形式向新能源乘用車市場(chǎng)客戶的批量交付。今年年中完成了IGBT模塊批量交付新能源乘用車客戶。此外，該公司SiC MOSFET產(chǎn)品也在布局當(dāng)中，預(yù)計(jì)今年推出第一代碳化硅模塊。
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