电动车市场爆发，中国SiC功率半导体准备好了吗？

近日，由芯师爷主办的“第五届硬核芯生态大会暨2023汽车芯片技术创新与应用论坛”在深圳国际会展中心成功举办，成都蓉矽半导体有限公司（以下简称：蓉矽半导体）副总经理兼研发中心总经理高巍博士受邀出席，并发表了主题演讲《高可靠性是国产SiC功率半导体器件车载应用的必经之路》，从碳化硅(SiC)功率器件的应用优势与挑战、高可靠性要求、高可靠性的实现等维度出发，剖析了国产碳化硅器件面临的机遇和挑战，以及破局之路。

蓉矽半导体成立于2019年，总部位于成都，是四川省首家专注碳化硅功率器件设计与开发的高新技术企业，拥有台湾汉磊科技第一优先级产能保障，目前拥有高性价比“NovuSiC®”和高可靠性“DuraSiC®”产品系列，涵盖碳化硅二极管EJBS™与碳化硅MOSFET；硅基FR MOS与理想硅基二极管MCR®，应用于光伏逆变器、储能、充电桩、OBC及新能源汽车等领域。

SiC功率器件需求旺盛，进入“上车”放量窗口期

随着国内新能源汽车、光伏、储能等市场规模快速增长，碳化硅功率器件呈蓬勃之势，成为目前半导体产业最热门的赛道之一，吸引了众多半导体大厂以及初创新锐力量纷至沓来，参与其中。

SiC功率器件火热的背后，根由在于其材料性能。作为第三代半导体材料的代表，碳化硅材料(SiC)有着击穿场强高、禁带宽度大、饱和电子漂移速度大、熔点和热导率高的优点，各项性能均优于硅和氮化镓(GaN)，因而更适合于制作高温、高频及大功率器件，可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。

基于上述优势特性，SiC功率器件被广泛应用于新能源、充电桩、轨道交通、光伏、开关电源、输配电等领域。“可以看出来，SiC功率器件应用市场主要集中在工业和汽车领域，而不是消费领域，这就要求其必须满足工业级以及车规级的可靠性需求。”高巍博士表示。

谈到SiC功率器件在新能源汽车上的应用，高巍博士指出，“主要为两个方向，一个用于车载充电系统（OBC），另一个用于主逆变器。”

首先是车载充电系统（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电池平台系统中SiC器件的应用表现，其系统拓扑是三相全桥pfc+cllc，功率为11kW/22kW，PFC是60kHz—140kHz，在这样的场景下，采用1200V的SiC器件，系统拓扑会更简单，总损耗下降50%以上，磁性器件体积可降70%以上，效率提升约2%，峰值可以达到97%。

其次是在主逆变上的应用，SiC器件相比硅基IGBT优势明显，具有更高的功率转换效率。高巍博士同样以主逆变的拓扑进行说明，SiC功率模块开关损耗相比IGBT减小75%以上，系统效率提升约3%，最高效率可达到99%以上；同时，由于SiC功率器件开关速度快，所以死区时间可减小到1μs以内，大幅提升控制性能。这样带来的直接好处就是行驶里程的增加，对比硅基IGBT，使用SiC器件的电动车将增加5—10%的续航里程，整车重量减小4%，电池+冷却液成本可降低约900美金。

虽然市场产销两旺，但是我国碳化硅功率器件仍处于早期阶段，在技术成熟度、稳定量产能力、产业链配套等方面与海外还存在较大差距，尤其是电动汽车主驱用碳化硅功率器件，现阶段完全依赖进口。

高质量国产替代，才是本土SiC器件的出路

究其背后原因，高巍博士分析到，“一是新能源汽车应用涉及生命财产安全，对SiC器件的可靠性、工艺等方面都有着高要求；第二点是新能源汽车对功率器件要求的寿命是15至20年，技术门槛高；第三点是对器件质量要求很高，器件ppm级的低失效率保障；第四点，则是和公司的可靠性要求有关，高质量、长时间、稳定供给的器件设计公司，是获得车厂信任的保证。”

图源：截自蓉矽半导体演讲PPT

而针对车载应用的高可靠性要求，SiC功率器件目前面临着一系列挑战：一是良率保证和设计工艺保证，这是基础；第二点是所有器件必须满足AEC-Q101基本保障；第三点是器件厂商的质量管理体系保证；最后是供应链体系的保证，只有具备稳定的供应链保证，车厂才会选择合作。

针对上述挑战，高巍博士从蓉矽半导体出发，分享了蓉矽半导体在良率保证、设计工艺保证等角度的举措，阐述如何解决功率器件的高可靠性问题。

第一，高良率是高可靠性的保证。“一个产品要做到高良率，离不开设计、材料、工艺这三要素。”高巍博士表示，“设计方面，蓉矽半导体从设计阶段就引入了DFR的观念，设计之初就考虑到产品的可靠性，并把可靠性观念贯穿产品的整个生命周期；材料方面，高品质、低缺陷材料的选择是良率的保障；工艺方面，作为设计公司，由于没有自己的Fab，需要将所有工艺委外于Foundry，因此选择具备成熟平台和稳定工程管控的Foundry，是高良率的重要保证。”

图源：截自蓉矽半导体演讲PPT

第二，栅氧的高可靠性保证。高巍博士从高频开关下的栅压过冲问题、栅氧化层失效机理等角度进行了说明。相对于传统硅器件，碳化硅MOSFET结构更加脆弱，其偶发失效率远高于同规格的硅基MOSFET，而栅氧是导致碳化硅失效一个特别重要也特别常见的失效现象，主要失效类型包括低势垒导致的隧穿加剧、陷阱造成的TAT的加剧以及工艺制程中带来的外部缺陷。

因此，SiC MOSFET的栅氧可靠性问题成为了制约其快速发展的因素之一，器件栅氧介质可靠性提升也是碳化硅功率MOSFET器件实现新能源汽车应用面临的重要瓶颈。

认真做好每一颗产品，用高可靠性产品服务客户

针对栅氧化层可靠性，蓉矽半导体首先是设计环节，通过降低工作状态下的栅氧化层电场强度来缓解因隧穿电流造成的退化，以及通过栅氧化层的低电场设计，延长器件的寿命、降低器件在使用过程中的偶发失效率。

图源：截自蓉矽半导体演讲PPT

其次是筛选环节，在常规UIS、DVDS筛选的基础上，蓉矽半导体加入高应力的测试项目以筛出早期失效品，比如有些产品因工艺缺陷，导致栅氧有些地方厚，有的地方薄，或者杂质的掺入。

”但现实应用中，对于碳化硅来讲，最大的问题不是解决早期失效的问题，而是解决偶发时效初期的问题，其真实原因，是没有真正地在早期失效的这个位置上筛选出来。“高巍博士指出，为解决早期失效模型建立这一难题，蓉矽半导体采取了两大策略：

1、增加栅氧化层厚度

蓉矽半导体通过增加栅极氧化层的厚度，可以提高栅极和漏结之间的绝缘电阻，从而提高击穿电压，因此对碳化硅而言，氧化层厚度的增加会带来可靠性的指数级提高，但导通电阻仅呈线性增加，蓉矽半导体正通过设计手段不断地优化氧化层的厚度和电阻，在保证电性能的同时提高栅氧可靠性。

2、晶圆级Burn-in

蓉矽半导体在晶圆测试阶段引入WLTBI（Wafer-Level Test & Burn-In）系统，目的是在高温度/电压应力的作用下，筛除SiC MOS中早期失效和偶发失效过渡区域内存在风险的器件，以满足车规PPM级失效率的要求。

演讲最后，高巍博士总结到，在功率半导体市场，国外厂商占据了主导地位，我国功率半导体产业仍处于起步阶段，还需要付出很大的努力，蓉矽半导体作为产业中一员，愿意认认真真地做每一颗产品，从正向的角度去设计每一颗产品，与国产新能源汽车领域企业紧密合作，共同面对挑战，用高可靠性的产品服务客户，真正实现高质量国产替代。