芯聚能半导体周晓阳：碳化硅功率模块在新能源汽车中的应用

当前，SiC衬底供应开始严重不足， 但是过去两年间SiC领域企业动作频频并不平静，其中，数个关键公司和Cree/其他签署了长期供货协议。2018年On Semi会自研衬底，2018年11月Infineon收购了具有衬底制造技术的Siltectra，2019年2月，ST收购了Norstel 55%的股权，2019年5月，Cree宣布在未来5年投资10亿美元，扩展衬底生产产能，其他衬底供应商也在扩产；2020年8月，II-VI宣布收购Ascatron(SIC 外延晶片及器件）和INNOVion(世界最大离子注入服务供应商）；2021年春，Cree宣布8“SIC衬底进展顺利；2021年4月15日，II-VI 宣布在福州增加SIC衬底产能……

 

从应用上来看，特斯拉开始引入SiC MOSEFT到主驱上并迅速量产，并被市场广泛接受；国产新能源车开始引入SiCMOSFET 到主驱上，反应良好； SiC衬底开始降价；SiC 市场从以二极管为主逐渐过渡到以MOSFET为主（国际市场）……

 

近日，2021功率半导体与车用LED技术创新应用论坛在上海举行。本届论坛由半导体产业网和励展博览集团共同主办，并得到第三代半导体产业技术创新战略联盟、国家半导体照明工程研发及产业联盟的指导。

会上，周晓阳 广东芯聚能半导体有限公司总裁周晓阳带来了“碳化硅功率模块在新能源汽车中的应用”的主题报告，分享了最新发展趋势，相关封装设计优化思路及工艺挑战等。

 

Cree供应全球40%的SiC wafer，国际领先大厂采用不同的发展战略，比如Cree垂直整合，控制衬底价格及产品开发，过度到8吋的时间以到达器件级别的价格竞争力；罗姆垂直整合，向8吋过度，追求性价比，2009收购SiCrystal；IGBT 12” 和SIC双轮发展，封装有规模价格优势，2018年收购Siltectra。

 

 

报告指出，SiC 芯片的特性对新型器件封装提出了新的要求和挑战，SiC模块封装材料面临着要适应>175℃ 应用温度材料；高导热材料；高耐压绝缘材料；高温可靠性材料的挑战。

SiC模块封装工艺也面临着应用环境挑战、严苛的可靠性要求挑战、 质量成本挑战、新工艺检测方法挑战、标准规范性挑战等。

 

SiC模块封装设计面临着成本挑战，SIC晶圆和衬底国内较少、芯片价格高、封装研发成本较高。技术储备则涉及过去主要以代工为主、封装研发设计积累不深、科研体系与产业衔接起步阶段等挑战。软件支持方面，当前主流CAE软件国外为主，成本较高，技术支持和经验积累较薄弱。

 

全球SiC产业化刚刚开始，国内产业起步虽晚，但推动力度大进度快，封装技术瓶颈和差距依然具备追赶并进的机会。

 

对于SiC模块在电驱上的应用，报告指出与IGBT相比，在中小电流下，SiC MOS的导通损耗更低；SiC MOS的 开关损耗也低，反向恢复电流非常小，在极限工况下开关损耗相比IGBT低60%；在更适合城市的轻载工况下，SiC MOS损耗性能优势明显，因此逆变器应用SiC MOS体现在效率Map上就是高效区面积比较大。

 

相比于传统功率器件，SiC器件在测试和应用时需要关注几点： 1.大功率模块采用多芯片并联；相比IGBT，SiC MOSFET的器件电气参数具有更大分散性，在模块并联配置时需要更准确的分组设置和测试方法；2.栅极开启电压Vth需要通过预测试实现准确可重复测量；3.双脉冲测试系统杂散电感对SiC器件波形影响更大，导致读值异常；4.SiC器件在大电流关断时di/dt高，模块会承受较大的电压应力，电压尖峰容易超过安全工作区。