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[導讀]硅是半導體產業的代表元素,作為最基礎的器件原料,硅的性能已經接近了其物理極限。近年來隨著電動汽車、5G的新應用的普及,對于功率器件的性能提出了更高的要求。例如GaN、砷化鎵和SiC(碳化硅)等新材料半導體器件已經成為了行業內備受關注的產品。

硅是半導體產業的代表元素,作為最基礎的器件原料,硅的性能已經接近了其物理極限。近年來隨著電動汽車、5G的新應用的普及,對于功率器件的性能提出了更高的要求。例如GaN、砷化鎵和SiC(碳化硅)等新材料半導體器件已經成為了行業內備受關注的產品。

在整個功率器件市場上,英飛凌是市占率最高的供應商。目前英飛凌已經形成了三條“cool”系列的產品線:coolSiC,CoolGaN和CoolMOS。三條產品線相互補充,為功率市場提供了完整的解決方案。近期收到疫情影響,全新的650V SiC產品的發布會改為線上召開,英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源先生,針對SiC市場和新產品技術進行了精彩的分享。

SiC的酷在何處?

據陳清源先生介紹,與傳統硅器件相比,SiC的帶隙部分是硅材料的大概三倍。所以我們通常將這類器件稱之為寬禁帶半導體。在單位面積的阻隔電壓能力方面,SiC是硅器件的大概7倍。電子遷移率的差距并不大,但是SiC器件的熱傳導能力是硅芯片的3倍多;電子漂移速度也是硅器件的2倍以上。

“傳統的硅器件,產品范圍最廣,開發時間最久,性價比最高。從性價比的角度出發,硅是首選?!标惽逶聪壬f道,“GaN器件的效率最高、功率密度最大、切換速度最快(MHz級),所以是中低壓高性能應用的首選。SiC類功率器件的開關頻率比GaN的要慢(kHz級),但SiC適用的電壓范圍從650V到3.3kV都可以,優勢在于易用性和耐高溫性能都相對較好?!?/span>

如何做業界最“酷”的SiC產品?

我們從英飛凌最新發布的650V CoolSiC MOSFET,來給大家展示一下,英飛凌是如何做出最“酷”的SiC器件的。

“最完整的SiC技術”

CoolSiC系列產品提供了完整的產品圖譜來供客戶選擇,從靜態導通電阻的角度來看提供了從27 mΩ到107 mΩ的四款產品,未來也會推出更多封裝的形式。在可靠性方面,為了防止“誤導通”,英飛凌將V(GS)的設計為4V以上,這樣可以免除一些噪音的誤導通。在一些特殊的拓撲(例如CCM圖騰柱)中,優化了硬換向的體二極管,跟既有的硅體二極管的能力差異明顯。另外,為了讓傳統硅器件的工程師更容易上手SiC的產品,尹飛凌將V(GS)的電壓范圍也放寬了,在0V電壓即可關斷V(GS),這樣就不會產生負壓。這樣就不會給整個電路造成負擔,給設計人員帶來額外的設計的壓力。

“溝槽式工藝是未來趨勢”

同樣的SiC的產品,在保證同樣高可靠性的條件下,溝槽式的性能比平面式的更好。未來將SiC這種新材料的性能發揮到極致,英飛凌的CoolSiC系列的產品,一直以來采用了這種溝槽式的加工工藝。據陳清源介紹,傳統的平面式的器件在導通狀態下,性能和柵極氧化層的可靠性之間要做很大的折衷;溝槽式更容易達到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。溝槽式的技術雖然很多家都在做,但是英飛凌已經積累了二十多年的CoolMOS技術,這些技術積累可以確保采用溝槽式的SiC器件在生產良率和可靠性方面都可以維持較高的水準。


持續的高研發資本投入

SiC的市場上,最近已經涌現出了很多的國內外的廠商,他們提供的產品或是具有較好的性能,或是價格極具競爭力。而對于英飛凌而言,SiC是一個長期的布局,從過去幾年到未來,英飛凌將持續不斷地進行研發資本的投入。因為英飛凌的功率產品線覆蓋面比較廣,而且在Si的領域已經積累了20多年的經驗和銷售渠道,所以其實在別的產品線上獲得收益也可以用來補充SiC產品線的研發成本的投入。SiC產品的未來的高市場增長率是明確的,所以英飛凌將其視為是一場馬拉松,將會持續不斷地進行研發工作的投入。一些新晉廠商和小廠商在這方面相比英飛凌有著不小的差距,既要盈利,又要確保新產品的持續研發,保證不出局,還是很有壓力的。


以一個數據中心PSU電源的應用來舉例(見下圖),如果要達到96%的效率,則其可以采用CCM圖騰柱和硅的LLC軟開關兩種結合的方案;如果要將效率提升到98%,則可以采用PFC+SiC的LLC的設計,因為這個SiC的器件的效率是99%,比Si MOS的LLC的效率高,所以整體的PSU電源的效率最終可以提高到98%的水平。所以對于客戶而言,選擇一個既有硅產品、又有SiC產品線和GaN產品線的供應商而言,在其進行設計的升級的時候可以提供更多的方面,保證自己的設計具有一定的彈性。



SiC產品的市場需求目前非常大, 根據IHS的預估,今年會有近5000萬美元的市場份額。再往后到2028年,市場份額會達到1億6000萬美元。市場的蓬勃發展,帶來了更多的機遇,未來英飛凌也會持續投入,推出更多的SiC的新品,讓我們拭目以待。

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