英飞凌碳化硅产品创新的四大支柱综述(二)

本文是作者2024年“第十八届中国半导体行业协会半导体分立器件年会”演讲稿第二部分，第一部分请见《英飞凌碳化硅SiC技术创新的四大支柱综述（一）》。

英飞凌SiC技术创新到丰富产品的

四大支柱

SiC技术创新到丰富产品的四个支柱简单讲，就是技术，质量，产量和产品。

技术优势

要做好碳化硅MOSFET，在技术上需要做好两件事情：

性能稳定的体二极管

垂直结构的功率MOSFET（如CoolSiC器件）通过体二极管提供反向导通路径，可以用作变流器中的续流二极管。由于SiC的宽带隙，该二极管的转折电压VT约为3V，相对较高。这意味着完全依赖其续流，连续工作将导致高导通损耗。

为了提高变流器效率，在系统设计中会利用单极性器件的优势，采用同步整流来续流以降低导通损耗，但死区时间内二极管的特性和表现依然很重要。

由于SiC MOSFET是高速器件，死区时间可以设计得很短，应用电路中的典型死区时间在150ns至1µs之间。较短的死区时间可以显著减少反向恢复损耗、过电压和相关的振荡行为。条件是体二极管的特性和得当的外部电路设计，如驱动电路采用EiceDriver磁隔驱动器，SiC MOSFET可以在非常快的开关速度下工作。

对于SiC MOSFET，在最大工作温度和电流下，体二极管关断期间，大量的双极电荷存储在体二极管中，关断时产生反向恢复电流。器件中和外部电路的寄生电感会抑制电流变化，导致体二极管的dv/dt很高，以导致电场迅速扫除漂移区中的自由载流子。如果在器件电流自然降低到零之前发生这种情况，那么，剩余的器件电流可能会在高di/dt下瞬变，并导致器件出现不希望的过冲电压和发生跳变（snap-off）效应。

体二极管的反向恢复特性在应用环境中会产生各种损耗、振荡和电磁兼容性问题。参考微信文章：深入剖析高速SiC MOSFET的开关行为。

栅极氧化层的可靠性

英飞凌CoolSiC沟槽型MOSFET具备优异的栅极氧化层可靠性，生产工艺和质检流程经过20余年不断优化，让芯片和封装始终保持领先优势，2016年上市8年来质量一直很稳定。

碳化硅MOSFET和二极管的性能已在光伏逆变器、电动汽车充电和电动汽车等各种应用中得到验证，是大家公认的。

尽管如此，基于碳化硅的MOSFET产品在性能，成本上有进一步提高潜力，芯片设计中要在性能、坚固性和可靠性之间选择适当的平衡。

MOSFET器件追求低的导通电阻，型号命名就是按照电阻值命名的，在相同芯片面积下实现更小的导通电阻，这样器件的成本就更低。但设计产品时还需要考虑与实际电力电子系统设计相关的其他各个方面，例如足够的可靠性，包括栅极氧化层的可靠性、防寄生导通的抗干扰能力，驱动易用性，高的VGSth以及可靠地0V关断的能力。

英飞凌很早就决定投资开发沟槽这一工艺复杂的结构。

由于碳化硅晶体的各向异性，与碳化硅水平界面相比，垂直界面上的SIC-SIO2缺陷密度较低,这使得栅氧化物可靠性更容易控制，这是获得类似于硅的可靠性的不可多得的先决条件。

其次，沟槽技术的有很多好处，非常适合未来的技术发展路线图，在半导体制造过程中，垂直比横向更容易控制，功率密度更高，现代硅器件发展趋势是沟槽栅，沟槽栅MOSFET已经取代了平面栅MOSFET。

关于碳化硅可靠性是一个很大的话题，我们有《英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性》一本3万字的白皮书，JEDEC也陆续出版了关于碳化硅可靠性的出版物JEP。

JEP184用于电力电子变换的碳化硅金属氧化物半导体器件偏置温度不稳定性评估指南 2021年3月

JEP194碳化硅功率MOSFET栅极氧化层可靠性和稳健性评估程序指南 2023年2月

JEP195用于电力电子变换的碳化硅金属氧化物半导体器件栅极开关不稳定性评估指南 2023年2月

质量优势

CoolSiC是最可靠的碳化硅技术。

高质量和高可靠性可以从4个方面看，除了已经提到的栅极氧化可靠性和稳定的体二极管，从生产角度讲还有生产工艺的开发和以应用为中心的质检流程，辅以针对SiC的特定筛选措施确保卓越质量。JEDEC出版物，SiC MOSFET评估指南标题都冠以“用于电力电子变换的”。

产量优势

产量是半导体行业最重要的三个竞争优势之一，技术和产品，产量（产能）和应用服务。

我们碳化硅前道和后道都是有自有产线支持，便于控制质量、交货和工艺开发。

稳定生产和供应链保障，英飞凌是从三个方面着手：

1.

全球多渠道碳化硅晶圆和晶锭采购战略，与知名供应商密切合作，不断筛选培育市场上的新供应商

2.

提高生产效率，降低成本，收购 SILTECTRA公司实现冷切割技术的产业化，可在切割晶圆工艺过程中将损耗降至最低

3.

投资内部生产能力，扩大奥地利菲拉赫和马来西亚居林的碳化硅产能

英飞凌签了5家晶圆和晶锭供应商，其中2家来自中国。

从供应商的发展潜力来看，目前前4家供应商的市场份额为80%，预测为几年后产能为3400kpcs，增长为260%。山东天岳和天科合达这些市场新秀产能将成倍增长，份额将达到30%。

产品优势

英飞凌按照客户和应用的需求开发产品，现已有7个电压等级，在英飞凌官网上你能找到294个SiC MOSFET产品，405个各种驱动器产品（截止到2024年12月），还有很多评估板。

我们功率半导体产量是最大的，IGBT单管和模块的全球市场份额都是第一。

CoolSiC进入到第二代G2产品

英飞凌已经推出第二代碳化硅MOSFET产品，G2的性能优化改善有四个维度，这一页的数据是以1200V，26和30毫欧为例。

这4个维度都和RDSON相关：

1.

光伏，储能，电动汽车充电和电机驱动这类应用会用到硬开关电路，RDSONxQGD(mΩ*µC)很重要，G2有了明显地提升, 领先于第二名17%。

2.

软开关中追求低的RDSONxQOSS(mΩ*µC)，目前大家水平差不多，我们第二代也是最好的，领先于第二名7%。

3.

在轻载应用，为了实现更高的效率，要考虑RDSONxEOSS(mΩ*µJ)，我们第二代也是最好的，领先于第二名4%。

4.

RDSxQG(mΩ*µC)是典型的MOSFET考核指标，值越低所需要的驱动功率越小，可实现更高的开关频率，领先第二名友商12%。

CoolSiC MOSFET性能更加出色：

G2与G1的比较

英飞凌已经在陆陆续续推出第二代的碳化硅产品，其性能在各方面有了长足的提升。

1.

提高芯片性能：英飞凌产品是针对特定应用要求优化，所以看芯片性能提升也应该在典型负载使用情况下，在典型负载使用情况下，功率损耗降低5%~20%

2.

.XT封装互连技术使用扩散焊工艺，改进了的芯片和封装基板之间的焊接技术。与以前的标准焊接技术相比，.XT连接技术将焊料层的厚度大大减小，同时，扩散焊也大大降低了空洞的概率，这都直接有利于热阻（RthJC）的降低。

第二代G2 SiC MOSFET结壳热阻Rth,j-c可降低12%，因此可以在保持相同的温升时输出更大的电流，或者在结温上升较低时保持相同的电流能力。也有可能在两者之间取得平衡，从而降低温升和提高输出电流。这不仅提高了系统的输出电流能力，而且延长了器件的使用寿命。

3.

同类最佳的RDS(on)，市场上最精细的产品组合。D2PAK封装有12个型号实现了最佳产品选择，1200V G1最大规格为30mΩ，而G2最大规格8mΩ。TO247通孔封装G2最大规格可达7mΩ。

4.

过载运行温度高达Tvj=200°C，这比上一代提升了宝贵的25°C，提高了器件输出电流能力。

5.

一些技术细节还包括，在数据手册中规定的高温下最大RDS(on)，提高了最大栅极-源极电压到+23V，短路额定值2us，并具有雪崩稳健性等。

G2产品：