導(dǎo)讀：65年多來，硅（Si）無疑一直是半導(dǎo)體行業(yè)革命的代表。從袖珍電子計(jì)算器到到推動(dòng)我們今天所知的數(shù)字時(shí)代，這種進(jìn)步速度推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)革新。但是，隨著摩爾定律趨于平穩(wěn)，清潔能源技術(shù)日益受到關(guān)注，以及全球芯片短缺，該行業(yè)對(duì)更智能、更節(jié)能的解決方案的需求達(dá)到了前所未有的高度。
一顆冉冉升起的新星已經(jīng)開始在電子電氣領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。碳化硅（SiC）是Si的近親，因其卓越的性能和令人印象深刻的能源效率而贏得了一席之位。1891年，美國發(fā)明家Edward G. Acheson在試圖制造人造鉆石時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了這種Si和C的結(jié)晶化合物，并經(jīng)歷了一個(gè)傳奇的演變。
今天，就材料和工藝的復(fù)雜性而言，SiC大約與30年前的Si的水平相當(dāng)。然而，使用基于SiC的器件有望大幅提高系統(tǒng)效率，并使開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于今天基于Si的器件所能提供的。
雖然這種化合物在半導(dǎo)體中的應(yīng)用拓展是最近才出現(xiàn)的，但對(duì)SiC器件的需求卻在不斷增加。根據(jù)MarketsandMarkets的預(yù)測(cè)，SiC市場(chǎng)將從2021年的8.99億美元增長(zhǎng)到2026年的21.13億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為18.7%。這一增長(zhǎng)主要是由電子電氣和先進(jìn)的EV、PHEV和HEV的市場(chǎng)需求增加所驅(qū)動(dòng)。
讓我們?cè)僮屑?xì)看一下在選擇基于SiC和基于Si的解決方案時(shí)需要考慮的一些主要差異、關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡，以及不同的參數(shù)。
一、材料特性
作為一種寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的Si相比，SiC更寬的能量差使其具有更高的熱和電子特性。這一特性使功率器件能夠在更高的溫度、頻率和電壓下工作。
SiC在電動(dòng)車應(yīng)用和其他電子電氣產(chǎn)品中的能效主要?dú)w功于材料本身。與Si相比，SiC具有以下特點(diǎn)：
1、10倍的電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)；
2、2倍的電子飽和速度；
3、3倍的能量帶隙；
4、3倍的熱導(dǎo)率；
綜上所述，SiC的優(yōu)勢(shì)隨著工作電壓的上升而增加。相對(duì)于Si，1200V的SiC開關(guān)與600V的開關(guān)相比具有附加值。這些特性推動(dòng)了SiC功率開關(guān)器件的徹底轉(zhuǎn)變，大幅提高了電動(dòng)車和電動(dòng)車充電以及能源基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)效率，使SiC成為車廠和Tier 1的理想選擇。
在300V以下的低電壓工作中，SiC的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)就不明顯了。這是另一種WBG半導(dǎo)體，即氮化鎵（GaN），有望擴(kuò)大應(yīng)用的地方。
二、性能特點(diǎn)：續(xù)航里程和效率
與Si相比，SiC的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別在于其更高的系統(tǒng)級(jí)效率，這是因?yàn)镾iC具有更大的功率密度、更低的功率損耗、更高的工作頻率和更高的工作溫度。這意味著單次充電續(xù)航里程更高，電池尺寸可以更小，車載充電器（OBC）的充電時(shí)間更快。
在電動(dòng)車的世界里，最大機(jī)會(huì)之一在于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的替代品電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引逆變器。當(dāng)直流電（DC）流入逆變器時(shí)，轉(zhuǎn)換后的交流電（AC）幫助電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，為車輪和其他電子元件提供動(dòng)力。
用先進(jìn)的SiC芯片取代現(xiàn)有的Si開關(guān)技術(shù)，減少了逆變器中的能量損失，使車輛能夠提供額外的續(xù)航能力。例如，經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，Onsemi的VE-Trac Direct SiC功率模塊，可以將逆變器系統(tǒng)的效率提高40%，從而使凈駕駛里程增加了4%-8%。由于電池是電動(dòng)車中最昂貴的部件，這對(duì)SiC來說是一種有吸引力的系統(tǒng)級(jí)增值。
因此，當(dāng)外形尺寸、逆變器或DC-DC模塊的尺寸、效率和可靠性等特性成為關(guān)鍵考慮因素時(shí)，SiC MOSFET成為一個(gè)引人注目的商業(yè)因素。設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在有了更小、更輕、更節(jié)能的功率解決方案，以滿足各種終端應(yīng)用已經(jīng)具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
以特斯拉為例。雖然該公司的前幾代電動(dòng)車使用Si IGBT，但標(biāo)準(zhǔn)轎車市場(chǎng)的興起促使他們?cè)贛odel 3中采用了SiC MOSFET，從而成為了行業(yè)中的首次嘗試。
三、功率是關(guān)鍵因素
SiC的材料特性使其成為具有高溫、高電流和高導(dǎo)熱性的大功率應(yīng)用的首選。由于SiC器件可以在更高的功率密度下工作，它可以使電動(dòng)車電子電氣系統(tǒng)的外形尺寸縮小。據(jù)高盛稱，SiC非凡的效率可以使電動(dòng)車的制造成本和持有成本降低近2000美元/輛。
隨著某些電動(dòng)車的電池容量已經(jīng)達(dá)到近100kWh，且還在計(jì)劃繼續(xù)增加以實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程，預(yù)計(jì)未來的幾代產(chǎn)品將嚴(yán)重依賴于SiC的附加效率和處理更高功率的能力。另一方面，對(duì)于低功率的車輛，如雙門入門級(jí)電動(dòng)車、PHEV或使用20kWh或更小電池尺寸的輕型電動(dòng)車，Si IGBT是更經(jīng)濟(jì)的解決方案。
為了盡量減少在高電壓下功率低下造成的碳排放，行業(yè)內(nèi)有更大的推動(dòng)力，將SiC置于其他材料之上。許多電動(dòng)車客戶已經(jīng)能夠用新的SiC開關(guān)替換現(xiàn)有的Si解決方案，迅速證明了SiC技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)附加值。
四、成本因素
今天，市場(chǎng)上一個(gè)常見的是，在相同的等級(jí)下，SiC元件的成本大約是Si元件的3倍。其中一個(gè)主要原因是SiC的供應(yīng)。與Si相比，SiC的供應(yīng)仍然非常有限。
幾年前，主要的SiC供應(yīng)商會(huì)花幾個(gè)小時(shí)說服客戶，為什么額外的成本值得長(zhǎng)期的ROI。今天，市場(chǎng)已經(jīng)成熟，車廠更加意識(shí)到SiC模塊的優(yōu)勢(shì)，以及將如何幫助他們達(dá)到理想的功率水平。SiC和Si有其自身的投資回報(bào)優(yōu)點(diǎn)，這取決于預(yù)期的應(yīng)用。
例如，如果Tier 1開發(fā)一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，基于SiC的逆變器將比基于Si的IGBT逆變器更昂貴。因此，沒有ROI優(yōu)勢(shì)。但如果你進(jìn)一步與集成整個(gè)解決方案的車廠合作，那么SiC解決方案使他們可以擁有額外的4%-8%的續(xù)航能力，或減少電池?cái)?shù)量。因此，就可以收回那些額外成本支出了。
將SiC MOSFET從6英寸晶圓轉(zhuǎn)向8英寸晶圓是加強(qiáng)SiC供應(yīng)的關(guān)鍵一步。它允許更好的工藝能力，從而實(shí)現(xiàn)更高的電流密度、更小的芯片尺寸、每片晶圓產(chǎn)出更多的芯片，以及高達(dá)30%的成本降低。由于目前大多數(shù)商業(yè)化的晶圓廠設(shè)備都是8英寸的，對(duì)8英寸SiC的投資可以使理論上的資本效率提高50%以上。
然而，考慮到當(dāng)前SiC技術(shù)成熟度面臨的眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，它將需要基礎(chǔ)工程開發(fā)。對(duì)8英寸的過早投資會(huì)成倍地增加技術(shù)的復(fù)雜性，阻礙解決的進(jìn)展。換句話說，改進(jìn)現(xiàn)有的6英寸SiC技術(shù)仍有大量的成本和產(chǎn)量效益。
五、市場(chǎng)機(jī)會(huì)
我們可以看到目前四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)越來越受歡迎，在這種系統(tǒng)中，駕駛員可以根據(jù)道路狀況（雪地、結(jié)冰的路面、濕地還是干地）選擇使用兩個(gè)獨(dú)立的車軸來驅(qū)動(dòng)。較大的車橋通常在車輛的尾部，由于其效率高，大部分時(shí)間都是打開的。在這種情況下，通常使用基于SiC的解決方案。
反過來說，前軸是車輛的副軸，起到額外提升加速度的作用。這里，通常使用基于Si的IGBT解決方案。這種傳動(dòng)系統(tǒng)配置在系統(tǒng)級(jí)層面上提供了一個(gè)最佳的成本和效率權(quán)衡。
SiC在電子電氣領(lǐng)域的第二大市場(chǎng)機(jī)會(huì)在OBC領(lǐng)域，它將充電站的AC轉(zhuǎn)換為DC，為汽車的電池充電。隨著SiC技術(shù)在過去幾年的成熟，SiC在OBC中的應(yīng)用已變得更加廣泛，取代了傳統(tǒng)的硅基超結(jié)MOSFET。現(xiàn)有的技術(shù)正在被未來的OBC中的SiC開關(guān)所取代，這種開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)更小的外形和更短的充電時(shí)間。
SiC具有更低的漏極-源極導(dǎo)通電阻和更低的開關(guān)損耗，使整個(gè)工作范圍內(nèi)的效率更高。這減少了能源浪費(fèi)，更多的功率被輸送到電池。同時(shí)功率密度增加，可實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)，為終端用戶創(chuàng)造一個(gè)更高效的系統(tǒng)，降低系統(tǒng)成本。
六、需要考慮的挑戰(zhàn)
隨著更多的行業(yè)參與者希望擴(kuò)大其SiC的采用，最大的挑戰(zhàn)在于供應(yīng)鏈。目前，大多數(shù)設(shè)備供應(yīng)商2022年的產(chǎn)品都已售罄，而2023年只剩下少數(shù)幾個(gè)名額，交貨時(shí)間又很長(zhǎng)。那么接下來的問題就是，客戶將如何大膽地與全球SiC供應(yīng)商簽訂長(zhǎng)期協(xié)議以確保未來的產(chǎn)能。
在原子層面上，Si和碳化物原子的基本注入形成SiC會(huì)產(chǎn)生更高的缺陷密度，導(dǎo)致產(chǎn)量比Si低。這是一個(gè)工程上的障礙，需要聰明的頭腦來解決。基于SiC的解決方案量產(chǎn)的另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是提供足夠的SiC晶體容量，以提高晶體質(zhì)量，并為200毫米的整個(gè)供應(yīng)鏈做好準(zhǔn)備。
七、展望未來
隨著電動(dòng)車在全球范圍內(nèi)的不斷普及，SiC有巨大的機(jī)會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。此外，電動(dòng)車數(shù)量的急劇增加將需要一個(gè)快速和高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，以滿足用戶的需求，使他們能夠快速完成他們的旅程，沒有里程焦慮。
特斯拉等行業(yè)參與者已經(jīng)展示了SiC的優(yōu)勢(shì)，以及市場(chǎng)對(duì)更高續(xù)航能力的需求，使許多車廠更加了解SiC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和SiC電驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)施。
隨著我們計(jì)劃實(shí)現(xiàn)凈零排放經(jīng)濟(jì)，并目睹更多的國家和公司承諾在2040年或更早之前淘汰化石燃料汽車，SiC的解決方案的進(jìn)展將對(duì)創(chuàng)造改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新至關(guān)重要，可以支持一個(gè)負(fù)責(zé)任和可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)。
參考文章：What’s the Difference Between Silicon Carbide and Silicon? — Roveendra Paul, Thomas Neyer
來源：Astroys
