“800V+”平台蓄势待发碳化硅如何接招？

  当前的新能源汽车竞争中，为满足车主在续航和充电两方面的需求，各大车企已经将“800V高压充电平台”当作研发标配。在2023年年底小米SU 7发布会上，雷军更是表示小米自研的800V碳化硅高压平台实现了871V的最高电压。再早些时候，智己LS 6也宣称搭载了“准900V充电平台”。“800V+”的高压充电平台将有几率会成为新能源汽车行业新趋势。那么，为提升新能源利用效率立下了“汉马功劳”的碳化硅器件，在“800V+”时代，又会迎来什么挑战？

  “回顾电压从400V升级到800V，最重要的部件升级就是电驱系统，其中碳化硅的使用是电驱系统升级的要点。”安森美中国区汽车现场应用工程师Xia Chao告诉《中国电子报》记者，“而如果从800V升级到更高电压，核心在于如何平衡高耐压与低导通损耗的平衡。”

  高耐压性与低导通损耗，既是碳化硅器件的优势，也是其替代传统硅基IGBT器件的重要原因。高耐压性允许碳化硅在高压高热的工作环境下仍然能够保持高效的电能转换和充电效率；而低导通损耗则意味着器件在稳定工作时具有更低的功率损耗，电能转换效率更高。

  通常，碳化硅器件的制备，要经历“衬底—外延—设计—芯片制造—封装”等多重工序。要使碳化硅获得更高的耐压性，上述各工序都进行调整。

  首先，外延层的厚度与质量取决于衬底的质量，即衬底的缺陷密度水平，因此，要满足更高压的需求，碳化硅衬底的良率就要逐步提升，同时也需要寻找新技术来降低衬底缺陷对外延质量的影响；其次，外延生长的过程中也可能会产生新的缺陷，因此就需要进一步优化外延工艺，以降低新的缺陷密度；最后，在器件设计环节还需要将绝缘性能等其他因素统一考量，设计的复杂度也会增加。

  在通过上述途径提升器件耐压性的过程中，企业最关注的是成本问题。泰科天润半导体科技有限公司营销副总秋琪告诉《中国电子报》记者，要提升器件耐压性，外延层的厚度就要更高，相对应地其材料成本也会有所上升。另一方面，潜在风险的器件筛选方法也会更复杂，筛选成本也会随之增加。

  记者了解到，衬底和外延生长的过程占据了碳化硅器件生产工序60%~70%的成本。因此，如果碳化硅想要实现更高的耐压性，需要“花大手笔”才能从碳化硅的衬底阶段开始做技术升级。

  要满足高压平台的需要，在高耐压性之外，降低导通损耗也是重要的研发方向。而要降低导通损耗，首先要考虑的就是怎么来降低导通电阻。

  从现有技术来看，耐压性越强的器件外延越厚，更厚的外延就会导致器件总导通电阻增加。“耐高压”与“小电阻”之间似乎是一道矛盾命题。所以，在既有条件下尽可能降低沟道电阻乃至导通电阻，就要设计工艺的优化升级。

  当前常见的MOSFET结构工艺有平面栅和沟槽栅两种。前者由美国Cree公司于2010年首次推出，意法半导体也使用相同结构；后者则在2015年由日本罗姆实现量产，英飞凌则同样使用沟槽栅结构。平面栅结构工艺成熟而导通电阻较高；沟槽栅结构虽降低了导通电阻，但是实现的技术难度更大。

  “综合来看，平面栅（器件）在高击穿电压下具有更加好的性价比，沟槽栅（器件）在更低击穿电压下效率更加高。目前的平面栅的技术优势还远未耗尽。现有的沟槽栅产品在高温下性能和平面栅相差不大，因此还需继续设计和工艺优化。”深圳真茂佳半导体有限公司SiC平台经理任玉娇告诉记者。

  耐压性需要从衬底阶段开始提升质量，降低导通损耗需要工艺的精进，而这样的升级几乎覆盖了碳化硅从Wafer到封装的所有阶段。换句话说，打通碳化硅材料的产业链，有助于以衬底为起点进行创新。“假设客户存在对更高耐压性碳化硅的需求，想做一些较为前沿的开发，若能够在内部找到衬底资源、外延资源以及Fab资源，那么创新和反馈的效率都会提升很多。”安森美主驱产品线经理Clark Wang告诉记者。

  因此，各大功率器件公司都在产业链上加快布局。就在1月23日，英飞凌与Wolfspeed发布声明，宣布扩大并延长双方于2018年2月签署的150mm碳化硅晶圆长期供应协议；1月9日，英飞凌与韩国SK Siltron CSS签署协议，将获得后者提供的6英寸碳化硅晶圆。而在2023年7月5日，瑞萨电子宣布与Wolfspeed签订了为期10年、价值20亿美元的碳化硅晶圆裸片和衬底外延供应协议。安森美在垂直整合产业链上表现积极，2021年收购了GT Advanced Technologies，同时拓建捷克和韩国工厂，分别用以提升外延和Fab的能力。

  站在整车厂的角度，架构升级也可能左右整车厂的决策。“高压平台对碳化硅的制造工艺、工装设备、检测都提出了更加高的要求。而如果（碳化硅的耐压性）到达1700V，还有更高的要求——此时能与母线匹配的产品慢慢的变少，那整车厂的选型成本就会增加。”国家新能源汽车技术创新中心总经理原诚寅告诉记者。

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  学习贯彻习新时代中国特色社会主义思想主题教育开展以来，全国工信系统牢牢把握“学思想、强党性、重实践、建新功”的总要求，多措并举扎实推进主题教育高质量开局、高标准起步。

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