安森美1200V EliteSiC M3e平臺讓平面碳化硅性能拉滿

本文轉(zhuǎn)自電力電子網(wǎng)。

最近，行業(yè)內(nèi)玩家8英寸碳化硅量產(chǎn)如火如荼的進行中，安森美（onsemi）也計劃于今年晚些時候?qū)?英寸碳化硅晶圓進行認(rèn)證，并于2025年投入生產(chǎn)。而在柵極結(jié)構(gòu)方面，平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)的爭論仍在繼續(xù)。兩者各有其優(yōu)勢和劣勢，選擇哪種結(jié)構(gòu)取決于具體的應(yīng)用場景和需求，同時還要兼顧成本效益。前不久安森美推出的采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TO-247-4L封裝的1200V EliteSiC M3e平臺，可以說是平面結(jié)構(gòu)的登頂之作，再次刷新了高耗電應(yīng)用的能效。

在PCIM Asia Shenzhen 2024上，安森美電源方案事業(yè)群資深產(chǎn)品專家Mrinal Das博士接受媒體專訪時表示，碳化硅對于電源創(chuàng)新應(yīng)用的重要性不言而喻。入行30年，他親眼見證了碳化硅材料的發(fā)展歷程。針對當(dāng)前碳化硅行業(yè)的一些熱點以及市場趨勢，他結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新分享了自己的觀點，內(nèi)容涵蓋IDM（垂直整合制造）模式、碳化硅平面與溝槽紛爭，以及FoM（品質(zhì)因數(shù)）差異的權(quán)衡等。

01此IDM非彼IDM

從硅碳化物的生產(chǎn)流程可以看出，從碳化硅粉末放入長晶爐，到最終產(chǎn)品電動汽車，整個過程包括多個步驟，如高溫晶體生長、碳化硅晶錠、晶體切割、晶體拋光、晶圓制備、封裝、測試和質(zhì)量控制等。這些步驟確保了高質(zhì)量的產(chǎn)品能夠滿足客戶的需求。

安森美的“智能電源”由SiC和Si功率驅(qū)動，在全球市場位居第二位。面向未來，公司設(shè)定了25%市場份額，在市場增長趨緩之時，安森美仍有望在 2024 年實現(xiàn)超過碳化硅市場 2 倍的增長。Mrinal Das博士表示，安森美充分考慮了供應(yīng)鏈的穩(wěn)定與靈活性。他明確指出：“安森美具備強大的供應(yīng)鏈垂直整合能力，這意味著我們在很大程度上能夠自給自足地供應(yīng)碳化硅襯底，滿足內(nèi)部生產(chǎn)需求?！?/p>

他也坦言，作為一家負(fù)責(zé)任的企業(yè)，安森美深知風(fēng)險管理與多元化供應(yīng)策略的重要性。因此，盡管我們擁有強大的內(nèi)部供應(yīng)能力，但仍“留有余量”，保留了與第三方供應(yīng)商的合作渠道，以確保在市場需求發(fā)生未預(yù)見波動時，能夠迅速調(diào)整并滿足市場要求，降低整體生產(chǎn)風(fēng)險。

其總體思路是，在碳化硅襯底供應(yīng)上既依賴于自身強大的內(nèi)部制造能力，也保持著與第三方供應(yīng)商的靈活合作，以確保供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和韌性，為公司的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

Mrinal Das博士還深入解析了IDM模式在安森美運營中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，并闡述了安森美如何有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)持續(xù)成功。

他指出，安森美在6英寸晶圓制造領(lǐng)域已建立起強大的產(chǎn)量和產(chǎn)能基礎(chǔ)，這是其市場優(yōu)勢之一。更重要的是，安森美通過堅定的承諾和對市場需求的高度敏感性而與眾不同?；谑袌鲂枨蟮臎Q策，可確保從6英寸到8英寸的過渡平穩(wěn)且高效；選擇對客戶和自身最有價值的平臺，有助于保持定價合理和供應(yīng)穩(wěn)定。這種保守而穩(wěn)健的策略可以在市場中形成差異化競爭優(yōu)勢。

此外，安森美之所以相對成功，還得益于采取的“棕地擴建”策略。在全球范圍內(nèi)，安森美擁有多個晶圓廠，只通過少量投資即可轉(zhuǎn)化為碳化硅生產(chǎn)能力。這種靈活性使其能夠迅速響應(yīng)市場需求，調(diào)整晶圓廠的使用分配。相比之下，沒有現(xiàn)有晶圓廠基礎(chǔ)的公司則需要進行大量的“綠地投資”，從頭開始建設(shè)生產(chǎn)線，這不僅成本高昂，而且時間周期長。

02讓平面碳化硅性能拉滿

安森美新推出的EliteSiC M3e技術(shù)平臺以其1200V、11mΩ MOSFET裸片為核心，憑借行業(yè)領(lǐng)先的優(yōu)值，在更高開關(guān)頻率與電壓下展現(xiàn)出卓越的性能，有效降低了功率轉(zhuǎn)換損耗。其獨特的平面拓?fù)浣?jīng)過現(xiàn)場驗證，以獨特方式降低了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，為電力電子行業(yè)樹立了質(zhì)量與可靠性的新標(biāo)桿。

與前幾代產(chǎn)品相比，M3e平臺不僅將電氣化應(yīng)用的傳導(dǎo)損耗減少了30%，開關(guān)損耗降低了50%，還以業(yè)界最低的具有短路能力的比導(dǎo)通電阻（RSP）賦能牽引逆變器市場。值得一提的是，M3e以更低的每千瓦成本提升了下一代電氣系統(tǒng)的性能和可靠性，同時減少了無源元件和熱管理成本，為用戶帶來前所未有的成本效益。

據(jù)介紹，采用安森美先進的分立和功率模塊封裝，1200V M3e裸片與之前的EliteSiC技術(shù)（M3T）相比，能夠提供更大的相電流，使同等尺寸主驅(qū)逆變器的輸出功率提升約20%，而在充電器和PSU（電腦電源）中，功率提高了10%。這意味著，在輸出功率不變的情況下，新設(shè)計所需的碳化硅材料可以相應(yīng)減少，成本也更低，且能實現(xiàn)更小、更輕、更可靠的系統(tǒng)設(shè)計。

在質(zhì)量保證方面，M3e 20年壽命后的柵極故障低于PPM，因此能夠讓客戶的產(chǎn)品在市場中脫穎而出。

Mrinal Das博士指出，在當(dāng)前1200V碳化硅器件競爭激烈的市場環(huán)境下，許多廠商都在努力降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。然而，對于最終用戶而言，他們更看重的是實際結(jié)果和性能提升。目前的方案，要么是在固定的裸片數(shù)量的情況下去提升功率水平，要么是在指定的功率水平之上來減少裸片數(shù)量。

M3e順應(yīng)了市場趨勢，其核心目標(biāo)是實現(xiàn)最佳的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。它通過裸片層面的優(yōu)化，顯著降低了整體導(dǎo)通電阻，從而提高了系統(tǒng)開關(guān)效率，提升了整體性能表現(xiàn)。同時，通過采用更少裸片的并聯(lián)設(shè)計，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。

Mrinal Das博士介紹說，同樣是平面結(jié)構(gòu)，M3e采用了明顯不同的結(jié)構(gòu)，可以確保該平臺的堅固性和穩(wěn)定性，使其成為關(guān)鍵電氣化應(yīng)用的首選技術(shù)。M3e業(yè)界最低的損耗主要歸功于其獨特的晶胞（Unit Cell）設(shè)計和內(nèi)部創(chuàng)新。

他解釋說，晶胞在功率MOSFET設(shè)計中非常關(guān)鍵，它是整個芯片上不斷復(fù)制的微型MOSFET的基本長度，包括兩個導(dǎo)電通道。事實上，盡可能縮小晶胞就可以增加功率密度。晶胞體積越小，每個芯片上可以放置的MOSFET就越多，而這些MOSFET是并聯(lián)的，所以整體的器件的電阻就會下降，晶胞本身的電阻也會下降。這兩種效應(yīng)組合起來，就能夠進一步降低整個導(dǎo)通電阻，這是M3e導(dǎo)通損耗達(dá)到業(yè)界最低水平的主要原因。

從M1到M3e，晶胞的長度減少了62.5%，從而實現(xiàn)了更大的功率和更小的封裝，功率密度也在不斷提升。未來，這一過程將繼續(xù)演進，為市場提供行業(yè)領(lǐng)先的可持續(xù)性能、創(chuàng)新的晶胞結(jié)構(gòu)以及渠道與材料工程。

另外，每個器件內(nèi)部的開關(guān)損耗主要由電容決定，而主要的電容是柵極到漏極的電容。在M3e晶胞結(jié)構(gòu)上進行的內(nèi)部創(chuàng)新，使得柵極到漏極的電容更低，從而降低了整體的開關(guān)損耗。

那么，安森美是怎么把晶胞做到很小的？Mrinal Das博士回應(yīng)道，安森美通過投資先進的晶圓廠工具和技術(shù)，不斷拓展現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的能力，確保能夠?qū)崿F(xiàn)微型和微觀功能的精確制造。這一策略使得安森美能夠成功地將MOSFET的晶胞體積做得非常小，最大化利用了每一個芯片空間，提高了功率MOSFET的性能，并實現(xiàn)了大規(guī)模批量化生產(chǎn)。這種對技術(shù)創(chuàng)新的持續(xù)投入和追求，是安森美在行業(yè)中保持領(lǐng)先地位的關(guān)鍵因素之一。

03平面結(jié)構(gòu)仍優(yōu)于溝槽結(jié)構(gòu)

雖然溝槽拓?fù)涞募夹g(shù)難度比較大，但一般來講它更能夠節(jié)省碳化硅材料，進而帶來成本效益。不過，安森美認(rèn)為，目前溝槽的MOSFET還不是全溝槽結(jié)構(gòu)，還難以體現(xiàn)溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。其中一些結(jié)構(gòu)采用多個源極和柵極，有的則只有一個源極和一個柵極，并沒有達(dá)到最佳性能。

Mrinal Das博士對比了平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與溝槽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了安森美在MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇上的考量。他指出，平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于柵極氧化層的可靠性。柵極氧化層是平面拓?fù)銶OSFET中最關(guān)鍵且最薄弱的環(huán)節(jié)。經(jīng)過40年的研發(fā)和超過15年的市場驗證，平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在質(zhì)量和可靠性方面已經(jīng)得到了充分證明。

在討論碳化硅與硅材料在電力電子器件中的顯著差異時，他深入闡述了電場強度、柵極氧化物保護以及溝槽技術(shù)的復(fù)雜性。首先，相比傳統(tǒng)硅材料，碳化硅材料在電場強度上具有顯著優(yōu)勢，其峰值電場強度可達(dá)到每厘米3MV（200-300kV/cm），是傳統(tǒng)硅材料的10倍以上。這一特性使得碳化硅在高壓、高功率應(yīng)用中具有更高的效率和更小的體積，但同時也帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

在溝槽器件設(shè)計中，柵極氧化層的位置至關(guān)重要。在平面結(jié)構(gòu)中，柵極氧化物位于低電場區(qū)，相對安全。而在溝槽結(jié)構(gòu)中，柵極氧化物暴露在高電場區(qū)，要求必須采取特殊措施來保護其免受高電場的影響，以防止柵極氧化層失效。這種保護在碳化硅器件中尤為困難，因為碳化硅的柵極保護機制與硅不同，無法直接借鑒硅材料的經(jīng)驗。

此外，柵極氧化物在碳化硅溝槽技術(shù)中具有獨特性。與傳統(tǒng)的硅平面結(jié)構(gòu)不同，碳化硅溝槽結(jié)構(gòu)在側(cè)壁上交替堆疊硅和碳層，這種結(jié)構(gòu)使得柵極氧化物表面引入了碳元素，從而改變了氧化物的性質(zhì)。這種全新的氧化物不僅與平面結(jié)構(gòu)中的氧化物不同，也與傳統(tǒng)硅功率器件中的氧化物大相徑庭。因此，溝槽技術(shù)在碳化硅器件中的推廣遇到了諸多延誤，因為所有的研究——包括制造性、可靠性和現(xiàn)場性能——都需要從頭開始，無法直接利用硅器件的成熟技術(shù)。

他強調(diào)，在碳化硅器件中采用溝槽技術(shù)所面臨的兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：一是如何在高電場環(huán)境下有效保護柵極氧化層，因為柵極氧化層一旦暴露在磁場或電場中，很早就會出現(xiàn)失效的情況，其壽命會大大縮短。

二是如何應(yīng)對溝槽結(jié)構(gòu)中全新氧化物帶來的制造、可靠性和性能問題。這些挑戰(zhàn)要求在研發(fā)過程中投入更多的時間和精力，以積累必要的經(jīng)驗，推動碳化硅溝槽技術(shù)的進一步發(fā)展。

對于M3e這樣的平面體結(jié)構(gòu)MOSFET，Mrinal Das博士自信地表示，其性能甚至優(yōu)于當(dāng)前的溝槽器件。而溝槽結(jié)構(gòu)在碳化硅面積利用方面并未展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，尚未超越平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

他預(yù)測，未來更多供應(yīng)商可能還會選擇平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除非溝槽結(jié)構(gòu)在性能上能夠全面超越。“只有當(dāng)溝槽技術(shù)的產(chǎn)品性能能夠全面超越平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，我們才會考慮切換到溝槽技術(shù)。這表明我們在技術(shù)研發(fā)上持謹(jǐn)慎態(tài)度，注重產(chǎn)品的長期可靠性和性能表現(xiàn)。”他強調(diào)。

他還提到，市場上其他競爭對手的溝槽技術(shù)產(chǎn)品之所以性能不如M3e，主要原因是這些產(chǎn)品并未采用全溝槽技術(shù)。通過對采用的技術(shù)、導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的對比，可以看到采用平面結(jié)構(gòu)的M3e均優(yōu)于其他供應(yīng)商的產(chǎn)品，包括2024年發(fā)布的產(chǎn)品。

在他看來，M3e標(biāo)志著平面結(jié)構(gòu)MOSFET性能的頂峰。如果要在未來的產(chǎn)品中實現(xiàn)更高的性能突破，的確要轉(zhuǎn)向溝槽技術(shù)，但前提是這種技術(shù)需要實現(xiàn)百分之百的溝槽利用率，以充分發(fā)揮碳化硅的潛力。

因此，安森美目前正全力以赴地應(yīng)對新的挑戰(zhàn)，解決新的柵極氧化物的保護問題，同時實現(xiàn)百分之百的溝槽利用率。

04FoM因應(yīng)用場景而異

在探討碳化硅材料在不同應(yīng)用場景下的性能優(yōu)化時，Mrinal Das博士說，安森美憑借其深厚的技術(shù)積累和敏銳的市場洞察，成功地在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了卓越的性能表現(xiàn)。無論是硬開關(guān)、軟開關(guān)，還是高頻、低頻環(huán)境，安森美都能通過精準(zhǔn)的技術(shù)調(diào)整和產(chǎn)品優(yōu)化，確保每一款SiC MOSFET都能在各個使用場景中表現(xiàn)出色。

1200V EliteSiC M3e實現(xiàn)了牽引逆變器業(yè)界最低的損耗，安森美充分利用了碳化硅材料低開關(guān)損耗的特性，通過精細(xì)調(diào)控導(dǎo)通電阻（Rds）和柵極到漏極的電荷（Qgd），有效降低了器件在開關(guān)過程中的能量損失，使?fàn)恳孀兤鞯恼w效率顯著提升。特別是在高功率密度和高效率要求的場合，這種優(yōu)化顯得尤為重要。

車載充電器高頻應(yīng)用場景則面臨更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)，不僅需要處理高頻率的開關(guān)操作，還需要在硬開關(guān)和軟開關(guān)兩種模式下實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。為此，安森美采用了創(chuàng)新的圖騰柱（Totem Pole）結(jié)構(gòu)，并進一步優(yōu)化了Rsp（導(dǎo)通損耗與硬開關(guān)損耗的比例）和柵極驅(qū)動器損耗。通過精確計算總柵極電荷，能夠準(zhǔn)確預(yù)測并降低柵極驅(qū)動器電路中的能量損失，從而確保車載充電器在不同工作頻率下都能保持高效穩(wěn)定的性能。

安森美深知不同應(yīng)用場景下FoM的差異。在M3e等產(chǎn)品的研發(fā)過程中，安森美不僅關(guān)注單一的性能指標(biāo)，更注重整體性能的最優(yōu)化。通過跟蹤和參考Rds、Qgd、Rsp等關(guān)鍵參數(shù)，能夠確保新技術(shù)在開發(fā)過程中始終圍繞用戶需求和市場趨勢進行迭代和優(yōu)化。這種以用戶需求為導(dǎo)向的技術(shù)開發(fā)策略，使安森美的SiC MOSFET在多個應(yīng)用領(lǐng)域都展現(xiàn)出了卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景。

05碳化硅為未來電源創(chuàng)新賦能

Mrinal Das博士告訴記者，安森美也在利用摩爾定律思維加速碳化硅技術(shù)的迭代。其每一代碳化硅技術(shù)都會優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，在更小的面積上高效傳輸更大的電流，從而提高功率密度；同時結(jié)合自有的先進封裝技術(shù)，最大限度提升性能并減小封裝尺寸。這些計劃于2030年前推出的多款高性能新品，將進一步應(yīng)對全球能源需求的激增。

他強調(diào)，碳化硅在功率密度與效率上的卓越表現(xiàn)，使其成為電動汽車、電網(wǎng)等關(guān)鍵領(lǐng)域的理想選擇，并預(yù)示其在未來新興應(yīng)用場景中的廣闊潛力。

“只有憑借深厚的功率半導(dǎo)體技術(shù)積累，不斷突破技術(shù)瓶頸，確保設(shè)計與制造的全面掌控，才能加速新一代碳化硅產(chǎn)品的市場化進程?！彼嘈?，未來的下一代碳化硅技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的采用和發(fā)展將會由這樣的公司來引領(lǐng)。