英飛凌碳化硅：“碳” 尋綠色能源之路的創(chuàng)新引擎

英飛凌1992年開始碳化硅技術研發(fā)，是第一批研發(fā)碳化硅的半導體公司之一。2001年推出世界上第一個商用碳化硅二極管，此后生產線不斷升級，2018年收購德國Siltectra公司，2019年推出碳化硅CoolSiC^TM MOSFET技術，2024年推出了集成.XT技術的XHP^TM 2 CoolSiC^TM半橋模塊。英飛凌持續(xù)32年深耕碳化硅功率器件，不斷突破不斷創(chuàng)新，持續(xù)引領碳化硅技術發(fā)展。

近日，英飛凌在北京舉辦碳化硅媒體發(fā)布會，深入介紹了其在碳化硅功率器件產品及技術方面的進展及其在工業(yè)與基礎設施領域的應用和戰(zhàn)略布局。

碳化硅變革綠色能源

在全球政治經濟多變的背景下，綠色、環(huán)保、低碳成為各國共識。IEA報告顯示，綠色能源涵蓋的發(fā)電、輸配電、儲能、用電等電力全價值鏈市場潛力巨大。到2030年，光伏裝機量超5000GW，電網投資將達每年6000億美元以上，電池儲能容量將增加1000GW以上，電動汽車充電領域投資將超1萬億美元。據介紹，中國在高壓直流輸電、新能源產業(yè)發(fā)展迅速，如國內約90,000臺風力發(fā)電機、超220GW光伏發(fā)電機組、約15GW/30GW新型儲能系統(tǒng)以及2,800多列高鐵都應用了英飛凌產品。

碳化硅作為滿足可持續(xù)性能源生產和消費的核心技術，其產品創(chuàng)新、生產工藝創(chuàng)新和系統(tǒng)應用創(chuàng)新為客戶帶來高能效、系統(tǒng)級性價比和壽命周期可靠性的升級，驅動可再生能源發(fā)展和電網升級、電動汽車普及擴展以及工業(yè)和消費類應用的能效和智能提升。據預測，2024 - 2029年全球碳化硅市場規(guī)模將從31億歐元增長到90億歐元，年復合增長率超過24%。

解決碳化硅產品痛點

英飛凌科技高級副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)負責人于代輝

針對碳化硅產品一致性、領先性、創(chuàng)新性、經濟性和適應性等痛點，英飛凌科技高級副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)負責人于代輝先生表示，英飛凌作為IDM廠商，在技術和產品穩(wěn)定性上，從芯片到封裝協(xié)同效應明顯，嚴格的質量管理體系可確保產品質量；在供貨上，采用多元化采購，與中國本土及全球供應商簽訂協(xié)議。在技術驅動上，已積累近3萬項專利，擁有冷切割、溝槽柵、以及封裝等全球領先技術，并采用嚴苛的測試標準。在追求卓越方面，已推出多款全球首款產品并獲多項獎項。產能布局上，奧地利和馬來西亞工廠虛擬協(xié)同，，形成規(guī)模經濟。同時，注重與中國市場和客戶的深度融合，“融入市場，融入客戶”， 充分了解本土市場需求、加快對市場和客戶的響應速度、加強本土應用創(chuàng)新能力，加深對本土需求和系統(tǒng)的理解，從而為國內客戶提供“端到端”增值服務。

碳化硅何以英飛凌

會上英飛凌科技副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)市場負責人沈璐女士向我們分享了關于英飛凌碳化硅的一個目標、兩個誤解以及三個持續(xù)。

英飛凌科技副總裁、工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)市場負責人沈璐

在全社會正進行低碳化以及電氣化轉型的大背景下，英飛凌設立的一個目標是要成為首選的零碳技術創(chuàng)新伙伴。

新能源架構中能源轉換次數(shù)逐步增加，盡管可再生能源免費，但每次轉換都有能效損失，因此高效能源轉換至關重要。碳化硅技術是提升能效的功率半導體技術，旨在滿足低碳轉型中的兩大需求：能效創(chuàng)新（如光伏、儲能、充電樁）和設計創(chuàng)新（系統(tǒng)小型化、低成本、節(jié)能高效）。英飛凌表示，碳化硅商業(yè)模式的成功在于與客戶聯(lián)合創(chuàng)新，以找到能效和設計創(chuàng)新的正確方案。

其次是關于碳化硅的兩個誤解，第一個誤解是，大眾認為平面柵結構比較簡單，可靠性似乎更高，而溝槽柵結構和生產工藝都很復雜，可能會有長期可靠性的問題。

但實際情況是，在可靠性上，硅器件與碳化硅器件的關鍵部分在于“柵極氧化層”。若將電流比作汽車，柵極氧化層即為路面。硅基上的柵極氧化層平坦如高速公路，而碳化硅上的則崎嶇如鄉(xiāng)間小道，因其缺陷密度更高，影響器件壽命，導致失效。為提升碳化硅可靠性，需降低其柵極氧化層缺陷密度。英飛凌采用高效測試方法，用高篩選電壓篩選器件，電壓越高，發(fā)現(xiàn)缺陷越多，篩選出的器件可靠性越高。

平面柵技術難以實現(xiàn)高可靠性，因其如車行顛簸路面，速度受限。溝槽柵技術則如挖隧道，速度更快。若平面柵要達到溝槽柵速度，需更薄的柵極氧化層，但篩選電壓與氧化層厚度成正比，薄氧化層難以承受高電壓篩選。因此，英飛凌的溝槽柵技術通過更厚的氧化層和更高的篩選電壓，最大限度降低缺陷密度，保障可靠性。

第二個常見誤區(qū)是關于碳化硅性能的評價。常聽到只看單位面積導通電阻（Rsp）來評價器件好壞的說法，但這并不全面。碳化硅的商業(yè)價值在于長期、可靠、高效的能源轉化效率。能量損耗由導通損耗和開關損耗組成，隨著碳化硅高頻開關應用的出現(xiàn)，開關損耗越來越重要。例如，在60kHz的開關頻率下，導通損耗已遠小于開關損耗。除了芯片損耗，封裝參數(shù)如熱阻也影響能效轉換。模塊雜感優(yōu)化對功率輸出和頻率穩(wěn)定性也很重要。此外，魯棒性和可靠性也是關鍵，包括長期使用壽命和極端工況下的穩(wěn)定性能。

關于高溫漂移，溝槽柵和平面柵的電阻變化不同，并非產品可靠性問題。導通電阻由溝道電阻A和外延層電阻B組成，它們的溫度特性相反。平面柵的溝道電阻A占比大，能補償B的上升，所以導通損耗受溫度變化影響小。而溝槽柵的溝道電阻A占比小，無法補償B的上升，導致高溫漂移。因此，碳化硅性能評價標準應多元化，包括導通損耗、開關損耗、雜散電感、封裝熱阻以及魯棒性和可靠性。英飛凌為用戶提供詳盡的設計參數(shù)，幫助工程師充分利用每個器件。

對于三個持續(xù)，沈璐表示：“第一我們要持續(xù)布局，步履不停。第二持續(xù)創(chuàng)新，超越期待。第三是持續(xù)深耕，穿越周期。”三個持續(xù)是英飛凌對于碳化硅業(yè)務的堅定選擇，也是英飛凌應對市場挑戰(zhàn)的信心。

第二代CoolSiC^TM MOSFETs驚艷亮相

英飛凌持續(xù)布局碳化硅業(yè)務，從芯片技術迭代到生產線升級，不斷滿足客戶多元化需求，避免同質化競爭。英飛凌的目標是減少工藝損耗、優(yōu)化散熱性能，以保持高可靠性。從CoolSiC^TM MOSFETs第一代到新一代技術，英飛凌一直致力于降低損耗、提高散熱性能和可靠性。

CoolSiC^TM MOSFETs G2的電阻范圍從7毫歐到78毫歐，其中7毫歐是業(yè)界工藝密度之最。與G1相比，G2具有更低的損耗、更好的散熱、更易用且更寬的V_GS范圍。同時G2還增強了開關性能，降低開關損耗，提高功率效率。

R_DSON*Q_GD品質因素反映開關損耗。在開關過程中，Q_GD和R_DSON的乘積影響開關損耗和導通損耗的平衡。乘積越小，損耗越低，器件性能越好，這在硬開關應用中尤為重要。不同應用和拓撲結構對器件性能要求不同。英飛凌優(yōu)化了驅動損耗等其他因素，使G2系列表現(xiàn)最佳。在半橋拓撲測試中，通過對比，包括與第一代產品的比較，G2整體效率更高。

英飛凌科技高級技術總監(jiān)、工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)技術負責人陳立烽

值得一提的是G2采用了英飛凌.XT互連技術和擴散焊技術。英飛凌科技高級技術總監(jiān)、工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)技術負責人陳立烽先生介紹到，“在傳統(tǒng)器件中，無論是單板還是模塊，通常采用標準焊接方式，即將芯片焊接到芯片引線框架或者DCB等載體上。然而，通過X光或者顯微鏡觀察，標準焊接過程往往難以達到完全平滑的焊接效果。相比之下，采用.XT擴散焊技術則能顯著改善這一情況。該技術使得芯片與載體之間的結合處變得非常緊密。這種緊密的結合不僅有助于降低熱阻，提高散熱效率，還能顯著提升焊接的可靠性，從而增強器件對于溫度熱應力的抵抗能力。”

在工藝水平方面，英飛凌采用了冷切割技術，能夠更加充分的利用材料，特別是在工藝器件生產的一道工序減薄環(huán)節(jié)中。

未來，相信英飛凌會繼續(xù)深耕在碳化硅領域，并持續(xù)創(chuàng)造出引領行業(yè)發(fā)展的碳化硅產品。