英飛凌碳化硅產品創新的四大支柱綜述（二）

英飛凌的SiC技術從創新發展到豐富產品線。

四大支柱

簡單來說，SiC技術創新豐富產品的四個支柱就是：技術，品質，產量和產品。

技術優勢

要做好碳化矽MOSFET，在技術上需要做好兩件事情：
 

性能穩定的體二極體

垂直結構的功率MOSFET（如CoolSiC™元件）透過體二極體提供反向導通路徑，可用作變流器中的續流二極體。由於SiC的寬能隙，該二極體的轉折電壓VT約為3V，相對較高。這意味著完全依賴其續流，連續工作將導致高導通損耗。
 

為了提高變流器效率，在系統設計中會利用單極性元件的優勢，採用同步整流來續流以降低導通損耗，但死區時間內二極體的特性和表現依然非常重要。
 

由於SiC MOSFET是高速元件，死區時間可以設計得非常短，應用電路中的典型死區時間範圍在150ns至1µs之間。較短的死區時間可以顯著減少反向恢復損耗、過電壓以及相關的振盪行為。前提是體二極體的特性良好，並且外部電路設計得當，例如驅動電路採用EiceDriver™磁隔離驅動器，SiC MOSFET可以在非常快的開關速度下運作。
 

對於SiC MOSFET，在最大工作溫度和電流下，體二極管關斷期間，大量的雙極電荷儲存在體二極管中，關斷時會產生反向恢復電流。元件內部和外部電路的寄生電感會抑制電流變化，導致體二極管的dv/dt非常高，從而使電場迅速掃除漂移區中的自由載子。如果這種情況發生在元件電流自然降低到零之前，那麼剩餘的元件電流可能會在高di/dt下瞬變，進而導致元件出現不希望的過衝電壓和跳變（snap-off）效應。
 

體二極體的反向恢復特性在應用環境中會產生各種損耗、振盪和電磁相容性問題。

閘極氧化層的可靠性

英飛凌CoolSiC™溝槽型MOSFET具備優異的閘極氧化層可靠性，生產工藝和質檢流程經過20餘年不斷優化，讓晶片和封裝始終保持領先優勢，自2016年上市以來的8年內品質一直非常穩定。

碳化矽MOSFET和二極體的性能已在光伏逆變器、電動車充電以及電動車等各種應用中得到驗證，這是大家公認的。
 

儘管如此，基於碳化矽的MOSFET產品在性能和成本方面仍有進一步提升的潛力，在晶片設計中需要在性能、堅固性和可靠性之間選擇適當的平衡。
 

MOSFET元件追求低的導通電阻，型號命名就是按照電阻值命名的，在相同晶片面積下實現更小的導通電阻，這樣元件的成本就更低。但在設計產品時，還需要考慮與實際電力電子系統設計相關的其他各個方面，例如足夠的可靠性，包括閘極氧化層的可靠性、防寄生導通的抗干擾能力、驅動的易用性，以及高的V。GSth以及可靠的0V關斷能力。
 

英飛凌很早就決定投資開發溝槽這一工藝複雜的結構。
 

由於碳化矽晶體的各向異性，與碳化矽水平界面相比，垂直界面上的SiC-SiO2缺陷密度較低，這使得閘氧化物的可靠性更容易控制，這是獲得類似於矽的可靠性不可多得的先決條件。
 

其次，溝槽技術有許多好處，非常適合未來的技術發展路線圖。在半導體製造過程中，垂直方向比橫向更容易控制，功率密度更高。現代矽元件的發展趨勢是採用溝槽閘結構，溝槽閘MOSFET已經取代了平面閘MOSFET。
 

關於碳化矽的可靠性是一個非常重要的議題，我們有一本《英飛凌如何控制和保證基於SiC的功率半導體元件的可靠性》的3萬字白皮書，JEDEC也陸續出版了關於碳化矽可靠性的出版物JEP。

品質優勢

CoolSiC™是最可靠的碳化矽技術。

高品質和高可靠性可以從四個方面來看，除了已經提到的閘極氧化可靠性和穩定的體二極體，從生產角度來說還包括生產工藝的開發以及以應用為中心的質檢流程，並輔以針對SiC的特定篩選措施以確保卓越品質。在JEDEC出版物中，SiC MOSFET評估指南的標題都冠以「用於電力電子轉換的」。
 

產量優勢

產量是半導體行業最重要的三個競爭優勢之一，包括技術和產品、產量（產能）以及應用服務。

我們碳化矽的前段和後段都有自有產線支持，方便控制品質、交貨以及工藝開發。

穩定生產和供應鏈保障，英飛凌是從三個方面著手：

1. 全球多渠道碳化矽晶圓和晶錠採購策略，與知名供應商密切合作，不斷篩選並培育市場上的新供應商。

2. 提高生產效率，降低成本，收購SILTECTRA™公司實現冷切割技術的產業化，可在切割晶圓工藝過程中將損耗降至最低。

3. 投資內部生產能力，擴大奧地利菲拉赫和馬來西亞居林的碳化矽產能。
 

英飛凌簽約了5家晶圓和晶錠供應商，其中有2家來自中國。
 

從供應商的發展潛力來看，目前前4家供應商的市場佔有率為80%，預測幾年後產能將達到3400kpcs，增長260%。山東天岳和天科合達這些市場新秀的產能將成倍增長，市場佔有率將達到30%。

產品優勢

英飛凌根據客戶和應用的需求開發產品，目前已有7個電壓等級。在英飛凌官網上，你可以找到294個SiC MOSFET產品、405個各種驅動器產品（截至2024年12月），以及許多評估板。
 

我們功率半導體的產量是最大的，IGBT單管和模組的全球市場占有率都是第一。
 

CoolSiC™進入第二代G2產品

英飛凌已經推出第二代碳化矽MOSFET產品，G2的性能優化改善有四個面向，這一頁的數據是以1200V，26和30毫歐為例。
 

這4個維度都與R相關。DSON相關：

1. 光伏、儲能、電動車充電和馬達驅動這類應用會使用硬切換電路。RDSONxQGD(mΩ*µC)非常重要，G2有了明顯的提升，領先第二名17%。
 

2.軟開關中追求較低的RDSONxQ開源軟體(mΩ*µC)，目前大家水平差不多，我們第二代也是最好的，領先第二名7%。
 

3. 在輕載應用中，為了實現更高的效率，需要考慮RDSONxE開源軟體(mΩ*µJ)，我們第二代也是最好的，領先第二名4%。
 

4.RDSxQG(mΩ*µC)是典型的MOSFET考核指標，值越低所需的驅動功率越小，可實現更高的開關頻率，領先第二名競爭對手12%。

CoolSiC™ MOSFET性能更加出色：

G2與G1的比較
 

英飛凌已經陸續推出第二代碳化矽產品，其性能在各方面都有了顯著提升。
 

1. 提升晶片效能：英飛凌的產品是針對特定應用需求進行優化的，因此晶片效能的提升應在典型負載使用情況下進行評估。在典型負載使用情況下，功率損耗降低了5%~20%。
 

2.XT封裝互連技術採用擴散焊工藝，改進了晶片與封裝基板之間的焊接技術。與以往的標準焊接技術相比，.XT連接技術大幅減少了焊料層的厚度，同時，擴散焊也顯著降低了空洞的概率，這些都直接有助於降低熱阻（R）。thJC）的降低。
 

第二代G2 SiC MOSFET結殼熱阻Rth,j-c可降低12%，因此可以在保持相同的溫升時輸出更大的電流，或者在結溫上升較低時保持相同的電流能力。也有可能在兩者之間取得平衡，從而降低溫升並提高輸出電流。這不僅提高了系統的輸出電流能力，還延長了元件的使用壽命。
 

3.同類最佳的R導通電阻市場上最精細的產品組合。D2PAK封裝有12個型號，實現了最佳產品選擇，1200V G1最大規格為30mΩ，而G2最大規格為8mΩ。TO247通孔封裝G2最大規格可達7mΩ。
 

4. 過載運行溫度高達Tvj=200°C，這比上一代提升了寶貴的25°C，提升了元件輸出電流的能力。
 

5. 一些技術細節還包括，在資料手冊中規定的高溫下的最大電阻值。導通電阻提高了最大閘極-源極電壓到+23V，短路額定值為2微秒，並具有雪崩穩健性等。

G2產品：

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