碳化硅開啟功率半導(dǎo)體的新時(shí)代

碳化硅生產(chǎn)迅速增長，主要推動(dòng)力是汽車市場的需求和與硅材料的價(jià)格逐漸對等。

目前在電動(dòng)汽車中用于車載充電、牽引反相及直流到直流轉(zhuǎn)換的功率半導(dǎo)體模塊數(shù)量已經(jīng)達(dá)到幾千種。如今，大部分的模塊還在用硅基IGBT制作。然而，轉(zhuǎn)向基于碳化硅的MOSFET將使包裝體更小更輕且能量密度翻倍、開關(guān)速度更快。

隨著電動(dòng)汽車和充電站對高電壓和在高溫惡劣環(huán)境下工作的要求日益加大，碳化硅（SiC）因其制造和包裝成本高昂，推廣初期步履蹣跚。然而情況正在改變，根據(jù)PowerAmerica首席技術(shù)官Victor Veliadis介紹，目前SiC功率模塊的價(jià)格已經(jīng)與硅基模塊持平，這進(jìn)一步促進(jìn)了供應(yīng)合作以及新的SiC工廠的建造。華為也在《數(shù)字能源2030》白皮書中指出，SiC的瓶頸當(dāng)前主要在于襯底成本高，大約是硅的4-5倍，預(yù)計(jì)到2025年前，價(jià)格會逐漸降為與硅持平。

盡管如此，仍有工作待完成。碳化硅晶圓技術(shù)需要升級，生產(chǎn)這些設(shè)備需要20%的新工藝工具以及80%的改良工具。汽車制造商正在推動(dòng)工廠到模塊的直接協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)集成功率設(shè)備的快速轉(zhuǎn)型。

為了滿足新的晶圓加工流程，包括高溫外延生長，熱離子植入，快速熱處理和快速脈沖式原子層沉積，硬而又脆的碳化硅材料的晶圓研磨、CMP、拋光墊和漿液等都正在進(jìn)行顯著修改，同時(shí)還引入了新的去除劑和清洗化學(xué)品以滿足設(shè)備和可持續(xù)性需求。

在封裝端，高功率的印刷電路板被集成電路和芯片級封裝（CSPs）代替，以實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的高壓操作。而且這使得電動(dòng)汽車可以配備更小、更輕的電池組，從而有助于提高行駛范圍。目前雖然關(guān)注點(diǎn)還在SiC功率和Si功率模塊的擴(kuò)展使用上，然而未來SiC模塊一定會在電動(dòng)車領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

到2030年，全球可能生產(chǎn)3900萬輛電池電動(dòng)車，預(yù)計(jì)到2030年功率半導(dǎo)體市場將有50%的Si設(shè)備，35%的SiC設(shè)備，12%的GaN設(shè)備。碳化硅模塊扮演了從400V電池轉(zhuǎn)向使用800V電池的關(guān)鍵角色。

碳化硅模塊已經(jīng)達(dá)到了與硅基功率解決方案價(jià)格相當(dāng)?shù)呐R界點(diǎn)，盡管你需要支付三倍左右的半導(dǎo)體芯片價(jià)格，但你最終得到的系統(tǒng)成本卻低于硅功率模塊。這是因?yàn)槠湓诟哳l率下的高效運(yùn)行大大減小了磁性和無源元件的體積，從而抵消了芯片制造的更高成本。

而盡管由晶片缺陷等問題導(dǎo)致的產(chǎn)量損失、設(shè)備包裝和模塊集成造成的損失、供應(yīng)鏈的變更等等的問題仍然在不斷的解決和改進(jìn)中，新的碳化硅晶片處理和制造能力提升需要時(shí)間。但這并沒有影響對這種技術(shù)的熱衷，分析師們還在持續(xù)上調(diào)他們對碳化硅市場的預(yù)測。

各方面均在努力降低碳化硅晶格中的缺陷，制造碳化硅專用的工具平臺，碳化硅模塊被認(rèn)為用來提高電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率必不可少。

隨著2024年的即將到來，關(guān)于近在咫尺的電驅(qū)動(dòng)車輛和新能源的革命開始呈現(xiàn)在人們的眼前，全球的半導(dǎo)體組織在許多事情上達(dá)成了共識——尤其是下一代功率效率和性能的需求。