安森美碳化硅专家点评平面和沟槽之争，以及碳化硅的成功之道
最新更新时间：2024-09-19
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“中国是全球最大、增长最快的纯电动汽车市场，中国 OEM 正在采用安森美的碳化硅解决方案，因为我们的芯片和模块（例如我们刚刚发布的 M3e）具有市场领先的效率。”安森美CEO Hassane在一次电话会上表示。
实际上，安森美碳化硅的成长已经得到了普遍证实。Yole Intelligence高级分析师Poshun Chiu在2023年的一篇报告中指出，主要的 IDM 都在利用快速增长的功率碳化硅器件市场（该市场规模较 2022 年第一季度增长了一倍），但安森美半导体的增长率超过了同行，包括市场领导者意法半导体。
随着市场对高效、绿色产品的热衷，以电动汽车为代表的新一代消费火热，也使得碳化硅越来越成为市场炙手可热的卖点。而纵观安森美的近期几次路演，所有分析师都将碳化硅作为热门话题与公司领导层进行探讨。
日前，安森美电源方案事业群资深产品专家Dr. Das来华，与众媒体探讨了关于安森美与碳化硅的未来，我们也从谈话中得到了不少信息，一起来一探其成功的秘密。
安森美电源方案事业群资深产品专家Dr. Das
Dr. Das对中国并不陌生，2020 - 2022其在三安光电担任技术营销和市场总监。1994年，Dr. Das进入普渡大学，专攻碳化硅，之后一直在Cree、Wolfspeed以及TI工作，今年正是其入行碳化硅的第三十个年头。
垂直整合与Fab Rignt
地域和市场多元化战略，是安森美碳化硅得以迅速增长的首要原因，即便在市场增长趋缓之时，安森美“仍有望在 2024 年实现超过碳化硅市场 2 倍的增长。”
无论是Hassane还是Dr. Das，都在不同场合反复提到安森美的一个竞争力，就是拥有完整的垂直整合能力。自收购GTAT以来，安森美碳化硅的大部分衬底都是内部制造，这种IDM模式，也使得产品无论是质量还是供应上都得到了保证。
不过Dr. Das也强调，安森美从来就是采用灵活的供应模式，比如衬底，也会保留第三方，以便灵活满足市场变动的需求。
安森美垂直整合供应链模式
谈到升级8英寸这一热点话题时，Dr. Das也表示，目前安森美正在过渡中，依照市场需求而定。“我们会选择对于我们和客户而言都最具价值的平台，能够确保定价合理，供应充足。”虽然这与对手相比稍显保守，但却是如今市场环境下面的最佳选择。Dr. Das补充道，“我们的工厂主要围绕做棕地的扩建，这样仅需要少量投资就可以拥有碳化硅的产能，并且通过全球布局灵活分配晶圆厂的利用率。”
安森美在Fab-Right的策略下，为每个晶圆厂分配了具体的产能及优化，实现了精益化的运营。“相比绿地投资，可以减少40%的资本支出量。”
平面还是沟槽之争
平面和沟槽之争是目前碳化硅的两种技术路线，二者选择之争从来没有断过。
Dr. Das也给出了详细解释，首先对于MOSFET结构而言，平面的最大优点是栅极氧化层的可靠性高，栅极氧化层是MOSFET里面最薄弱的一环，当时针对这一技术的研发就超过了40年，截至目前实际应用超过了15年，也充分证明了平面结构的可靠性。
Dr. Das还指出目前大热的沟槽结构的不足，尽管沟槽结构可以显著降低芯片尺寸，但目前沟槽结构的利用率只能达到50%，主要原因是栅极氧化层必须要做好保护，因为一旦栅极氧化层暴露在磁场、电场中的话，会降低使命寿命导致失效。具体而言，由于材料的不同，碳化硅沟槽型结构并不能完全复制硅。硅的电场强度只有200-300kV/cm水平，而碳化硅的峰值电场将达到3000kV/cm。在平面结构中，栅极氧化物处于低电场区，而当栅极氧化物位于沟槽器件时，会受到高电场影响，很难对其进行有效保护。
另外，试想一下在沟槽型结构中，晶体结构是硅、碳、硅、碳的形式，这种形式的氧化相比较平面层而言，复杂很多。
也正因此，Dr. Das表示沟槽碳化硅技术经常出现延误，就是因为氧化物和现有的硅基沟槽技术完全不同，所有的制造性、可靠性、性能等都需要重新验证。
目前沟槽结构的利用率只能达到50%
“对于安森美而言，我们一定要确保大量时间进行积累和验证，以确保技术的成熟度以及足够的性能和性价比优势，才会过渡到沟槽型结构。”Dr. Das表示。
Dr. Das表示，安森美最新推出的M3e将会是最后一款平面结构的碳化硅MOSFET，安森美已经制定了详细的路线图，要转向沟槽技术。“M3e已经是平面MOSFET的极限，如果要进一步提升，只能采用沟槽技术。”
最后一代平面架构的M3e
作为最后一代，也将是最经典的M3e，究竟发挥出硅的多少极限能力？Dr. Das给出了详细解读。
EliteSiC M3e MOSFET 在可靠且经过实际验证的平面架构上显著降低了导通损耗和开关损耗。与前几代产品相比，该平台能够将导通损耗降低 30%，并将关断损耗降低多达 50%[ 基于内部与EliteSiC M3T MOSFET的对比测试]。通过延长碳化硅平面 MOSFET 的寿命并利用 EliteSiC M3e 技术实现出色的性能，安森美可以确保该平台的坚固性和稳定性，使其成为关键电气化应用的首选技术。
Dr. Das特别表示，M3e的晶胞结构是经过优化的，降低了开关导通损耗和开关损耗，同时缩小了体积。
终端客户不仅要性能高，还要成本低，可靠性还要强，更重要的是需要在系统中表现出最佳性能。Dr. Das强调，M3e无论是在软开关、硬开关以及高频低频不同场景中，都具有最佳表现。
比如牵引逆变器，导通损耗占比80%左右，开关损耗只有20%，因此在这种硬开关的拓普中，需要更多考虑导通损耗，其FOM为Qgd×Rds，其中Qgd代表了栅极到漏极的切换速度，Rds为导通电阻。
在车载充电器应用中，PFC功率因数校正电路是图腾柱拓扑，虽然也属于硬开关，但是频率约100Khz，远超牵引逆变器的10kHz，因此此种情况下导通和开关损耗均为50%。在后端DC-DC转换中，使用的是软开关拓扑，没有所谓的开关损耗，只需要关注导通损耗。另外由于开关频率较高，栅极驱动器的损耗也是一个重要的考虑点。
Dr. Das表示，M3e在各类应用中的FOM都具有最佳表现。“在所有新产品和新技术的研发过程当中，我们都去跟踪和参考相关因素，确保能够在应用中处于最佳水平，这样才能得到有效的使用。”
从系统角度理解优化
Dr. Das强调了解决方案在系统中的重要性，除了裸片本身实现千瓦成本和效率最佳之外，包括封装也非常有价值，可以确保在系统层面的实施过程中不需要添加额外的成本，同时确保性能的优化。
“对安森美来说，我们有非常强大的产品组合，不仅是组件方面的优化，而是系统层面的优化，通过安森美的栅极驱动器、控制器等产品组合，确保组件之间协同工作，为客户和行业创造最佳实践，以及具有成本效益的系统。”Dr. Das说道。。
Dr. Das所在的部门是电源方案事业群，控制器等属于模拟与混合信号事业群，通过跨部门间的合作，为客户交付开箱即用、经过优化的系统，从而加速客户的开发周期。
比如安森美最新推出的F5PB PIM模块，集成了1050V FS7 IGBT和1200V D3 EliteSiC二极管，实现高电压和大电流转换的同时降低功耗并提高可靠性。通过优化内部的电气连接，降低了电感，从而能够帮助获得更好的更低的开关损耗。
写在最后
Dr. Das指出，三十年前，碳化硅有很多问题没有解决，也正因此各大顶级院校都建立了相关实验室，庆幸的是三十年后，问题都一一解决，并且真正从实验室走向了市场，并成为一项主流技术。
“那会碳化硅晶圆只有我的指甲一样大小，但是现在已经有8英寸的晶圆了，成本已经可以被大众接受，这也是技术为社会带来进步的表现。”Dr. Das说道。
他表示，碳化硅是独一无二的，碳，也是金刚石的基本构成元素，其是目前已知的功率半导体当中品质因数最好的材料，而硅则拥有业界最佳的可制造性，二者组合，是品质和性价比的完美结合。
“我非常有幸见证了碳化硅改变世界的过程。”Dr. Das总结道。实际上不光在汽车领域，碳化硅成功已延伸至工业市场，随着商用供暖、通风和空调等新兴大众市场应用的出现，需求已超出能源基础设施的范围。1200 伏碳化硅和 HVAC 应用的使用可实现更高效、更可靠、更紧凑的系统，最终降低能耗、降低电磁干扰和运营成本。另外，随着AI的兴起，数据中心电力消耗越来越大，碳化硅也正在进入这一领域，以降低数据中心的功耗。
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