電動汽車乘風而起，IGBT與SiC將誰主沉浮？
2022/10/26 13:56:08 點擊：
近幾年來，電動汽車、電化學儲能、以及光伏和風電等新能源市場的快速發(fā)展，市場對功率器件的需求量大增，特別是電動汽車的興起，讓IGBT常年處于供應緊張狀態(tài)，且未來幾年都沒有緩解的跡象。此時，SiC器件也乘勢而起，開啟了汽車領(lǐng)域的滲透之路，那么，未來這兩種功率器件將誰主沉浮呢？
1982年，通用電氣的B?賈揚?巴利加發(fā)明了IGBT，它集合了雙極型功率晶體管（BJT）和功率MOSFET的優(yōu)點，一經(jīng)推出，便引起了廣泛關(guān)注，各大半導體公司都投入巨資開發(fā)IGBT器件。隨著工藝技術(shù)的不斷改進和提高，其電性能參數(shù)和可靠性也日趨完善。
據(jù)Omdia統(tǒng)計，全球IGBT市場規(guī)模在過去近十年中保持穩(wěn)定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場，占到全球IGBT市場規(guī)模的40%左右。另外，根據(jù)測算，國內(nèi)車載IGBT市場的規(guī)模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術(shù)成熟，已經(jīng)廣泛應用于各種領(lǐng)域。然而，隨著功率器件使用場合日益豐富，對高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環(huán)境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設(shè)計瓶頸，SiC和GaN等第三代半導體器件開始嶄露頭角。因為這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等優(yōu)點，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
近幾年，基于寬禁帶半導體材料的功率器件制造技術(shù)的發(fā)展也突飛猛進，許多半導體公司都推出了其商業(yè)化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例，現(xiàn)有的商業(yè)化功率器件耐壓范圍達到了650V~1700V，電流等級達到了6~60A，SiC模塊的耐壓等級甚至已經(jīng)達到了幾十kV。
據(jù)Yole統(tǒng)計，2021年全球SiC功率器件的市場規(guī)模為10.9億美元，預計未來幾年的年復合增長率可達34%，至2027年，市場規(guī)模可達62.9億美元。據(jù)悉，目前，SiC MOSFET在車載OBC和電控上在逐漸滲透。不過，現(xiàn)在很多供應SiC模塊，包括OBC和MOSFET的企業(yè)，同時也是IGBT的供應商。 從市場前景來看，如果SiC未來在車載上大批量上量，產(chǎn)值會翻倍，因為車載SiC模組的價格是傳統(tǒng)硅模塊的3~5倍，OBC單管的話是硅模塊的2倍。業(yè)內(nèi)人士預計今年SiC在國內(nèi)電控領(lǐng)域有10%左右的滲透，2025年可能會達到30%~50%的滲透。
IGBT與SiC的性能對比
前面有提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優(yōu)點，它既具有功率MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點，且具有高耐壓能力。據(jù)悉，目前商業(yè)化的IGBT模塊耐壓已經(jīng)做到了6500V，實驗室甚至已經(jīng)做到了8000V。
目前，IGBT器件的發(fā)展趨勢主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發(fā)展的主要難點在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達到。主要體現(xiàn)在IGBT的開通速度和損耗、擴展至8英寸和12英寸制造/加工技術(shù)的挑戰(zhàn)、緩沖層構(gòu)成，以及微溝槽設(shè)計等方面。
也就是說，要想設(shè)計出性能更好的IGBT產(chǎn)品，需要減少產(chǎn)品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如英飛凌、ST、三菱電機等基本都掌握了場終止層（Field-stop，F(xiàn)S）+溝槽柵IGBT技術(shù)，且相繼推出了不同系列，不同規(guī)格的600V~6500V IGBT器件和模塊產(chǎn)品。 國內(nèi)IGBT廠商由于設(shè)備和工藝水平等因素的影響，目前還處于追趕階段。不過可喜的是，已經(jīng)有不少廠商取得了不錯的進步，比如國內(nèi)的賽晶亞太半導體科技（浙江）有限公司（以下簡稱“賽晶亞太半導體”），其已經(jīng)量產(chǎn)的i20 IGBT芯片組，性能達到，甚至有些方面已經(jīng)超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據(jù)資料顯示，i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結(jié)構(gòu)，并通過N型增強層（N- Enhancement layer）、窄臺面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+（Optimized P+ LAYER）、先進3D結(jié)構(gòu)（Advanced 3D structure）等多項優(yōu)化設(shè)計，進一步改善IGBT導通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩(wěn)健性。
在性能方面，根據(jù)賽晶亞太半導體公開的其量產(chǎn)i20模塊與相似封裝技術(shù)的IGBT4模塊測試對比來看，兩個模塊的開通損耗基本相當；關(guān)斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導通壓降更低。
在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設(shè)計，在VDC=800V時，可達到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規(guī)級AQG 324標準中極其重要的高溫高濕反偏試驗（H3TRB）等測試。。且在經(jīng)過1500小時后，仍然沒有出現(xiàn)性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對SiC MOSFET的特性進行了深入研究。據(jù)研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場合，現(xiàn)有的SiC器件與硅基功率器件相比開關(guān)速度并不占優(yōu)勢，但在900V以上的場合，SiC的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。
比如說，1200V器件的開關(guān)損耗與開關(guān)時間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應用場景。而開關(guān)頻率提升后，可以減小系統(tǒng)中無源元件的體積和重量，從而減小整個系統(tǒng)的體積，增加系統(tǒng)的功率密度。
目前，SiC MOSFET技術(shù)遇到的主要難點是原材料成本和加工技術(shù)，業(yè)界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產(chǎn)線還比較少，良率目前也不是很高，因此產(chǎn)量提升還有難度；次要的難點是改進器件理論并積累更多可靠性數(shù)據(jù)。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需求一路高漲，目前處于供不應求的狀態(tài)。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量，而襯底和晶圓廠技術(shù)壁壘較高，產(chǎn)能擴張慢等因素影響，再加上電動汽車800V平臺的車型越來越多，對SiC MOSFET的需求將進一步放大，未來供給缺口恐更大。
結(jié)語
可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術(shù)性能優(yōu)于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產(chǎn)量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，經(jīng)過40多年的持續(xù)奮斗，不斷探索與創(chuàng)新，硅基IGBT的參數(shù)折中已經(jīng)達到了極高的水平，可以滿足不同的應用市場需求，而且成本可控。
1982年，通用電氣的B?賈揚?巴利加發(fā)明了IGBT，它集合了雙極型功率晶體管（BJT）和功率MOSFET的優(yōu)點，一經(jīng)推出，便引起了廣泛關(guān)注，各大半導體公司都投入巨資開發(fā)IGBT器件。隨著工藝技術(shù)的不斷改進和提高，其電性能參數(shù)和可靠性也日趨完善。
據(jù)Omdia統(tǒng)計，全球IGBT市場規(guī)模在過去近十年中保持穩(wěn)定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場，占到全球IGBT市場規(guī)模的40%左右。另外，根據(jù)測算，國內(nèi)車載IGBT市場的規(guī)模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術(shù)成熟，已經(jīng)廣泛應用于各種領(lǐng)域。然而，隨著功率器件使用場合日益豐富，對高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環(huán)境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設(shè)計瓶頸，SiC和GaN等第三代半導體器件開始嶄露頭角。因為這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等優(yōu)點，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
近幾年，基于寬禁帶半導體材料的功率器件制造技術(shù)的發(fā)展也突飛猛進，許多半導體公司都推出了其商業(yè)化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例，現(xiàn)有的商業(yè)化功率器件耐壓范圍達到了650V~1700V，電流等級達到了6~60A，SiC模塊的耐壓等級甚至已經(jīng)達到了幾十kV。
據(jù)Yole統(tǒng)計，2021年全球SiC功率器件的市場規(guī)模為10.9億美元，預計未來幾年的年復合增長率可達34%，至2027年，市場規(guī)模可達62.9億美元。據(jù)悉，目前，SiC MOSFET在車載OBC和電控上在逐漸滲透。不過，現(xiàn)在很多供應SiC模塊，包括OBC和MOSFET的企業(yè)，同時也是IGBT的供應商。 從市場前景來看，如果SiC未來在車載上大批量上量，產(chǎn)值會翻倍，因為車載SiC模組的價格是傳統(tǒng)硅模塊的3~5倍，OBC單管的話是硅模塊的2倍。業(yè)內(nèi)人士預計今年SiC在國內(nèi)電控領(lǐng)域有10%左右的滲透，2025年可能會達到30%~50%的滲透。
IGBT與SiC的性能對比
前面有提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優(yōu)點，它既具有功率MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點，且具有高耐壓能力。據(jù)悉，目前商業(yè)化的IGBT模塊耐壓已經(jīng)做到了6500V，實驗室甚至已經(jīng)做到了8000V。
目前，IGBT器件的發(fā)展趨勢主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發(fā)展的主要難點在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達到。主要體現(xiàn)在IGBT的開通速度和損耗、擴展至8英寸和12英寸制造/加工技術(shù)的挑戰(zhàn)、緩沖層構(gòu)成，以及微溝槽設(shè)計等方面。
也就是說，要想設(shè)計出性能更好的IGBT產(chǎn)品，需要減少產(chǎn)品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如英飛凌、ST、三菱電機等基本都掌握了場終止層（Field-stop，F(xiàn)S）+溝槽柵IGBT技術(shù)，且相繼推出了不同系列，不同規(guī)格的600V~6500V IGBT器件和模塊產(chǎn)品。 國內(nèi)IGBT廠商由于設(shè)備和工藝水平等因素的影響，目前還處于追趕階段。不過可喜的是，已經(jīng)有不少廠商取得了不錯的進步，比如國內(nèi)的賽晶亞太半導體科技（浙江）有限公司（以下簡稱“賽晶亞太半導體”），其已經(jīng)量產(chǎn)的i20 IGBT芯片組，性能達到，甚至有些方面已經(jīng)超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據(jù)資料顯示，i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結(jié)構(gòu)，并通過N型增強層（N- Enhancement layer）、窄臺面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+（Optimized P+ LAYER）、先進3D結(jié)構(gòu)（Advanced 3D structure）等多項優(yōu)化設(shè)計，進一步改善IGBT導通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩(wěn)健性。
在性能方面，根據(jù)賽晶亞太半導體公開的其量產(chǎn)i20模塊與相似封裝技術(shù)的IGBT4模塊測試對比來看，兩個模塊的開通損耗基本相當；關(guān)斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導通壓降更低。
在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設(shè)計，在VDC=800V時，可達到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規(guī)級AQG 324標準中極其重要的高溫高濕反偏試驗（H3TRB）等測試。。且在經(jīng)過1500小時后，仍然沒有出現(xiàn)性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對SiC MOSFET的特性進行了深入研究。據(jù)研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場合，現(xiàn)有的SiC器件與硅基功率器件相比開關(guān)速度并不占優(yōu)勢，但在900V以上的場合，SiC的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。
比如說，1200V器件的開關(guān)損耗與開關(guān)時間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應用場景。而開關(guān)頻率提升后，可以減小系統(tǒng)中無源元件的體積和重量，從而減小整個系統(tǒng)的體積，增加系統(tǒng)的功率密度。
目前，SiC MOSFET技術(shù)遇到的主要難點是原材料成本和加工技術(shù)，業(yè)界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產(chǎn)線還比較少，良率目前也不是很高，因此產(chǎn)量提升還有難度；次要的難點是改進器件理論并積累更多可靠性數(shù)據(jù)。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需求一路高漲，目前處于供不應求的狀態(tài)。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量，而襯底和晶圓廠技術(shù)壁壘較高，產(chǎn)能擴張慢等因素影響，再加上電動汽車800V平臺的車型越來越多，對SiC MOSFET的需求將進一步放大，未來供給缺口恐更大。
結(jié)語
可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術(shù)性能優(yōu)于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產(chǎn)量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，經(jīng)過40多年的持續(xù)奮斗，不斷探索與創(chuàng)新，硅基IGBT的參數(shù)折中已經(jīng)達到了極高的水平，可以滿足不同的應用市場需求，而且成本可控。
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