碳化硅（SiC）長(zhǎng)期以來(lái)一直被稱為功率器件的理想半導(dǎo)體技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)和制造創(chuàng)新，通過(guò)提供更高的功率密度，更好的高速開(kāi)關(guān)性能，更高的擊穿場(chǎng)，更高的導(dǎo)熱性，更高的芯片溫度，不僅增加了其現(xiàn)有市場(chǎng)的份額，而且實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車（EV）等新應(yīng)用， 以及比硅 （Si） 更低的漏電流。

Wolfspeed于1991年率先推出商用晶圓，2001年推出二極管，2011年推出MOSFET，引領(lǐng)SiC行業(yè)。該公司的技術(shù)發(fā)展支持其向更大的晶圓直徑和更低的成本、更高的質(zhì)量和更高的器件性能邁進(jìn)。該公司擁有超過(guò) 35 年的 SiC 開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和超過(guò) 7 萬(wàn)億個(gè)器件現(xiàn)場(chǎng)小時(shí)。

這種廣泛認(rèn)可的成功從最近被通用汽車（GM）選為其戰(zhàn)略SiC功率器件供應(yīng)商[1]中可見(jiàn)一斑。通用汽車正在參與沃爾夫速度供應(yīng)保證計(jì)劃（WS AoSP），該計(jì)劃適用于電動(dòng)汽車生產(chǎn)中的國(guó)產(chǎn)、可持續(xù)和可擴(kuò)展材料。

毫不奇怪，最近同樣的成功導(dǎo)致了電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的碳化硅需求的快速增長(zhǎng)。

圖1：到2030年的EV/HEV市場(chǎng)展望。資料來(lái)源：Power SiC Materials， Devices and Applications， Yole Devéloppement。

Yole Devéloppement預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車市場(chǎng)是SiC的最大機(jī)遇，到5年價(jià)值超過(guò)2027億美元，而充電基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)到90年將繼續(xù)以2025%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。Yole預(yù)計(jì)，隨著像Wolfspeed這樣的公司克服所有挑戰(zhàn)，包括與供應(yīng)、成本和性能相關(guān)的挑戰(zhàn)，SiC將長(zhǎng)期獲得市場(chǎng)份額（圖1）。

解決供應(yīng)和成本挑戰(zhàn)

根據(jù)Yole的估計(jì)，Wolfspeed在60-2018年占據(jù)了近2019%的N型SiC襯底市場(chǎng)，由于市場(chǎng)對(duì)SiC的信心不斷增強(qiáng)，Wolfspeed自然是解決供應(yīng)挑戰(zhàn)的供應(yīng)商。該公司正在投資1億美元用于一個(gè)新的200毫米晶圓能力的莫霍克谷晶圓廠（MVF）[2]，并將其現(xiàn)有設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧洗笮凸S。

雖然競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手仍在使用 150 毫米晶圓廠，但 Wolfspeed 正在利用垂直整合和內(nèi)部“學(xué)習(xí)周期”來(lái)滿足來(lái)自新的汽車級(jí)自動(dòng)化設(shè)施的 200 毫米晶圓的需求和成本。

MVF結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成，第一批200毫米晶圓已經(jīng)展示，晶圓廠正在接受批量生產(chǎn)的資格。

提高性能賭注

有助于滿足電動(dòng)汽車要求的關(guān)鍵性能參數(shù)包括 SiC MOSFET 漏源導(dǎo)通電阻、RDS（ON） 和額定結(jié)溫 Tj，前者負(fù)責(zé)傳導(dǎo)損耗和熱浪費(fèi)，后者負(fù)責(zé)器件可靠性和耐熱能力。

Wolfspeed 不斷創(chuàng)新，通過(guò)新一代 3+ 750 V 裸片 MOSFET（圖 3）解決這些問(wèn)題，該器件已贏得多項(xiàng)合同。該器件采用 5mm x 5mm 布局和 180mm 厚度，具有低內(nèi)部柵極電阻 Rg，可優(yōu)化電流上升時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。重要的是，新器件具有低導(dǎo)通電阻（RDS（ON））和高最大結(jié)溫（TJ）。

與 Wolfspeed 的 650 V、15 mΩ MOSFET 芯片（額定溫度為 175°C）相比，Gen 3+ 產(chǎn)品每單位面積和總面積的 RDS（ON） 有所改進(jìn)，達(dá)到 10 mΩ。750 V 額定電壓提高了 FIT 速率，MOSFET 還將 Tj 額定值提升至 175°C 以上（顯示為 200°C 數(shù)據(jù)），以便在車輛任務(wù)曲線期間實(shí)現(xiàn)峰值狀態(tài)操作。溫度穩(wěn)定的 RDS（ON） 提高了整體效率和系統(tǒng)溫度限制（圖 4）。

Gen 3+ 技術(shù)為柵極閾值電壓 Vth 提供了類似的穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)人員提供了足夠的裕量來(lái)主動(dòng)切換，同時(shí)避免雜散導(dǎo)通（圖 5）。結(jié)合高電容比，穩(wěn)定的 Vth 允許在高溫下安全運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)擊穿問(wèn)題。

此外，Wolfspeed 在芯片兩側(cè)使用鎳/鈀/金金屬化堆疊，以實(shí)現(xiàn)雙面焊接/燒結(jié)。Wolfspeed汽車模具上使用的這種新的金屬化為更先進(jìn)的封裝解決方案提供了選擇，這些解決方案可以使模具具有更好的性能和更高的封裝可靠性。這方面的示例包括將銅夾或薄膜燒結(jié)到芯片頂部，并使用銅線鍵合實(shí)現(xiàn)更高的載流和熱能力（圖 6）。

圖 6：雙面鍍鎳/鈀/金金屬堆疊雙面銅焊接/燒結(jié)，可實(shí)現(xiàn)更高的電流和熱性能。

為汽車應(yīng)用提供強(qiáng)大的性能

符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 MOSFET 足夠堅(jiān)固，可以承受短路和浪涌等故障模式，這是需要高魯棒性的汽車應(yīng)用中需要考慮的重要因素。[3]

該芯片在短路條件下具有 1.2 J 的高能量能力，在 2°C 結(jié)溫下具有 >6.175 ms 的耐受時(shí)間。 這種短路耐受時(shí)間（在最壞情況下測(cè)試）為柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)處理故障提供了足夠的安全裕度。這些器件還經(jīng)過(guò)測(cè)試，可承受高達(dá) 340 A 的浪涌電流，或者根據(jù)應(yīng)用條件，可承受 >3 倍額定電流。這種浪涌電流能力對(duì)于有源短路模式或其他高電流事件非常重要。

該芯片還能夠在有限的時(shí)間內(nèi)承受高達(dá)200°C的高溫偏移事件，而不會(huì)影響器件的可靠性。在101°C下進(jìn)行200小時(shí)的擴(kuò)展高溫AEC-Q168測(cè)試證明了此功能。

標(biāo)準(zhǔn)條件下的開(kāi)關(guān)性能測(cè)試表明，開(kāi)關(guān)速度為 30 V/ns 和 4 A/ns，瞬態(tài)期間不超過(guò)額定電壓。該器件還在整個(gè)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出一致的開(kāi)關(guān)損耗，在150°C至25°C測(cè)試的器件中，總開(kāi)關(guān)損耗僅增加175 μJ。 這些器件的快速開(kāi)關(guān)能力和在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行使系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)損耗總體上較低。

總結(jié)

Wolfspeed 分享了其 200 mm 擴(kuò)展的新細(xì)節(jié)，以及專為電動(dòng)汽車動(dòng)力總成應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新型汽車級(jí) 750 V 裸片 MOSFET。200 V、1 mΩ SiC MOSFET 具有高達(dá) 2°C 的穩(wěn)健工作溫度、強(qiáng)大的短路能量 （2.6 J） 和時(shí)間 （> 340.10 ms） 能力、高達(dá) 750 A 的浪涌電流和低 （10 mΩ） 導(dǎo)通損耗，能夠成功設(shè)計(jì)用于新型電池電動(dòng)汽車。