英飛凌在 20 多年前推出了其首款由碳化硅 (SiC) 制成的芯片，并且長(zhǎng)期以來(lái)將這種材料吹捧為電力電子的未來(lái)?，F(xiàn)在，更多的公司正在加速這個(gè)戰(zhàn)局。
最值得注意的是，通用汽車和特斯拉等汽車制造商正在投資由 SiC 制成的芯片，以制造電動(dòng)汽車 (EV)，這種汽車充電后可以行駛更遠(yuǎn)，并且在電池耗盡時(shí)可以更快地充電。
英飛凌 SiC 業(yè)務(wù)副總裁 Peter Friedrichs 表示，碳化硅是在 650 V 或更高電壓下必須在高溫和惡劣環(huán)境下運(yùn)行的電源開(kāi)關(guān)的代際轉(zhuǎn)變。他指出，碳化硅器件具有獨(dú)特的物理特性，使客戶能夠?qū)⒏喙β蕢嚎s到更緊湊的外殼中，這些外殼重量更輕，產(chǎn)生的熱量更少，從而提高了功率密度。
Friedrichs 表示，英飛凌目前向 3,000 多家客戶銷售 SiC MOSFET 和其他功率器件，其中包括臺(tái)達(dá)電子、現(xiàn)代、施耐德電氣和西門(mén)子。他們正在將它們構(gòu)建為電動(dòng)汽車、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器和工業(yè)級(jí)開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 的核心，這些電源需要高達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦的功率——其中許多公司并沒(méi)有回頭看。
“有些客戶根本不想談?wù)摴?，”Friedrichs 上個(gè)月在 APEC 2022 上表示。
這家功率半導(dǎo)體巨頭上個(gè)月推出了一系列新的 SiC MOSFET，適用于從電動(dòng)汽車到太陽(yáng)能逆變器的所有產(chǎn)品，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的 650V 器件市場(chǎng)上采用標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 和 IGBT。

它還加大了對(duì)基于 SiC（一種融合硅和超硬碳的材料）生產(chǎn)芯片的投資，以支撐供應(yīng)并降低制造 SiC 器件的高成本。
SiC 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，這一特性有助于它在擊穿之前承受更高的電壓（高達(dá)數(shù)千伏），并能承受比硅 MOSFET 更高的溫度（175°C 或更高）。
除了高壓耐受性之外，SiC 器件還能以更高的頻率和更高效地運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)在道路上主導(dǎo)電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn) IGBT 和 MOSFET 的不必要損耗。
SiC 在較高電壓水平下也具有較小的導(dǎo)通電阻，這會(huì)導(dǎo)致較低的傳導(dǎo)損耗、較高的電流密度，并且在將電力從一個(gè)電平調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電平時(shí)會(huì)散發(fā)更多的熱量。此外，SiC 提供比 MOSFET 和 IGBT 更快的開(kāi)關(guān)速度，這使您可以使用更小的外部組件（如變壓器和無(wú)源器件）包圍直接功率級(jí)。

于 SiC 的功率器件也減少了熱量損失，從而為更緊湊、更輕便的散熱器打開(kāi)了大門(mén)?？偠灾@些屬性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)級(jí)別的成本節(jié)約，行業(yè)專家說(shuō)。
SiC MOSFET 是高壓電源中 IGBT 的最佳競(jìng)爭(zhēng)者，因?yàn)樗档土碎_(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷損耗，有助于減輕電源的重量和體積。IGBT 將 MOSFET 的高輸入阻抗和快速開(kāi)關(guān)速度與雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的高導(dǎo)電性結(jié)合在一起，可為電動(dòng)汽車提供數(shù)萬(wàn)瓦的功率。
然而，工程師不太習(xí)慣使用 SiC 器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的權(quán)衡取舍，這對(duì)于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域來(lái)說(shuō)相對(duì)較新。IGBT 也仍然很受歡迎，因?yàn)樗鼈儾幌?SiC MOSFET 那樣昂貴。
雖然 IGBT 讓電動(dòng)汽車上路，但Friedrichs 表示，碳化硅器件正在推動(dòng)電動(dòng)汽車走向未來(lái)。
他說(shuō)，SiC 器件正在爭(zhēng)奪電動(dòng)汽車動(dòng)力總成核心的 80% 左右的電力電子設(shè)備，包括將存儲(chǔ)在汽車電池組中的直流電 (dc) 轉(zhuǎn)換為交流電 (ac) 并饋電的主牽引逆變器。它到轉(zhuǎn)動(dòng)車輪的電動(dòng)機(jī)。這些芯片還在電動(dòng)汽車的其他部分爭(zhēng)取設(shè)計(jì)勝利，例如車載充電器和直流-直流轉(zhuǎn)換器。
英飛凌此前曾表示，SiC 可以幫助將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提高 5% 至 10%，或者讓汽車制造商能夠使用更小、更輕、成本更低的電池。英飛凌并不是唯一一家向電動(dòng)汽車市場(chǎng)供應(yīng)碳化硅的公司。去年，通用汽車同意從Wolfspeed購(gòu)買(mǎi) SiC 器件，用于通用汽車 Ultium Drive 系統(tǒng)中的集成電力電子設(shè)備。
據(jù)Exawatt估計(jì)，到 2030 年，僅電動(dòng)汽車中的 SiC 器件市場(chǎng)將超過(guò) 25 億美元。
Friedrichs 表示，英飛凌正試圖通過(guò)更新的 SiC 器件在電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)中領(lǐng)先一步。例如，該公司即將在 2022 年推出其獨(dú)特的第二代 SiC 溝槽 MOSFET 技術(shù)，這將帶來(lái)更高水平的功率密度和功率效率。
但他表示，隨著各行各業(yè)競(jìng)相減少碳足跡，它也希望保持領(lǐng)先于全球?qū)μ蓟璧男枨?。英飛凌計(jì)劃投資超過(guò) 20 億美元來(lái)提高其 SiC 和 GaN 的產(chǎn)量。
此外，英飛凌已經(jīng)計(jì)劃在其位于奧地利菲拉赫的晶圓廠轉(zhuǎn)換部分 200 毫米和 300 毫米產(chǎn)能，該工廠去年才開(kāi)始量產(chǎn) SiC 和 GaN 器件。

未來(lái)的挑戰(zhàn)是確保系統(tǒng)級(jí)的成本節(jié)省超過(guò)制造 SiC 器件的更高成本。據(jù)分析師稱，英飛凌和其他公司正在采取措施縮小與硅的成本差距，但距離完全縮小差距還有幾年的時(shí)間。
公司早就知道如何通過(guò)在灼熱的熔爐中混合硅和碳來(lái)制造 SiC。但它比硅更硬、更脆，因此更難以在晶圓表面進(jìn)行鋸切、研磨和拋光而不留下可能拖累功率器件性能或功率效率的劃痕。結(jié)果是大量制造SiC 的成本往往更高。
高管們表示，英飛凌自有妙計(jì)。該公司正在使用一種名為 Cold Split 的技術(shù)提高產(chǎn)量，以更仔細(xì)地從原始碳化硅柱中切割出晶圓，這一過(guò)程類似于從巖石中切割石板。冷分裂承諾可以從 SiC 晶圓上切出的芯片數(shù)量翻倍，有助于提高產(chǎn)量并節(jié)省成本。
英飛凌表示，它正準(zhǔn)備在 2023 年采用 Cold Split 技術(shù)進(jìn)行量產(chǎn)。
英飛凌的碳化硅發(fā)展之路：
?1992年起，英飛凌開(kāi)始著手碳化硅的研究

?1998年，英飛凌開(kāi)始在大批量硅功率生產(chǎn)線上進(jìn)行2英寸硅片技術(shù)整合
?2001年，英飛凌成為全球首家推出碳化硅二極管的廠商，自此開(kāi)啟碳化硅的商用
?2015年，實(shí)現(xiàn)了碳化硅從4英寸轉(zhuǎn)6英寸晶圓的生產(chǎn)
?2017年，發(fā)布1200V 碳化硅 MOSFET
?2018年，通過(guò)收購(gòu) Siltectra 公司，獲得了碳化硅晶圓的冷切割技術(shù)
?2019年，發(fā)布了1200V的車規(guī)級(jí)碳化硅 MOSFET
?2020年，
在光伏領(lǐng)域，根據(jù)客戶需求，為中國(guó)市場(chǎng)定制化了 EasyPACK3B 碳化硅混合模塊。
面向全球汽車行業(yè)公開(kāi)發(fā)售碳化硅HybridPACK Drive 模塊
發(fā)布了1200V IPM碳化硅模塊
?2022年，英飛凌擴(kuò)大第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)能，將投資超過(guò)20億歐元（合計(jì)約144億人民幣）擴(kuò)大SiC 和 GaN的產(chǎn)能