在今天的汽車市場，SiC已經成為最具活力的技術之一，設計導入機會很多，其滲透率正在快速增長。那么，在EV/HEV系統(tǒng)中，SiC的最大應用場景在哪里？BEV被認為是汽車電氣化的終極目標，因此意味著可持續(xù)的商機。而且其中的牽引逆變器、蓄電池和電動機是體現不同主機廠車輛技術性能的三個關鍵區(qū)別因素。
剛剛過去的2020年，功率電子行業(yè)的明星莫過于SiC（碳化硅）開始加快了進入汽車行業(yè)的腳步。電動汽車包括三種功率轉換器：主逆變器、DC-DC轉換器和OBC（車載充電器），其中主逆變器功率級別最高，因此也是最需要使用SiC來提升效率的應用，其中功率半導體器件最多，所以是最大的細分市場。
最大對手是硅IGBT
今天的SiC正經歷硅IGBT技術所走過的歷程。1986年，IGBT首次商業(yè)化發(fā)布，之后一發(fā)不可收拾，經過不斷改進和發(fā)展，創(chuàng)新器件層出不窮。今天，得益于硅成熟的基礎設施和工藝，除了性能改進外，逐步向12英寸硅晶圓的過渡，令硅IGBT的成本進一步降低，所以SiC等寬禁帶半導體面對的對手仍然后勁十足。
不過，SiC MOSFET在更高頻率和溫度下運行的特性更勝一籌，是進入1200V級別功率器件的理想選擇，但其高于硅的制造成本，加上IGBT技術已很成熟，讓最新型的IGBT在市場上仍能立于不敗之地，可以在標準化和廣泛采用方面更進一步。
從技術角度看，SiC MOSFET功率模塊面臨的問題和IGBT一樣，模塊中不匹配的CTE（熱膨脹系數）容易使各層相互分離，引發(fā)器件失效。SiC的問題更為嚴重，主要是材料密度引起的熱耗散，因此需要有合適的封裝和系統(tǒng)集成創(chuàng)新方案。
但有一點可以肯定，SiC MOSFET在高溫下導通電阻非常低，結合其在所有溫度范圍內都具有比同類硅IGBT更好的開關性能，如果輔以先進的創(chuàng)新封裝，既可以簡化汽車電力系統(tǒng)的熱設計，也可以實現更高效、緊湊和輕量的系統(tǒng)。
電動汽車SiC商用時代開啟
本世紀初，SiC器件開始商業(yè)化應用。20年來，它已從國防軍工等不計成本的高端市場走進尋常市場應用。隨著越來越多的公司開發(fā)SiC器件，其發(fā)展勢頭日益迅猛。在汽車領域，作為顛覆性技術的SiC將為電動汽車應用帶來創(chuàng)新和最新的商業(yè)機會。
事實上，SiC的汽車商用早在2018年即已開始。第一個采用SiC器件封裝解決方案的主機廠是特斯拉。當時，Model 3逆變器搭載了意法半導體（ST）的SiC功率模塊，這是SiC功率模塊在電動汽車中的首次商用。
電動汽車首款商用SiC模塊
ST為特斯拉打造的逆變器由24個1合1功率模塊組成，模塊封裝在Pin Fin散熱片上。每個模塊包含兩個采用片芯連接解決方案的SiC MOSFET，并通過銅夾直接連接在端子上，以利用銅基板散熱，降低傳導損耗和開關損耗。
同年，英飛凌也推出了第一個雙面冷卻IGBT模塊FF400R07A01E3，當然它還是硅器件；三菱電機的第7代IGBT J1系列650V大功率汽車功率模塊也是如此。這些硅基模塊在封裝設計和材料解決方案上與ST的SiC MOSFET差別很大。從那以后，研發(fā)SiC MOSFET的頭部半導體公司都加持了SiC，并從市場獲得了很好的回報。
當時，在積極立法的推動下，減少二氧化碳排放已成為未來的主旋律。主機廠已將汽車電氣化作為一種非常有效的方式來減少其車隊的二氧化碳排放量，從而避免沉重的經濟處罰。此前很長一段時間，標準逆變器功率模塊集成的是硅IGBT，但在電動汽車中，發(fā)動機艙的空間非常有限，很難容納控制電動汽車牽引電機的功率控制單元（PCU）。因此，PCU必須有更高的功率密度，體積更小。
由于SiC器件可以在更高的結溫和更高的開關頻率下以更小的芯片尺寸工作，成為了高壓工作條件下硅的有力競爭者。然而，高功率密度需要更好的散熱能力，要用新的封裝來提高器件性能。為實現這一目標，制造商們開發(fā)了不同的解決方案，例如減少引線鍵合或使用模壓成型（overmolded）結構來有效地冷卻功率半導體芯片，同時降低互連電感，提高器件的可靠性。
未來SiC模塊市場將加速攀升
根據Yole最近發(fā)布的《2021年電動汽車功率電子產品報告》預計，到2026年，電動汽車主逆變器市場將達195億美元，占整個電動汽車/混合動力汽車（EV/HEV）轉換器市場的67%，復合年增長率為25.9%。在功率半導體市場，IGBT和SiC模塊之間的技術角逐的序幕已經拉開，而到2026年后者的價值將會翻三番。
xEV半導體功率器件市場預測
實際上，目前SiC模塊的成本仍然是650V IGBT模塊三倍左右，但隨著生產規(guī)模的擴大，并逐步采用8英寸晶圓，以及汽車用戶應用批量的增加，兩者價格的差距將日漸縮小。
SiC的最大應用場景是BEV
在今天的汽車市場，SiC已經成為最具活力的技術之一，設計導入機會很多，其滲透率正在快速增長。那么，在EV/HEV系統(tǒng)中，SiC的最大應用場景在哪里？Yole認為，不同電氣化水平的車型，包括輕度混合動力電動汽車（MHEV）、全混合動力電動汽車（HEV）和插電式混合動力汽車（PHEV）、零排放電池電動汽車（BEV）和燃料電池電動汽車（FCEV）對SiC的需求有所不同。
過去，人們預計向全電動汽車的過渡速度會相當緩慢和漸進。這主要是由于電池成本高，行駛里程短。近幾年，由于電池技術的快速發(fā)展、制造成本的降低、供應鏈的整合等諸多因素，BEV的發(fā)展正在提速。
汽車電氣化發(fā)展進程
BEV被認為是汽車電氣化的終極目標，因此意味著可持續(xù)的商機。而且其中的牽引逆變器、蓄電池和電動機是體現不同主機廠車輛技術性能的三個關鍵區(qū)別因素。特別是逆變器效率的提高可以降低從電池到電機的能量損耗，延長行駛里程，直接影響車輛的性能和用戶的駕駛體驗。
現在，主機廠在功率模塊的設計和制造方面越來越激進。但由于開發(fā)高性能、低制造成本的功率模塊封裝對主機廠來說有一定難度，一些主機廠更傾向于直接采用上游廠商提供的SiC MOSFET模塊。
因此，SiC技術應用成功的關鍵因素之一是供應鏈安全。在最初特斯拉Model 3、Model S和Model X相繼采用SiC后，不僅展示了SiC在牽引逆變器中的全部性能優(yōu)勢，也縮小了硅和寬帶隙之間的鴻溝。自那時起，汽車用SiC器件的發(fā)展速度不斷加快，主逆變器和車載充電器設計成倍增加，搭載SiC的新車型也開始增多。
2020年，作為特斯拉競爭對手的主機廠都搭載了全SiC模塊的主逆變器：比亞迪推出了純電動車車型“漢”，Lucid推出了Lucid Air。韓國現代、奧迪、大眾、戴姆勒和通用汽車也都在研發(fā)SiC解決方案。
隨著SiC器件的成功應用，為了滿足日益增長的需求，領先襯底制造商Cree、SiCrystal（ROHM）、II-VI等在晶體生長方面進行了大量投資，而幾乎所有領先的設備制造商都收購或加速了晶圓技術的內部增長。2019-2020年間，領先的SiC器件制造商ST、英飛凌和安森美半導體（ON Semiconductor）與頭部晶圓和SiC晶體供應商Cree|Wolfspeed、SiCrystal和GTAT等簽署了長期合作協(xié)議。
涉足車用SiC的上下游廠商
自從800V電池系統(tǒng)電動汽車問世以來，1200V SiC越來越受到人們的關注。經過幾年的發(fā)展，針對牽引逆變器應用的1200V SiC MOSFET技術已成為眾多器件制造商的優(yōu)先選擇。下一個重點是開發(fā)合適的封裝，以充分利用SiC MOSFET的附加價值。
“面向制造的設計”是關鍵
在電動汽車中，發(fā)動機艙的可用空間非常有限，因此，電動汽車中的電動傳動系要更小，還要有更高的功率密度。這就需要用新的封裝來提高器件性能。事實上，在更高的溫度下，標準塑封可能會在不同層面上出現可靠性問題，包括其中的引線鍵合、基板到封裝的連接。此外，為了在競爭激烈的市場中保持競爭力，功率模塊制造商必須在高可靠性和保持成本效益之間取得平衡。
事實上，具有最高性能的解決方案并不一定是客戶需要的，功率模塊材料的選擇和設計是影響器件性能的基礎，而“面向制造的設計”是降低成本的關鍵。
由于電動汽車仍然是一個相對較新的業(yè)務領域，許多參與者都在通過高性能來實現產品的差異化。這通常是通過使用專有模塊設計來實現的，即采用能夠實現高性能的封裝解決方案，以保證根據性能要求將模塊更好地集成到最終系統(tǒng)中。
從應用看，在實際封裝中可以發(fā)現不同的趨勢，包括：轉移模塑（transfer molding）結構、塑料外殼、金屬外殼；基板上Pin-Fin散熱器；基板組件集成設計；單面或雙面冷卻技術；SiN-AMB（氮化硅-活性金屬釬焊）基板；銀燒結片芯連接、絲網印刷、錫基連接。事實上，SiC片芯、銀燒結片芯連接和SiN-AMB陶瓷基板已成為最高性能、最高可靠性的電動汽車牽引逆變器SiC功率模塊的“金三角”。
在封裝方面，模壓雙面冷卻模塊以散熱器封裝取代了塑料外殼，使逆變器更加緊湊和高度模塊化。例如日立2019年為奧迪e-tron和保時捷Taycan開發(fā)的雙面冷卻功率模塊以集成基板為金屬外殼，采用直接水冷型雙面冷卻實現了逆變器的小型化。
SiC模塊封裝設計因車而異
無獨有偶，英飛凌和豐田也開發(fā)了雙面冷卻解決方案。其模塊的不同不僅是開關的數量，而且材料也不一樣，包括引線框架、側壁（Spacer）和片芯連接材料。
此外，基板對散熱有很大影響；銅已被廣泛用作引線框架材料，而新型集成散熱片Pin Fin、AMB陶瓷基板正日益受到重視。此外，焊料在提高模塊可靠性方面的作用不可小覷，特別是在更高的溫度下。銀燒結的使用越來越普遍，無論是在片芯下還是在基板下都有使用。
散熱系統(tǒng)需要創(chuàng)新
為了減少連接引起的電感，人們發(fā)現粗線連接已經落伍，銅夾或更寬的連接更具優(yōu)勢。在灌封膠方面，三菱J1系列650V大功率汽車模塊使用了新的導熱環(huán)氧樹脂，而不是傳統(tǒng)的硅膠。環(huán)氧樹脂的散熱性比較好，具有更好的耐高溫特性。
競爭將降低SiC成本
我們現在可以自信地說，SiC將不斷與低成本且成熟的硅直接競爭，而硅本身就是一個移動的靶子?？梢灶A期，在最初關注高性能和高可靠性之后，SiC的開發(fā)重點將轉向降低成本，以更好地與硅基IGBT功率模塊進行競爭。
在封裝方面，功率模塊正朝著使用高性能材料和減少層數、尺寸和接口，同時保持電氣、熱和機械特性的方向發(fā)展。未來將會有更多的創(chuàng)新設計和封裝解決方案出現，特別是可以通過集成節(jié)約成本的解決方案。
鑒于SiC在電動汽車和混合動力汽車逆變器和充電基礎設施、光伏（PV）逆變器和電源中的應用日漸增加，英飛凌、Wolfspeed、ST、ROHM、三菱電機和許多其他老牌硅公司都提供了SiC組合。
在生態(tài)系統(tǒng)方面，最有力的競爭者之一是Wolfspeed。這家垂直整合的SiC公司從襯底材料到SiC器件生產環(huán)環(huán)相扣，為汽車主機廠贏得了多項設計導入。最近，該公司加大了投資。計劃于2022年在紐約開設新的制造工廠，進一步完善生態(tài)系統(tǒng)。
在這個令人興奮的市場，我們將見證功率電子行業(yè)一個非凡SiC時代的開啟！
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