碳化硅和氮化鎵等寬帶隙功率半導(dǎo)體可減小組件尺寸、提高效率并改善混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車的性能。現(xiàn)在越來(lái)越多的汽車制造商押注于 SiC 和 GaN，芯片制造商正在轉(zhuǎn)變他們的業(yè)務(wù)，以利用電動(dòng)汽車市場(chǎng)的爆炸式增長(zhǎng)。

在先進(jìn)汽車技術(shù)論壇的電動(dòng)汽車寬帶隙半導(dǎo)體小組會(huì)議上，三位行業(yè)專家討論了解決GaN 和 SiC當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)機(jī)遇的努力。

把握電氣化勢(shì)頭

在清潔能源領(lǐng)域，電動(dòng)汽車市場(chǎng)是迄今為止最具活力的。2012 年，全球售出約 130,000 輛電動(dòng)汽車。今天，這是一周內(nèi)售出的電動(dòng)汽車數(shù)量。

Covid-19 大流行嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)汽車市場(chǎng)，但并未抑制電動(dòng)汽車的銷售。國(guó)際能源署 (IEA) 的最新數(shù)據(jù)顯示，2019 年電動(dòng)汽車銷量為 220 萬(wàn)輛，2020 年為 300 萬(wàn)輛，而電動(dòng)汽車銷量在 2021 年翻了一番多，達(dá)到 660 萬(wàn)輛，占全球汽車市場(chǎng)的近 9%。2021年全球汽車銷量的凈增長(zhǎng)來(lái)自電動(dòng)汽車。

根據(jù) IEA 的數(shù)據(jù)，在政府補(bǔ)貼和其他激勵(lì)措施的推動(dòng)下，中國(guó)在 2021 年引領(lǐng)了全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，銷量幾乎翻了三倍，達(dá)到 340 萬(wàn)輛。中國(guó)政府的官方目標(biāo)是到 2025 年電動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額達(dá)到 20%。

作為綠色協(xié)議的一部分，歐盟為自己設(shè)定了到 2050 年實(shí)現(xiàn)中立的雄心勃勃的目標(biāo)，并決定在 2035 年后禁止銷售新的化石燃料汽車。事實(shí)上，電動(dòng)汽車的銷量增長(zhǎng)了近去年 70% 至 230 萬(wàn)。而這僅僅是開(kāi)始。

不僅汽車制造商必須適應(yīng)并跟上電動(dòng)汽車的普及率。電源芯片供應(yīng)商正爭(zhēng)先恐后地滿足對(duì)車載充電器、牽引逆變器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等 EV 動(dòng)力總成組件的需求。

“市場(chǎng)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命，Tier 1 的角色被完全重新定義，”onsemi 汽車牽引解決方案總監(jiān) Pietro Scalia 說(shuō)。“半導(dǎo)體廠商有一個(gè)很好的機(jī)會(huì)來(lái)加強(qiáng)并搶占優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，因?yàn)檫@一切都與系統(tǒng)有關(guān)。”

根據(jù)英國(guó)研究公司 IDTechEx 的數(shù)據(jù)，每輛電動(dòng)汽車對(duì)半導(dǎo)體的需求約為內(nèi)燃機(jī)汽車的 2.3 倍。到 2022 年，按照目前的發(fā)展軌跡并假設(shè)沒(méi)有供應(yīng)限制，IDTechEx 預(yù)測(cè)，與沒(méi)有電氣化的情況相比，汽車行業(yè)的電氣化（BEV、PHEV、FCEV、HEV、48 V）將需要額外價(jià)值 74 億美元的半導(dǎo)體材料。

然后出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：面對(duì)半導(dǎo)體短缺，電氣化是否可持續(xù)？

“如果你想讓你的車隊(duì)電氣化，你不能在一年內(nèi)做到；你需要五到十年，”斯卡利亞說(shuō)。“原始設(shè)備制造商正在簽訂長(zhǎng)期協(xié)議——不僅是商業(yè)協(xié)議，還有技術(shù)協(xié)議。客戶想知道我們的路線圖，了解從現(xiàn)在起三年后比電阻的品質(zhì)因數(shù)會(huì)達(dá)到什么水平，因?yàn)榻裉焖麄冑?gòu)買了某種性能的芯片，但他們肯定需要更新他們的電源模塊。”

除了與原始設(shè)備制造商的持續(xù)互動(dòng)外，斯卡利亞還強(qiáng)調(diào)，強(qiáng)大的供應(yīng)鏈?zhǔn)恰氨夭豢缮俚摹保啻箨懖少?gòu)“非常重要”。

總部位于鳳凰城的 onsemi 聲稱，其SiC MOSFET和SiC 二極管目前用于電動(dòng)汽車，并且與世界各地的汽車 OEM 都有合作項(xiàng)目。

“毫無(wú)疑問(wèn)，碳化硅晶圓短缺阻礙了 [EV] 市場(chǎng)的增長(zhǎng)，”意法半導(dǎo)體 (ST) 功率晶體管宏部門(mén)戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理 Filippo Di Giovanni 說(shuō)。為解決全球產(chǎn)能限制并實(shí)現(xiàn)基板設(shè)計(jì)和內(nèi)部生產(chǎn)，ST 在 2019 年底以 1.375 億美元收購(gòu)了瑞典 SiC 晶圓制造商 Norstel。然而，建立大批量基板產(chǎn)能需要時(shí)間，Di Giovanni 表示 ST 已經(jīng)與合作伙伴簽署了“價(jià)值數(shù)億美元的大型戰(zhàn)略供應(yīng)合同，以獲得連續(xù)性和獲得基板的機(jī)會(huì)。” 目標(biāo)是到 2025 年“至少有 40% 的基板需求在內(nèi)部生產(chǎn)”。

在這些不確定的時(shí)期，建立制造和供應(yīng)鏈的彈性是當(dāng)務(wù)之急。由于需求主要集中在兩個(gè)世界地區(qū)，ST 的 Di Giovanni 表示：“我們的產(chǎn)能增長(zhǎng)非常快，在非常靠近中國(guó)的新加坡開(kāi)設(shè)了第二家生產(chǎn)工廠……并在非常靠近歐洲的地方引入了第二條裝配線，在摩洛哥，卡薩布蘭卡。”

Nexperia 還傾向于采用雙重采購(gòu)方法來(lái)降低供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。“在汽車行業(yè)，您需要雙重采購(gòu)，這就是我們擁有歐洲資源和遠(yuǎn)東資源的原因，”Nexperia 功率 GaN 技術(shù)戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān) Dilder Chowdhury 說(shuō)。

過(guò)渡到 8 英寸晶圓

下一代電動(dòng)汽車將需要滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等嚴(yán)格要求的技術(shù)。SiC 和 GaN 功率半導(dǎo)體為汽車制造商提供了有前景的解決方案，并且正在從 150 毫米（6 英寸）到 200 毫米（8 英寸）晶圓生產(chǎn)過(guò)渡。

雖然增加晶圓尺寸會(huì)顯著降低組件的單位成本，但它在消除缺陷和提高交付半導(dǎo)體的可靠性方面提出了重大挑戰(zhàn)。

7 月，意法半導(dǎo)體宣布已在其位于瑞典諾爾雪平的工廠制造了第一批 8 英寸 SiC 體晶片，用于下一代功率器件的原型設(shè)計(jì)。該公司聲稱，這些初始晶圓具有“高質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)量的影響和晶體位錯(cuò)缺陷最小”。

ST 目前在其位于卡塔尼亞（意大利）和宏茂橋（新加坡）的工廠的兩條 6 英寸晶圓線上生產(chǎn) STPOWER SiC MOSFET，并在其位于深圳（中國(guó)）和 Bouskoura（摩洛哥）的后端工廠進(jìn)行組裝和測(cè)試. “現(xiàn)有的處理 6 英寸晶圓的設(shè)備也可以處理 8 英寸晶圓，”Di Giovanni 說(shuō)。“切換到 8 英寸會(huì)很順利，并不意味著要購(gòu)買全新的設(shè)備。”

同樣，Scalia 表示，Onsemi 目前生產(chǎn) 6 英寸晶圓，因?yàn)椤斑@是市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)”。然而，該公司于 2021 年 11 月收購(gòu)了 GT Advanced Technologies (GTAT)，旨在投資擴(kuò)大 GTAT 的制造設(shè)施，支持研發(fā)工作以推進(jìn) 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶體生長(zhǎng)技術(shù)。“GTAT 正在研究 8 英寸，我們已經(jīng)在測(cè)試材料，”他說(shuō)。“這不是一次輕松的步行，但這是一次必要的步行。我們都需要 8 英寸。”

GaN晶圓生產(chǎn)也正在轉(zhuǎn)向8英寸。

“GaN [晶圓] 目前采用 6 英寸，但我們計(jì)劃將 [它們] 轉(zhuǎn)換為 8 英寸，我們相信產(chǎn)量的增加和我們的 8 英寸過(guò)渡將與我們?cè)谑袌?chǎng)上看到的時(shí)間表兼容， ”喬杜里說(shuō)。

另一方面，英飛凌和松下最近宣布，他們正在開(kāi)發(fā)第二代 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓，將于 2023 年推出。

同樣，總部位于中國(guó)蘇州的 Innoscience 有兩個(gè)晶圓廠專門(mén)用于制造 8 英寸 GaN-on-Si 器件，并生產(chǎn)適用于各種應(yīng)用和電壓的常關(guān)（e 模式）GaN 器件——低電壓（低至 30 V ) 和高電壓（高達(dá) 650 V）。Innoscience 表示，目前的產(chǎn)量為每月 10,000 片，但到今年年底將達(dá)到每月 14,000 片，到 2025 年將達(dá)到每月 70,000 片。

延長(zhǎng)電池續(xù)航里程

牽引逆變器將來(lái)自車輛電池的能量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成電機(jī)。它直接影響車輛的駕駛性能、續(xù)航里程和可靠性，尤其是由于其重量和尺寸。

“碳化硅在汽車電氣化中如此重要的主要原因是它在牽引逆變器中的作用，”迪喬瓦尼說(shuō)。“由于效率的大幅提高，一輛給定的汽車可以行駛更遠(yuǎn)的距離。”

Di Giovanni 補(bǔ)充說(shuō)：“設(shè)計(jì)師有可能減少對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制。冷卻系統(tǒng)是車內(nèi)最昂貴的部件之一，特定駕駛員可以駕駛汽車更長(zhǎng)距離的事實(shí)將有助于緩解基本上困擾電動(dòng)汽車潛在購(gòu)買者的所謂里程焦慮。”

Nexperia 一直與汽車工程公司 Ricardo 合作開(kāi)發(fā)基于 GaN 技術(shù)的電動(dòng)汽車牽引逆變器。Chowdhury 說(shuō)：“我們看到了在相同電池功率下擴(kuò)展續(xù)航里程的好處，或者我們可以減小相同續(xù)航里程的電池尺寸。”

解決熱管理問(wèn)題

為了利用寬帶隙半導(dǎo)體的潛力，設(shè)計(jì)人員必須估計(jì)使用這些材料所固有的挑戰(zhàn)。通過(guò)在更高的開(kāi)關(guān)頻率和功率密度下工作，可以減小無(wú)源元件（電感器和電容器）的尺寸并構(gòu)建更輕、更小的系統(tǒng)。但是，可能會(huì)出現(xiàn)熱管理問(wèn)題。

“不用說(shuō)，材料創(chuàng)新應(yīng)該與包裝創(chuàng)新齊頭并進(jìn)，而不是浪費(fèi)或抵消新材料帶來(lái)的巨大改進(jìn)，”Di Giovanni 說(shuō)。例如，意法半導(dǎo)體的 ACEPack“允許客戶使用銀燒結(jié)技術(shù)將此封裝安裝到散熱器中。不僅芯片通過(guò)銀燒結(jié)連接到封裝上，而且背面的處理方式也可以使用相同的技術(shù)安裝到散熱器上，我們知道銀燒結(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于焊接技術(shù)熱阻和長(zhǎng)期可靠性。”

意法半導(dǎo)體和法國(guó)汽車制造商雷諾還就意法半導(dǎo)體的電池驅(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力汽車電力電子系統(tǒng)的產(chǎn)品和相關(guān)封裝解決方案的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和供應(yīng)建立了合作伙伴關(guān)系。“我們正在開(kāi)發(fā)下一代 SiC 和 GaN 功率模塊和器件，以滿足他們?cè)谖磥?lái)推出電動(dòng)汽車的雄心勃勃的計(jì)劃，”Di Giovanni 說(shuō)。Chowdhury 表示，基于其在使用銅夾技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，Nexperia 開(kāi)發(fā)了 CCPAK 表面貼裝封裝來(lái)替代內(nèi)部鍵合線并最終“獲得更好的散熱效果”。由于 GaN 的高熱性能，“關(guān)鍵是要獲得高密度功率耗散以及 PIN FIN 技術(shù)等冷卻系統(tǒng)。”