碳化矽到底還能不能跟IGBT叫板了？

隨著新能源汽車的逐漸升溫，碳化矽摩拳擦掌，似乎要挑戰逆變器功率器件IGBT的霸主地位。市場方面，領頭羊CREE與大眾等數家公司籤署長期供貨協議，並於2019年宣布未來5年投資10億美元擴展襯底產線，ST收購Norstel55%的股權，英飛凌、羅姆等半導體大廠，都在積極布局碳化矽。

但是，截止到目前，也僅有Tesla Model 3和比亞迪漢等寥寥無幾的車型在主逆變器上量產使用碳化矽，碳化矽挑戰IGBT仍舊有一段路要走，僅僅是因為貴嗎？

碳化矽的機遇

都快被媒體說爛了，但是大多數人仍然搞不清楚碳化矽好在哪裡，為什麼好？

首先，要明確電動汽車的痛點——續駛裡程。

提升續駛裡程要麼增加電池裝機量，要麼降低損耗；電池成本居高不下，而且增加裝機量需要額外的空間，這時候降低損耗成為一個不錯的突破口，那麼碳化矽如何發揮？

就逆變器而言，功率器件是核心能量轉換單元，其損耗包含兩部分，導通損耗Econ和開關損耗Esw，兩個維度分別與IGBT對比：

導通損耗 Econ

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碳化矽MOS的核心參數是導通電阻Rdson，損耗功率是I²*Rdson；而IGBT的關鍵參數是Vcesat，即導通壓降，這個值隨電流的上升變化不大，其損耗功率表示為I*Vcesat。

假如我們選用的碳化矽MOS和IGBT在某個電流In的時候達到相同的導通壓降，那麼其導通損耗功率表示為下圖（近似）

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很容易看出，碳化矽在電流比較小也就是輕載的工況下導通損耗優勢是比較明顯的， 再結合輕載工況開關損耗佔比更大（碳化矽開關損耗也低），這也印證了為什麼 碳化 矽更適合城市工況 。

因此逆變器應用碳化矽MOS體現在效率Map上就是高效區面積比較大。

另外，碳化矽MOS打開時雙嚮導通，又規避了IGBT模塊在續流時，FRD的導通壓降比IGBT大的問題，進一步降低導通損耗。

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開關損耗 Esw

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第一：IGBT模塊的FRD在開關過程中存在反向恢復電流，反向恢復電流一方面會給系統帶來安全工作區、電磁兼容等負面影響，另外也額外增加了反向恢復損耗；而碳化矽MOS則從材料及結構本身的特性上決定其非常小的反向恢復電流；

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FRD較大的反向恢復電流

第二：功率器件開關損耗很大程度上是由於其開關速度決定的，IGBT本身由於開通時FRD的反向恢復過程，以及關斷時存在拖尾電流，導致其開關速度受到限制，開關損耗相對較高；而碳化矽MOS更像是一個剛性開關，極快的開關速度帶來更低的開關損耗，當然這裡硬開關給系統帶來的幹擾也是碳化矽MOS應用一個需要特別關注的問題。

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系統效益

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按照WLTC工況（更接近實際城市工況）續航能力的提升，PCIM Europe上的一篇文章，基於750V IGBT模塊及1200V碳化矽模塊仿真顯示，400V母線電壓下，由750V IGBT模塊替換為1200V碳化矽模塊，整車損耗降低6.9%；如果電壓提升至800V，整車損耗將進一步降低7.6%。

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HPDrive封裝a)750V IGBT模塊 b)1200VCoolSiCTM

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除效率優勢外：

·相同電壓、電流等級情況下，碳化矽MOS晶片面積比IGBT晶片要小，設計出的功率模塊功率密度更大，更小巧；

·碳化矽晶片耐更高的溫度，理論上遠超175℃；

·高頻電源設計能夠縮小系統儲能器件的體積，例如大電感及大容量電容等。

碳化矽有那麼多優勢，在試圖攻陷IGBT市場的道路上，面臨哪些挑戰呢？

碳化矽的挑戰

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價格

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行業內的人都很清楚，由於碳化矽襯底本身生產效率低，目前國際主流仍是4英寸和6英寸晶圓，從原材料面積及失效率層面，成本已經比矽晶片高出許多，再加上後期晶片製造及器件封裝的低成品率，導致碳化矽器件價格居高不下，目前行業預測批量化價格仍舊是矽基IGBT的3~5倍。

當然，按照半導體產業的摩爾定律，隨著新能源汽車的應用，供給端產能的布局，相信碳化矽器件的價格在未來幾年會有可觀的下降。

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產業鏈

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不少機構分析，逆變器功率器件由IGBT替換成SiC，雖然逆變器成本上升，但是整車效率提升帶來的電池裝機量下降，從電池端把成本又省回來了，例如80度電的中高端純電車型，按照5%的效率提升，可節省約4度電池裝機量，按照目前三元鋰電的成本，電池端可省四千來塊，何樂而不為？

這是個有意思的問題。

一般對整車開發來說，電池端的錢是省了，但是省下來的錢願不願意補貼給電驅Tier1就不一定了，於是就存在了Tier1碳化矽電驅價格下不來，整車廠不願意使用的尷尬局面。

於是，為什麼率先使用碳化矽的是Tesla和比亞迪，他們自身成熟的電驅、電池供應鏈體系不能不說是非常重要的因素。

還有一點，碳化矽耐高壓的特性決定其在800V系統上有天然優勢，性價比更高，目前市場上充電樁及高壓組件仍以400V電壓為主，倒是許多歐洲追求高壓快充的跑車品牌試圖率先使用碳化矽。

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技術層面

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碳化矽MOS晶片本身而言，柵極氧化層的電場的問題一直是研究熱點。

在應用層面，碳化矽晶片雖然有比導通電阻小、耐高溫的優勢，但是其封裝依然沿用矽器件的封裝，單管以To-247-3和To-247-4封裝為主，汽車上的模塊以HP Drive封裝作為過渡。

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HP Drive(左)TO-247（右）

前邊說到，碳化矽晶片面積更小，工作時開關速度更快，這就需要模塊封裝有更低的雜散參數和更高的散熱效率，而傳統的封裝模式恰恰成了限制碳化矽發揮的瓶頸：

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鋁線綁定和內部複雜的互連結構帶來比較高的寄生電感寄生電容等問題，在碳化矽的快速開關過程中帶來震蕩和幹擾，鋁線綁定的熱循環可靠性較低；

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傳統的散熱結構熱阻比較大，不能滿足碳化矽小面積高效散熱的需求；

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像HP Drive這種大模塊封裝模式，封裝過程中單個晶片失效會導致整體失效，目前來看成品率還是比較低，成本較高

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那什麼才是碳化矽應有的封裝？

碳化矽的方向

其實 Model3 做了一個不錯的榜樣，兩顆晶片並聯，採用低雜感小模塊的結構， DBC 散熱並直接通過銀燒結工藝與散熱器結合，與單管相比，雜散參數、散熱能力以及可靠性都有了不錯的提升。

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那麼方向基本確定：

1、低雜感的封裝

例如採用直接導線鍵合結構代替引線鍵合，利用焊料將導線直接焊接到晶片表面，相對於引線鍵合可有效降低雜散電感，同時提升功率循環可靠性。

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2、高散熱效率封裝

1）上邊說的直接導線鍵合技術一定程度上能夠提高散熱效率；

2）雙面水冷散熱技術或許會在未來一段時間成為碳化矽器件的主流。

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半橋雙面水冷

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單開關雙面水冷

3）單面直接水冷封裝，類似於Danfoss的Shower Power 3D技術，散熱效率也是相當可觀。

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4）高散熱材料Si3N4陶瓷及銀燒結技術的應用，可能會伴隨著碳化矽加快其應用速度。

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3、高溫封裝

晶片的正面連接通過銅線來取代鋁線，能夠有效提高模塊高溫工作的可靠性。 除此之外，銅帶、鋁帶等連接工藝具有更好的功率循環效果以及節流工藝，也成為未來解決上述問題的新方法。

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寫在最後

碳化矽的使用肯定會催生封裝技術的不斷改進，上邊列舉的是已經開始產業化應用的方向，當然還會有新封裝技術和新封裝結構出現，更多發揮碳化矽的性能；

最後的最後，碳化矽的耐高壓特性天然決定其高壓應用的優勢，隨著高壓快充和整車高壓技術的推進，相信碳化矽將會迎來真正的爆發期。