寬能隙元件在EV中全面普及只差臨門一腳

作者 : 路飛,EE Times China

受材料自身特性的限制,面對電動車市場即將到來的大爆發,傳統矽基功率元件已經逐漸不能滿足需求,而寬能隙半導體具備優異特點,可以實現低導通電阻、高開關速度和優異的高溫高壓性能…

受材料自身特性的限制,面對電動車(EV)市場即將到來的大爆發,傳統矽基功率元件已經逐漸不能滿足需求;而寬能隙半導體材料(主要包括碳化矽和氮化鎵)則具有高頻、高功率、耐高溫、抗高輻射、光電性能優異等特點,故可以實現低導通電阻、高開關速度和優異的高溫高壓性能。  

矽、氮化鎵、碳化矽比較。

(製表:EE Times China)

  2018年,隨著特斯拉(Telsa)在Model 3車型的主驅逆變器中採用了意法半導體(STMicroelectronics)和英飛凌(Infineon)的碳化矽元件,示範效應被迅速放大。2020年中國比亞迪新能源車「漢」的馬達控制器中也開始應用碳化矽MOSFET模組。 如今新能源車市場已成為寬能隙功率元件的希望之源,被認為是重塑碳化矽和氮化鎵等新型功率半導體的關鍵。據多家研究機構預測,到2025年,用於電動車的碳化矽功率半導體將佔總市場的37%以上(該數字2021年僅為25%),而氮化鎵功率市場規模也將從2020年的4,800萬美元成長到13.2億美元,CAGR高達94%。 當前主流電動車功率元件比較 目前,電動車功率元件主要以矽基IGBT、MOSFET、氮化鎵,以及碳化矽MOSFET為主。這幾種技術表現各異,安森美(onsemi)汽車主驅功率模組產品線經理陸濤分析,矽基IGBT優點是製程成熟,高壓大電流下性能優異,但是開關速度不快,小電流損耗偏大;而矽基MOSFET優點是製程成熟,低壓小電流條件下導通電阻比較低,同時速度也比較快,但是高壓條件下導通電阻偏大;碳化矽MOSFET優點是高壓元件的導通電阻相比較較低,開關速度比較快,電壓範圍更寬,效率更高;氮化鎵MOSFET的效率和功率密度更高。 瑞能半導體資深碳化矽產品市場部經理鄧佳佳認為,相較於矽基元件,碳化矽和氮化鎵材料都有更快的電子遷移率,能應用於高頻工作模式;有更高的電子伏特和電場強度,能實現高耐壓低電阻性能比氮化鎵和矽材料相比,碳化矽的熱導率更高,所以碳化矽能輕鬆實現175甚至200℃結溫的元件,更適合於大電流、大功率,以及散熱條件嚴苛的應用。 「碳化矽導通電阻在高壓小電流條件下比較低,故特別適用於新能源車的逆變器應用。但在高壓大電流條件下就比較高,相對IGBT而言此時損耗會偏高,另外成本也偏高,」陸濤補充。市場上幾種材料的功率半導體元件適用場景,如圖1所示。  

圖1:各種主流功率元元件的適用分佈。

(來源:羅姆)

    儘管碳化矽材料具有比矽更好的特性,在功率元件中所佔的比重也在逐年上升,羅姆(Rohm)半導體(北京)技術中心總經理水原德健認為:「但目前來看,基於碳化矽材料的功率半導體僅適用於高頻率、高功率、高工作電壓的應用場合,」而矽作為當前應用最廣泛的半導體材料,在很多領域仍然具不可替代性。 以主要用於城市的電動車為例,採用矽基元件仍將是一個明智的選擇,因為這類車型無需太長的續航距離,馬達逆變器可以用更便宜且成熟的IGBT,其他功能可用超結高壓MOSFET。時至今日,碳化矽仍是少數高階車款才採用的技術。 但也有不同的聲音。電池組給定條件下,碳化矽MOSFET能夠延長續航里程,還能實現更高的加速度和扭矩,從而有效減輕了旅程焦慮的困擾,意法半導體市場溝通經理Gianfranco DI Marco表示:「碳化矽功率解決方案為電動車的發展做出了巨大貢獻。」 比較中庸的觀點是,Power Integrations產品行銷副總裁Doug Bailey認為,隨著碳化矽和氮化矽價格的下降,它們在系統層面上已可以與矽基元件進行成本競爭,沒有哪一種解決方案可以通用,未來多年,寬能隙與矽元件將會共存。 阻礙寬能隙功率元件普及的主要因素 雖然具有不少優點,但碳化矽或氮化鎵等寬能隙半導體功率元件尚未在電動車中大規模普及,逐步開始的所謂規模應用也局限在車載充電器(OBC)和電驅系統等部分領域,這是為何?《電子工程專輯》中國版透過採訪各大功率元件廠商,將其歸結為以下幾個主要方面: 1.製造難度高且產能不足 半導體元件製造鏈主要包括基板→磊晶→設計→製造→封裝。碳化矽是具有1X1共價鍵的矽和碳化合物,在天然環境下非常罕見,雖然透過人工合成可以製造,但受制於技術,長晶速度很慢。另外碳化矽莫氏硬度為13 (僅次於硬度分別為14和15的碳化硼和鑽石),因此後段加工也極其困難。 另外,基板製造難度也較大。基板製造佔晶圓加工總成本的50%。良率低使碳化矽晶圓的主流尺寸一直是滯留在150mm (6吋),而200mm (8吋)晶圓遲遲未能批量生產,導致產量上不去,無法滿足下游需求。 6吋與8吋碳化矽生產的主要差別在高溫製程上,包括高溫離子注入、高溫氧化、高溫啟動等,還有就是這些高溫製程所需的硬光罩(hard mask)等。擴徑到8英吋後,基板生長難度會成倍增加;還有就是基板切割加工問題;基板尺寸越大,相應的切割應力、翹曲問題越顯著。 資料顯示,依6吋計,目前全球碳化矽晶圓年產能約在40~60萬片。就特斯拉Model 3而言,不但主逆變器上的24個電源模組上需要用碳化矽,OBC、慢充充電器、快充充電樁等地方也都要用。折算下來,相當於每輛車就消耗掉半片晶圓。而該公司2022年度的交車計畫為100萬輛,如此一來,僅特斯拉一家就將全球碳化矽晶圓消耗殆盡。 2.業界存在高成本誤解 人們通常都認為第三代功率元件的成本高,表面上看,這的確是事實。就單顆元件而言,碳化矽價格相對於矽確實要高,但如果系統地看,就會發現有誤解。「市場應用已證明,使用碳化矽元件能提升整機系統性能。如果從整機系統角度去評估成本,800V電池的主驅系統採用碳化矽元件後,反而性價比更高,」鄧佳佳認為。 對於上述觀點,水原德健也頗為支持。相同輸出功率的碳化矽成本雖高,但升級為碳化矽後,逆變器的效率可提升幾個百分點,從而可減少電池的容量消耗,就電動車成本而言,電池的佔比可是最高。 資料顯示,在新能源車中,就採用碳化矽MOSFET的90~350kW驅動逆變器而言,增加的成本為75~150美元,但能給乘用車的前機艙讓出更多空間,並降低整車重量。這就意味著車輛能耗降低,為電池、空間、冷卻系統節省的成本高達525~850美元,可見系統性成本反而是顯著下降。「雖然逆變器的成本略有增加,但透過採用減少電池容量的聯合技術,也能夠整體上實現低成本化,這對電池容量越大的車輛越有效,」水原德健補充。 3.穩定性和可靠性尚待驗證 隨著碳化矽元件使用範圍的不斷擴大,汽車業者開始關心第三個問題,即寬能隙功率元件的穩定性和可靠性。 無論碳化矽還是氮化鎵,目前都還是沿用矽IGBT的元件標準和封裝技術。雖然目前進展令人滿意,但在主逆變器中應用尚不成熟,現階段量產上車的只有特斯拉、比亞迪和現代(Hyundai)。就算是第一個搭載800V平台的高壓車型保時捷(Porsche) Taycan,也出於對整車可靠性的考慮,最終未採用碳化矽技術。 為提升可靠性和穩定性,各半導體廠商都開始對各類寬能隙功率元件進行製程創新和升級。同時,也出現了一些提升可靠性的其他創新。不過,碳化矽開關速度較快,鑒於應用還偏少,衍生問題可能尚未完全暴露出來。鄧佳佳認為:「只有越來越多的整車企業推廣使用,才能帶動半導體公司投入進一步的研究。透過經驗和標準的雙重加持,穩定性和可靠性才會更有保證。」 氮化鎵能上車了嗎? 同樣作為寬能隙半導體的氮化鎵,非常適合電動車中的AC-DC OBC和HV-LV DC-DC轉換器,但目前有效耐壓通常只能做到650V,熱導率也遠低於碳化矽,所以距離大規模應用還有一段距離。但當前已有不少原廠和車企開始嘗試在電動車中導入氮化鎵元件,例如羅姆,這是因為他們看中了氮化鎵的一個明顯特性——高工作頻率(相對碳化矽會有較大提升)。在汽車電源等要求體積小、效率高的應用場景中會有較大優勢。 那麼碳化矽和氮化鎵在新能源車中,未來究竟是互補,還是競爭?鄧佳佳從應用領域分析,當前新能源車上功率元件的主要應用領域包括主驅、OBC、高壓轉低壓DC轉換器,還有與之配套的充電樁四大部分。其中主驅部分對功率元件的綜合性能要求最高——需要高效率、大功率,提升續航里程、機械動力;需要小型化,留給電池和其他系統足夠空間;需要高可靠性,減少產品召回概率;需要優秀的高溫元件,降低對系統散熱條件的要求。 綜合來看,電動車電池系統電壓從400V過渡到800V都是不可逆的趨勢,而氮化鎵的最大耐受電壓一般不超過650V。原因是在矽或藍寶石基板上生長的主要是橫向氮化鎵HEMT,仍然易受到表面擊穿的影響。雖然高壓氮化鎵元件的商業化開發也正在進行中,但對於高功率應用,橫向結構的晶片尺寸必然增加,或者氮化鎵必須採用類似碳化矽和矽IGBT的垂直結構,也即需要採用同質氮化鎵基板,目前這種結構的尺寸尚受限制,且成本較高。  

圖2:碳化矽和氮化鎵適用電壓分佈。

(來源:MDPI)

  由圖2不難發現,氮化鎵與碳化矽在潛在應用上可能有重疊、形成競爭的領域只有幾千瓦功率等級的OBC,以及高壓轉低壓DC轉換器兩部分。在OBC和DC-DC轉換器中,車規級氮化鎵功率元件可能會取代具有相同電壓參數的碳化矽元件,因為氮化鎵元件可以提高這些應用的開關頻率,從而提升電子系統的能效,並減小體積。 精巧的電子控制電路只需要幾伏特電壓即可,所以氮化鎵的高頻特性將促使其在低耐壓領域有所作為,作為碳化矽功率元件的補充,或許是氮化鎵上車的機會。Bailey認為,相對於碳化矽的高壓優勢,氮化鎵則在中等電壓(例如400V電池系統)上具有競爭力。, 此外,德州儀器(TI)、GaN Systems、安世半導體(Nexperia)等廠商也陸續推出了氮化鎵產品,並與車廠展開深入合作,預計近兩年氮化鎵將小批量滲透到低功率OBC、48V~12V DC-DC中。目前已經看到在輕油電混合動力車(MHEV)中有48V系統標準化趨勢,氮化鎵有助於增加輸電能力並減少電阻損耗。除了動力系統應用以外,氮化鎵還將在光達(LiDAR)、車載資訊娛樂系統中有所表現。 Marco則認為,氮化鎵相關技術尚未完全符合汽車標準,所以在競爭力方面還不足以與主流材料相提並論。但當氮化鎵技術達到汽車標準時,未來幾年將會出現氮化鎵、碳化矽與矽基功率元件三足鼎立的局面。 寬能隙半導體採何種製造模式最佳? 以意法半導體和羅姆為代表的IDM廠商普遍認為,IDM最適合碳化矽和氮化鎵等功率技術產品,因為可以向上游延伸,涉足材料領域。Marco表示:「IDM模式可以全盤掌控供應鏈,在企業內部能夠生產一定比例的基板。到2024年,公司40%的基板需求由內部滿足,其餘則從幾家供應商處採購。」他認為,這種模式可以提高供貨的可靠性和安全性,進一步保證供貨安全。 以6吋碳化矽晶圓為例,基板的價值約佔一半,對供應鏈、技術、專利壁壘的要求很高。僅依靠外部廠商供應碳化矽基板,可能會使企業面臨不可預測的風險。所以意法半導體除了內部自主生產基板計畫和在義大利卡塔尼亞建立主廠之外,還在新加坡開建了第二個碳化矽晶圓廠。「在深圳和摩洛哥的布斯庫拉(Bouskoura)設立封測廠也是這個道理,都是加強供應鏈韌性,以確保供貨的可靠性和穩定性,」Marco認為。 羅姆則利用IDM的優勢,致力於碳化矽晶圓的大口徑化來降低成本,在今年3月提出「8吋新一代SiC MOSFET的開發」方案,旨在透過增加晶圓面積來提升產能,另外,羅姆還在日本福岡縣築後工廠投建了新的製造廠房。「自2009年收購了德國碳化矽晶圓廠商SiCrystal以來,羅姆構築了從碳化矽基板、磊晶晶圓到封裝的『一條龍』生產體制,這有利於提升生產效率,」水原德健表示。 截至目前,全球僅有7家企業能夠生產8吋碳化矽基板,包括英飛凌、Wolfspeed、羅姆、意法半導體、II-VI、Soitec,以及中國爍科晶體。前不久,Wolfspeed宣佈其位於美國紐約州Mohawk Valley的碳化矽晶圓製造工廠正式開業,據稱這是全球最大的8吋碳化矽晶圓廠。 瑞能半導體和安森美認為,IDM和無晶圓廠+晶圓代工的模式各有優勢。各家可以根據公司生產能力、生意規模、產出時間、投資偏好等因素,尋求不同的生產模式。 瑞能採用的是「虛擬IDM模式」。這種模式以製造為基點,IC設計公司與製造、封測廠深度合作,依靠產業鏈各環節的快速回應來提升產業推進效率。隨著台積電(TSMC)、聯電(UMC)等在該領域的積極佈局,這種模式也受不少業內人士看好。 不過,無論是IDM還是無晶圓廠+晶圓代工,都屬於上游廠商之間的遊戲,對於雨後春筍般的新能源車廠來說,更看重的則是如何實現其品牌差異化。於是,已演進出被多位受訪人認可的第三種製造模式,即與車廠直接合作的客製化模式,這種模式示例如下:
  • 比亞迪自建產線:該公司於前年自建碳化矽產線,技術如今已演進至第三代,預計明年其旗下電動車將全面替代矽IGBT,改搭碳化矽電控;
  • 蘇州億馬半導體與一汽集團合作:兩家公司去年建立了碳化矽功率模組生產研發和寬能隙技術實驗室;
  • 正海集團與羅姆合作:去年10月成立上海海姆希科半導體,主要以碳化矽為核心的功率模組業務;並對正海旗下的逆變器和模組開發技術與羅姆的模組生產技術及先進碳化矽技術進行融合;
  • 北京車和家汽車科技與湖南三安半導體合作:前不久宣佈成立合資企業,從事新能源乘用車驅動馬達控制器碳化矽晶片的研發;而三安半導體2021年投資人民幣160億元的生產基地一期專案也已正式投產,據稱這是中國首條、全球第三條碳化矽垂直整合生產線。
相較於矽基功率元件,目前寬能隙半導體的市場比重仍然很小,要全面普及,尚需應對當前產業鏈存在的一些問題。技術方面,要在基板和元件方面同時發力,而提高性能的同時,尚需繼續降低成本;供應鏈方面則需要保證穩定輸出,並與新能源車廠最佳化協同合作…等。所有這些,都可能是寬能隙半導體普及所需面臨的挑戰。 本文同步刊登於EE Times China 7月號雜誌          

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