近日，由芯師爺主辦的“第五屆硬核芯生態大會暨2023汽車芯片技術創新與應用論壇”在深圳國際會展中心成功舉辦，成都蓉矽半導體有限公司（以下簡稱：蓉矽半導體）副總經理兼研發中心總經理高巍博士受邀出席，并發表了主題演講《高可靠性是國產SiC功率半導體器件車載應用的必經之路》，從碳化硅(SiC)功率器件的應用優勢與挑戰、高可靠性要求、高可靠性的實現等維度出發，剖析了國產碳化硅器件面臨的機遇和挑戰，以及破局之路。

蓉矽半導體成立于2019年，總部位于成都，是四川省首家專注碳化硅功率器件設計與開發的高新技術企業，擁有臺灣漢磊科技第一優先級產能保障，目前擁有高性價比“NovuSiC?”和高可靠性“DuraSiC?”產品系列，涵蓋碳化硅二極管EJBS?與碳化硅MOSFET；硅基FR MOS與理想硅基二極管MCR?，應用于光伏逆變器、儲能、充電樁、OBC及新能源汽車等領域。

SiC功率器件需求旺盛，進入“上車”放量窗口期

隨著國內新能源汽車、光伏、儲能等市場規模快速增長，碳化硅功率器件呈蓬勃之勢，成為目前半導體產業最熱門的賽道之一，吸引了眾多半導體大廠以及初創新銳力量紛至沓來，參與其中。

SiC功率器件火熱的背后，根由在于其材料性能。作為第三代半導體材料的代表，碳化硅材料(SiC)有著擊穿場強高、禁帶寬度大、飽和電子漂移速度大、熔點和熱導率高的優點，各項性能均優于硅和氮化鎵(GaN)，因而更適合于制作高溫、高頻及大功率器件，可以有效實現電力電子系統的高效率、小型化和輕量化。

基于上述優勢特性，SiC功率器件被廣泛應用于新能源、充電樁、軌道交通、光伏、開關電源、輸配電等領域。“可以看出來，SiC功率器件應用市場主要集中在工業和汽車領域，而不是消費領域，這就要求其必須滿足工業級以及車規級的可靠性需求。”高巍博士表示。

高巍博士演講現場圖

談到SiC功率器件在新能源汽車上的應用，高巍博士指出，“主要為兩個方向，一個用于車載充電系統（OBC），另一個用于主逆變器。”

首先是車載充電系統（OBC），SiC器件有利于OBC功率密度的提升和重量的降低。高巍博士分析了OBC 800V電池平臺系統中SiC器件的應用表現，其系統拓撲是三相全橋pfc+cllc，功率為11kW/22kW，PFC是60kHz—140kHz，在這樣的場景下，采用1200V的SiC器件，系統拓撲會更簡單，總損耗下降50%以上，磁性器件體積可降70%以上，效率提升約2%，峰值可以達到97%。

其次是在主逆變上的應用，SiC器件相比硅基IGBT優勢明顯，具有更高的功率轉換效率。高巍博士同樣以主逆變的拓撲進行說明，SiC功率模塊開關損耗相比IGBT減小75%以上，系統效率提升約3%，最高效率可達到99%以上；同時，由于SiC功率器件開關速度快，所以死區時間可減小到1μs以內，大幅提升控制性能。這樣帶來的直接好處就是行駛里程的增加，對比硅基IGBT，使用SiC器件的電動車將增加5—10%的續航里程，整車重量減小4%，電池+冷卻液成本可降低約900美金。

雖然市場產銷兩旺，但是我國碳化硅功率器件仍處于早期階段，在技術成熟度、穩定量產能力、產業鏈配套等方面與海外還存在較大差距，尤其是電動汽車主驅用碳化硅功率器件，現階段完全依賴進口。

高質量國產替代，才是本土SiC器件的出路

究其背后原因，高巍博士分析到，“一是新能源汽車應用涉及生命財產安全，對SiC器件的可靠性、工藝等方面都有著高要求；第二點是新能源汽車對功率器件要求的壽命是15至20年，技術門檻高；第三點是對器件質量要求很高，器件ppm級的低失效率保障；第四點，則是和公司的可靠性要求有關，高質量、長時間、穩定供給的器件設計公司，是獲得車廠信任的保證。”

圖源：截自蓉矽半導體演講PPT

而針對車載應用的高可靠性要求，SiC功率器件目前面臨著一系列挑戰：一是良率保證和設計工藝保證，這是基礎；第二點是所有器件必須滿足AEC-Q101基本保障；第三點是器件廠商的質量管理體系保證；最后是供應鏈體系的保證，只有具備穩定的供應鏈保證，車廠才會選擇合作。

針對上述挑戰，高巍博士從蓉矽半導體出發，分享了蓉矽半導體在良率保證、設計工藝保證等角度的舉措，闡述如何解決功率器件的高可靠性問題。

第一，高良率是高可靠性的保證。“一個產品要做到高良率，離不開設計、材料、工藝這三要素。”高巍博士表示，“設計方面，蓉矽半導體從設計階段就引入了DFR的觀念，設計之初就考慮到產品的可靠性，并把可靠性觀念貫穿產品的整個生命周期；材料方面，高品質、低缺陷材料的選擇是良率的保障；工藝方面，作為設計公司，由于沒有自己的Fab，需要將所有工藝委外于Foundry，因此選擇具備成熟平臺和穩定工程管控的Foundry，是高良率的重要保證。”

圖源：截自蓉矽半導體演講PPT

第二，柵氧的高可靠性保證。高巍博士從高頻開關下的柵壓過沖問題、柵氧化層失效機理等角度進行了說明。相對于傳統硅器件，碳化硅MOSFET結構更加脆弱，其偶發失效率遠高于同規格的硅基MOSFET，而柵氧是導致碳化硅失效一個特別重要也特別常見的失效現象，主要失效類型包括低勢壘導致的隧穿加劇、陷阱造成的TAT的加劇以及工藝制程中帶來的外部缺陷。

因此，SiC MOSFET的柵氧可靠性問題成為了制約其快速發展的因素之一，器件柵氧介質可靠性提升也是碳化硅功率MOSFET器件實現新能源汽車應用面臨的重要瓶頸。

認真做好每一顆產品，用高可靠性產品服務客戶

針對柵氧化層可靠性，蓉矽半導體首先是設計環節，通過降低工作狀態下的柵氧化層電場強度來緩解因隧穿電流造成的退化，以及通過柵氧化層的低電場設計，延長器件的壽命、降低器件在使用過程中的偶發失效率。

圖源：截自蓉矽半導體演講PPT

其次是篩選環節，在常規UIS、DVDS篩選的基礎上，蓉矽半導體加入高應力的測試項目以篩出早期失效品，比如有些產品因工藝缺陷，導致柵氧有些地方厚，有的地方薄，或者雜質的摻入。

”但現實應用中，對于碳化硅來講，最大的問題不是解決早期失效的問題，而是解決偶發時效初期的問題，其真實原因，是沒有真正地在早期失效的這個位置上篩選出來。“高巍博士指出，為解決早期失效模型建立這一難題，蓉矽半導體采取了兩大策略：

• 增加柵氧化層厚度

蓉矽半導體通過增加柵極氧化層的厚度，可以提高柵極和漏結之間的絕緣電阻，從而提高擊穿電壓，因此對碳化硅而言，氧化層厚度的增加會帶來可靠性的指數級提高，但導通電阻僅呈線性增加，蓉矽半導體正通過設計手段不斷地優化氧化層的厚度和電阻，在保證電性能的同時提高柵氧可靠性。

• 晶圓級Burn-in

蓉矽半導體在晶圓測試階段引入WLTBI（Wafer-Level Test & Burn-In）系統，目的是在高溫度/電壓應力的作用下，篩除SiC MOS中早期失效和偶發失效過渡區域內存在風險的器件，以滿足車規PPM級失效率的要求。

演講最后，高巍博士總結到，在功率半導體市場，國外廠商占據了主導地位，我國功率半導體產業仍處于起步階段，還需要付出很大的努力，蓉矽半導體作為產業中一員，愿意認認真真地做每一顆產品，從正向的角度去設計每一顆產品，與國產新能源汽車領域企業緊密合作，共同面對挑戰，用高可靠性的產品服務客戶，真正實現高質量國產替代。