碳化硅在车载领域的应用及制造过程

比较硅基功率半导体，碳化硅功率半导体在开关频率、损耗、散热、小型化等方面存在上风，随着特斯拉大规模量产碳化硅逆变器之后，更多的企业也开始落地碳化硅产品。
本文紧张先容碳化硅产品的运用方向和生产过程。

运用方向

车载领域，功率器件紧张用在DCDC、OBC、电机逆变器、电动空调逆变器、无线充电等须要AC/DC快速转换的部件中（DCDC中紧张充当快速开关）。

图源：博格华纳

比较硅基材料，碳化硅材料拥有更高的临界雪崩击穿场强（3106V/cm）、更好的导热性能（49W/mK）和更宽的禁带（3.26eV）。
禁带越宽，泄电流也就越小，效率也越高。
导热性能越好，则电流密度就越高。
临界雪崩击穿场越强，则可以提升器件的耐压性能。

因此在车载高压领域，由碳化硅材料制备的MOSFET和SBD来替代现有的硅基IGBT和FRD的组合能有效提升功率和效率，尤其是在高频运用处景中降落开关损耗。
目前最有可能在电机逆变器中实现大规模运用，其次为OBC和DCDC。

在800V电压平台中，高频的上风使得企业更方向选择碳化硅MOSFET方案。
因此目前800V电控大部分方案碳化硅MOSFET。

平台级别的方案有当代E-GMP、通用奥特能（Ultium）-皮卡领域、保时捷PPE、路特斯EPA，除保时捷PPE平台车型未明确搭载碳化硅MOSFET外（首款车型为硅基IGBT），其他车企平台均采取碳化硅MOSFET方案。

800V车型方案的话就更多了，长城沙龙品牌机甲龙、北汽极狐S HI版、空想汽车S01和W01、小鹏G9、宝马NK1、长安阿维塔E11均表示将搭载800V平台，此外比亚迪、岚图、广汽埃安、奔驰、零跑、一汽红旗、大众等也表示800V技能在研。

从Tier1供应商800V订单获取的情形来看，博格华纳、纬湃科技、ZF、联合电子、汇川均宣告得到800V电驱动订单。

而在400V电压平台中，碳化硅MOSFET则紧张处于高功率以及功率密度和高效率的考量。
如现在已经量产的特斯拉Model 3\Y后电机，比亚迪汉后电机峰值功率200Kw旁边（特斯拉202Kw、194Kw、220Kw，比亚迪180Kw），蔚来从ET7开始以及后续上市的ET5也将采取碳化硅MOSFET产品，峰值功率为240Kw（ET5为210Kw）。
此外，从高效率角度来考虑部分企业也在探索辅驱用碳化硅MOSFET产品的可行性。

除电控产品外，部分企业在OBC和DCDC产品中也逐步采取碳化硅MOSFET产品，如欣锐科技已经在小三电（OBC产品）中采取该方案。

综合来看，仅电控产品来看碳化硅MOSFET在800V平台的运用确定性要强于400V平台，而对付小三电产品中，当下最大的制约成分为材料本钱，短期替代性不强。

碳化硅的生产过程

和其他功率半导体一样，碳化硅MOSFET家当链包括长晶-衬底-外延-设计-制造-封装环节。

1、长晶

长晶环节中，和单晶硅利用的提拉法工艺制备不同，碳化硅紧张采取物理气相输运法（PVT，也称为改良的Lely法或籽晶升华法），高温化学气相沉积法（HTCVD）作为补充。
核心步骤大致分为：

碳化硅固体质料；加热后碳化硅固体变成气体；气体移动到籽晶表面；气体在籽晶表面成长为晶体。

来源：《拆解PVT成长碳化硅的技能点》

工艺的不同导致碳化硅长晶环节比较硅基而言紧张有两大劣势。

生产难度大，良率较低。
碳化硅气相成长的温度在2300℃以上，压力350MPa，全程暗箱进行，易混入杂质，良率低于硅基，直径越大，良率越低。
成长速率慢。
PVT法成长非常缓慢，速率约为0.3-0.5mm/h，7天才能成长2cm，并且最高也仅能成长3-5cm，晶锭的直径也多为4英寸、6英寸，而硅基72h即可成长至2-3m的高度，直径多为6英寸、8英寸新投产能则多为12英寸。
因此碳化硅的常称之为晶锭，硅则成为晶棒。

碳化硅晶锭

2、衬底

长晶完成后，就进入衬底生产环节。
经由定向切割、研磨（粗研磨、精研磨）、抛光（机器抛光）、超精密抛光（化学机器抛光），得到碳化硅衬底。
衬底紧张起到物理支撑、导热和导电的浸染。
加工的难点在于碳化硅材料硬度高、脆性大、化学性子稳定，因此传统硅基加工的办法不适用于碳化硅衬底。

切割效果的好坏直接影响碳化硅产品的性能和利用效率（本钱），因此哀求翘曲度小、厚度均匀、低切损。
目前4英寸、6英寸紧张采取多线切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。

多线切割示意图

未来随着碳化硅晶圆尺寸的加大，对材料利用率哀求的提升，激光切片、冷分离等技能也将逐步得到运用。

英飞凌曾在2018年收购Siltectra GmbH，后者开拓了一种成为冷裂的创新工艺。
比较传统的多线切割工艺丢失1/4，冷裂工艺只丢失1/8的碳化硅材料。

3、外延

由于碳化硅材料不能直接在衬底上制作功率器件，需额外在外延层上制造各种器件。
因此衬底制作完成后，经由外延工艺在衬底上成长出特定的单晶薄膜，衬底晶片和外延薄膜合称外延片。
目前紧张采取化学气相沉积法（CVD）工艺制作。

4、设计

衬底制作完成后，则进入产品设计阶段。
对付MOSFET而言，设计环节的重点是沟槽的设计，一方面要避免专利侵权（英飞凌、罗姆、意法半导体等均有专利布局），其余则是知足可制造性和制造本钱。

5、晶圆制造

产品设计完成后便进入晶圆制造阶段，工艺大体与硅基类似，紧张有

图形化氧化膜，制作一层氧化硅（SiO2）薄膜，涂布光刻胶，经由匀胶、曝光、显影等步骤形成光刻胶图形，末了通过刻蚀工艺将图形转移到氧化膜上。

离子注入，将做好掩膜的碳化硅晶圆放入离子注入机，注入铝（Al）离子以形成p型掺杂区，并退火以激活注入的铝离子。
移除氧化膜，在p型掺杂区的特定区域注入氮（N）离子以形成漏极和源极的n型导电区，退火以激活注入的氮离子。

制作栅极。
在源极与漏极之间区域，采取高温氧化工艺制作栅极氧化层，并沉积栅电极层，形成栅极（Gate）掌握构造。

制作钝化层。
沉积一层绝缘特性良好的钝化层，防止电极间击穿。

制作漏极和源极。
在钝化层上开孔，并溅射金属形成漏极和源极。

摘抄自：信熹成本

虽然工艺层面与硅基差别不大，但由于碳化硅材料的特性，离子注入和退火均需在高温环境下进行（最高1600℃），高温会影响材料本身的晶格构造，难度上升的同时也会影响良率。
此外，对付MOSFET部件而言，栅氧的质量直接影响沟道的迁移率和栅极可靠性，由于碳化硅材料中同时存在有硅和碳两种原子，因此须要分外的栅介质成长方法。
（还有一点便是碳化硅片是透明的，光刻阶段位置对准也难于硅基）

晶圆制造完成后，将单个芯片切割成裸芯片后，即可根据用场进行封装。

分立器件常见的工艺为TO封装。

采取TO-247封装的650V CoolSiC™ MOSFET （资料来源：英飞凌）

车载领域由于功率和散热哀求高，并且有时须要直接搭建桥式电路（半桥或者全桥，或直接和二极管一同封装），因此常直接封装成模块或者系统。
根据单个模块封装的芯片数量，常见的形式有1 in 1（博格华纳）、6 in 1（英飞凌）等，部分企业采取单管并联的方案。

博格华纳Viper，支持双面水冷，支持碳化硅MOSFET

英飞凌CoolSiC™ MOSFET模块

和硅基不同，碳化硅模块事情温度较高，大约在200℃旁边。
传统的软钎焊料温度熔点温度较低，无法知足温度哀求。
以是碳化硅模块常采取低温银烧结焊接工艺。

模块制作完成后便可运用至零部件系统中。

特斯拉Model3电机掌握器，裸芯片来自ST，自研封装和电驱动系统

来源：电力电子技能与新能源