特斯拉聲稱(chēng)下一代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將要削減75%的碳化硅用量，此言一出，除英飛凌外的碳化硅廠商股票紛紛大跌，只有英飛凌基本持平。Wolfspeed、ST、OnSemi、ROHM跌幅都不低，但尾盤(pán)跌幅均收窄了很多。

特斯拉是全球首家使用SiC MOSFET的廠家，一共使用了24對(duì)即48顆意法半導(dǎo)體的GK 026 SiCMOSFET，雖然不是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但根據(jù)特斯拉的功率參數(shù)很容易推斷出這些SiC MOSFET是600-650V，90-100A，生產(chǎn)工廠位于意大利的卡塔尼亞(Catania)。意法半導(dǎo)體一直是特斯拉獨(dú)家供應(yīng)商。GK026的封裝據(jù)說(shuō)是意法半導(dǎo)體特別委托荷蘭一家名為Advanced Packaging Center設(shè)計(jì)的，類(lèi)似于三菱電機(jī)J系列TPM模塊，也就是塑封銅絲帶綁定(Plastic molding and Cu ribbon-bonding)，意法半導(dǎo)體稱(chēng)之為STPAK。特斯拉為其再加了針翅散熱。

時(shí)至今日，特斯拉已經(jīng)明顯落后了，特斯拉采購(gòu)的是意法半導(dǎo)體第二代SiCMOSFET，如今意法半導(dǎo)體已經(jīng)升級(jí)到了第三代，主打產(chǎn)品ADP280120W3、ADP360120W3、ADP480120W3都是1200V產(chǎn)品，也就是說(shuō)這些產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的是800V平臺(tái)。眾所周知，800V平臺(tái)才能發(fā)揮SiC的全部潛力。環(huán)顧整個(gè)SiC MOSFET行業(yè)，基本上都是針對(duì)1200V設(shè)計(jì)的，特別是汽車(chē)領(lǐng)域，只有意法半導(dǎo)體有650V或900V產(chǎn)品。馬斯克說(shuō)過(guò)特斯拉Model 3/Y不會(huì)上800V，因?yàn)樘厮估?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/充電樁/" target="_blank">充電樁包括快充最高是480V，而800V平臺(tái)對(duì)特斯拉沒(méi)有價(jià)值。同時(shí)800V對(duì)整體系統(tǒng)要做徹底革新，是一大筆研發(fā)支出。不過(guò)特斯拉的皮卡和卡車(chē)則是直接上了1000V平臺(tái)。

特斯拉要想削減75%的SiC用量，不使用1200V產(chǎn)品是很難的，但也不是不可能。特斯拉還有一個(gè)獨(dú)特之處是不用模塊，從早期的IGBT到今天的SiC，特斯拉都是單管，單管成本低，靈活度高，可靠性略低于模塊。

模塊成本高一方面是管子需要高度一致性配對(duì)，同時(shí)散熱部分通常要使用AMB（即活性金屬釬焊）基板?；钚越饘兮F焊是一種釬焊方法，能夠融合金屬與陶瓷，而不會(huì)出現(xiàn)金屬化。AMB是汽車(chē)應(yīng)用、風(fēng)機(jī)、牽引應(yīng)用和高壓直流輸電應(yīng)用的首選基板，此類(lèi)應(yīng)用需要材料具備高可靠性、出色的散熱和局部放電性能。Si3N4的高熱導(dǎo)率(90W/mK)，再加上厚實(shí)銅層的高熱容量和高散熱性（高達(dá) 800 μm），成為大功率電子應(yīng)用中不可替代的材料，由Rogers壟斷。此外，IGBT用的陶瓷基板也大多來(lái)自Rogers，還有車(chē)載毫米波雷達(dá)的PCB天線板也主要由Rogers供應(yīng)。

特斯拉之所以用單管，一方面是因?yàn)槌杀?；另一方面，特斯拉特別擅長(zhǎng)散熱，從座艙的水冷到SiC MOSFET的銅帶都是典型代表，特斯拉也有信心靠高超的散熱技術(shù)提高可靠性。英飛凌、ROHM和安森美都是主打模塊產(chǎn)品的，只有意法半導(dǎo)體是主打單管，這也是特斯拉青睞意法半導(dǎo)體的原因，單管讓特斯拉有發(fā)揮自己專(zhuān)長(zhǎng)的地方。

意法半導(dǎo)體SiC MOSFET的路線圖

圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體

顯然特斯拉用的是意法半導(dǎo)體2018年的第二代SiC MOSFET產(chǎn)品，第四代產(chǎn)品目前還沒(méi)有推出。溝槽型是發(fā)展方向，但意法半導(dǎo)體要到2025年才開(kāi)始推出。

圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體

自2010年Cree和ROHM推出SiC MOSFET以來(lái)，平面柵結(jié)構(gòu)一直被使用，但平面柵結(jié)構(gòu)限制了Cell間距的減小速率，預(yù)計(jì)在更高代次的產(chǎn)品中溝槽柵結(jié)構(gòu)將取代平面柵結(jié)構(gòu)。功率晶體管由很多個(gè)Cell組成，這些Cell以間距大小Cell Pitch為特征。技術(shù)擴(kuò)展旨在減少晶體管Cell間距。

RONxA表示芯片每平方毫米的導(dǎo)通電阻，通常用mΩ x mm2單位表示。對(duì)于垂直晶體管，RONxA取決于晶體管布局、垂直結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)摻雜分布設(shè)計(jì)。RONxA越小，芯片尺寸越小,同時(shí)降低了成本/價(jià)格、晶體管電容、動(dòng)態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間。

與高級(jí)邏輯CMOS一樣，功率晶體管技術(shù)的發(fā)展是由降低成本和提高性能的需求推動(dòng)的。這些目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)新的晶體管結(jié)構(gòu)和縮小尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于恒定的Ron值，芯片面積每三年比上一代減小0.7倍。自2016年以來(lái)，領(lǐng)先制造商已推出商用溝槽柵SiC MOSFET，更小的元胞尺寸給這些器件的可靠性與魯棒性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

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如果特斯拉使用意法半導(dǎo)體的SCTHS300N75G3AG，可以勉強(qiáng)做到將SiC MOSFET數(shù)量減少到12個(gè)，750*300*12=270kW，上一代是650*48*90=280kW，僅僅小了10kW。如果是芯片面積減少75%，那么表現(xiàn)在降本上不會(huì)太明顯，因?yàn)槊娣e減少意味著要更多地考慮散熱和其他可靠性，這些也會(huì)增加成本，畢竟基板成本在總成本里比例不超過(guò)45%。芯片面積減少75%，對(duì)特斯拉來(lái)說(shuō)成本可能只減少10%，特斯拉投資日里提到的最有可能還是數(shù)量。

圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體

意法半導(dǎo)體也在推模塊產(chǎn)品，特斯拉在下一代產(chǎn)品估計(jì)也得用模塊和1200V，特別是高功率車(chē)型。特斯拉不可能一人挑戰(zhàn)整個(gè)SiC MOSFET行業(yè)，并且大多數(shù)車(chē)企都用1200V時(shí)，特斯拉也無(wú)法獨(dú)善其身。

雖然業(yè)內(nèi)一致認(rèn)為溝槽型是發(fā)展方向，但是目前溝槽型在牽引電機(jī)領(lǐng)域不如平面型。

圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體

平面型：特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高。但是，這種結(jié)構(gòu)的中間，N區(qū)夾在兩個(gè)P區(qū)域之間，當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻；同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的寄生電容也較大。

溝槽型：是將柵極埋入基體中形成垂直溝道，盡管其工藝復(fù)雜，單元一致性比平面結(jié)構(gòu)差。但是，溝槽結(jié)構(gòu)可以增加單元密度，沒(méi)有JFET效應(yīng)，寄生電容更小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗非常低；而且，通過(guò)選取合適溝道晶面以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的溝道遷移率，顯著降低導(dǎo)通電阻。

溝槽MOSFET較低的比導(dǎo)通電阻(Ronsp，電阻x面積)背后有多種原因：

?? ?首先，在SiC溝槽側(cè)壁上制造的柵極具有更高的溝道遷移率，這意味著與平面器件相比，電子通過(guò)溝槽柵極的阻礙更少，這降低了通道電阻。 ?? ?其次，溝槽MOSFET可能會(huì)消除平面MOSFET的JFET電阻，在該區(qū)域中，來(lái)自?xún)蓚€(gè)通道的電流被擠壓到p體接觸之間的狹窄通道中。然而，正如下文將看到的，實(shí)用、務(wù)實(shí)的設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致重新引入類(lèi)似JFET的區(qū)域。 ?? ?第三，與平面柵極的數(shù)量相比，垂直溝槽柵極的密度應(yīng)該更大，因此可以減小單元間距并增加電流密度。 ? 但是，溝槽MOSFET可能難以?xún)?yōu)化，以實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)健的運(yùn)行。成功的設(shè)計(jì)必須解決在SiC器件頂部的峰值電場(chǎng)（比Si大9倍）的問(wèn)題，同時(shí)保護(hù)同樣位于器件頂部的精細(xì)柵極氧化物免受同一電場(chǎng)的影響。這種平衡行為需要巧妙但復(fù)雜的器件布局。

為提高可靠性，溝槽型不得不略微降低功率，這意味著相同功率下，溝槽型需要的MOSFET數(shù)量可能更多，對(duì)特斯拉來(lái)說(shuō)成本反而可能更高。溝槽型的最佳例子是日本ROHM的第四代產(chǎn)品，額定電壓為750V（從 650 V 提升而來(lái)）和1200 V 的 MOSFET，以及 56A/24mΩ 條件下的車(chē)規(guī)級(jí)TO247 封裝組件。這一產(chǎn)品特性表明ROHM將繼續(xù)聚焦其之前取得成功的車(chē)載充電器市場(chǎng)而非牽引電機(jī)市場(chǎng)。

向溝槽型發(fā)展最困難之處在于專(zhuān)利壁壘，日本廠家?guī)缀鯇⒂嘘P(guān)溝槽SiC MOSFET的專(zhuān)利包攬，包括三菱電機(jī)、住友電氣、富士電機(jī)、東芝、瑞薩、豐田電裝都有豐富的專(zhuān)利，基本上你能想到的方法，日本企業(yè)都申請(qǐng)了專(zhuān)利。

圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體

上圖是幾大巨頭的溝槽SiC MOSFET結(jié)構(gòu)對(duì)比，日本住友還有獨(dú)特的V型結(jié)構(gòu)。

溝槽不可避免帶來(lái)一些復(fù)雜工藝，增加了制造成本，而面積的減小所帶來(lái)的成本效益并不明顯。

實(shí)際最早使用SiC MOSFET的是豐田，早在2015年豐田就開(kāi)始測(cè)試SiC MOSFET。2016年的氫燃料車(chē)使用SiC MOSFET由豐田關(guān)聯(lián)公司電裝提供，并且是垂直供應(yīng)鏈，從磊晶到芯片到模塊，不假手外部廠家，即便是今天部分專(zhuān)業(yè)SiC半導(dǎo)體公司都做不到。

圖片來(lái)源：電裝

早在2018年，電裝就量產(chǎn)了溝槽SiC MOSFET。

圖片來(lái)源：ROHM

特斯拉的實(shí)例表明，技術(shù)先進(jìn)未必能得到市場(chǎng)認(rèn)同。就像ROHM，擁有最先進(jìn)的SiC MOSFET技術(shù)，成本也不高，但其市場(chǎng)占有率遠(yuǎn)不如意法半導(dǎo)體和英飛凌，也不如安森美。反過(guò)來(lái)，市占率最高并不意味著技術(shù)最先進(jìn)。

ROHM歷代SiC MOSFET對(duì)比

圖片來(lái)源：ROHM

除特斯拉外，廠家基本上都選擇模塊，模塊進(jìn)入800V平臺(tái)是順理成章、水到渠成的事，上游的廠家逼迫你不得不上800V平臺(tái)，因?yàn)橄冗M(jìn)模塊都是1200V即對(duì)應(yīng)800V平臺(tái)的。模塊用的好，是可以在成本和效率上比特斯拉更優(yōu)秀，特斯拉已經(jīng)有歷史包袱了。

編輯：黃飛

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