碳化硅（SiC）長期以來一直被稱為功率器件的理想半導體技術，通過設計和制造創(chuàng)新，通過提供更高的功率密度，更好的高速開關性能，更高的擊穿場，更高的導熱性，更高的芯片溫度，不僅增加了其現(xiàn)有市場的份額，而且實現(xiàn)了電動汽車（EV）等新應用， 以及比硅 （Si） 更低的漏電流。

Wolfspeed于1991年率先推出商用晶圓，2001年推出二極管，2011年推出MOSFET，引領SiC行業(yè)。該公司的技術發(fā)展支持其向更大的晶圓直徑和更低的成本、更高的質量和更高的器件性能邁進。該公司擁有超過 35 年的 SiC 開發(fā)經(jīng)驗和超過 7 萬億個器件現(xiàn)場小時。

這種廣泛認可的成功從最近被通用汽車（GM）選為其戰(zhàn)略SiC功率器件供應商[1]中可見一斑。通用汽車正在參與沃爾夫速度供應保證計劃（WS AoSP），該計劃適用于電動汽車生產(chǎn)中的國產(chǎn)、可持續(xù)和可擴展材料。

毫不奇怪，最近同樣的成功導致了電動汽車、太陽能和數(shù)據(jù)中心應用的碳化硅需求的快速增長。

圖1：到2030年的EV/HEV市場展望。資料來源：Power SiC Materials， Devices and Applications， Yole Devéloppement。

Yole Devéloppement預測，電動汽車市場是SiC的最大機遇，到5年價值超過2027億美元，而充電基礎設施市場到90年將繼續(xù)以2025%的復合年增長率增長。Yole預計，隨著像Wolfspeed這樣的公司克服所有挑戰(zhàn)，包括與供應、成本和性能相關的挑戰(zhàn)，SiC將長期獲得市場份額（圖1）。

解決供應和成本挑戰(zhàn)

根據(jù)Yole的估計，Wolfspeed在60-2018年占據(jù)了近2019%的N型SiC襯底市場，由于市場對SiC的信心不斷增強，Wolfspeed自然是解決供應挑戰(zhàn)的供應商。該公司正在投資1億美元用于一個新的200毫米晶圓能力的莫霍克谷晶圓廠（MVF）[2]，并將其現(xiàn)有設施轉變?yōu)椴牧洗笮凸S。

雖然競爭對手仍在使用 150 毫米晶圓廠，但 Wolfspeed 正在利用垂直整合和內部“學習周期”來滿足來自新的汽車級自動化設施的 200 毫米晶圓的需求和成本。

MVF結構已經(jīng)完成，第一批200毫米晶圓已經(jīng)展示，晶圓廠正在接受批量生產(chǎn)的資格。

提高性能賭注

有助于滿足電動汽車要求的關鍵性能參數(shù)包括 SiC MOSFET 漏源導通電阻、RDS（ON） 和額定結溫 Tj，前者負責傳導損耗和熱浪費，后者負責器件可靠性和耐熱能力。

Wolfspeed 不斷創(chuàng)新，通過新一代 3+ 750 V 裸片 MOSFET（圖 3）解決這些問題，該器件已贏得多項合同。該器件采用 5mm x 5mm 布局和 180mm 厚度，具有低內部柵極電阻 Rg，可優(yōu)化電流上升時間和開關損耗。重要的是，新器件具有低導通電阻（RDS（ON））和高最大結溫（TJ）。

與 Wolfspeed 的 650 V、15 mΩ MOSFET 芯片（額定溫度為 175°C）相比，Gen 3+ 產(chǎn)品每單位面積和總面積的 RDS（ON） 有所改進，達到 10 mΩ。750 V 額定電壓提高了 FIT 速率，MOSFET 還將 Tj 額定值提升至 175°C 以上（顯示為 200°C 數(shù)據(jù)），以便在車輛任務曲線期間實現(xiàn)峰值狀態(tài)操作。溫度穩(wěn)定的 RDS（ON） 提高了整體效率和系統(tǒng)溫度限制（圖 4）。

Gen 3+ 技術為柵極閾值電壓 Vth 提供了類似的穩(wěn)定性，為設計人員提供了足夠的裕量來主動切換，同時避免雜散導通（圖 5）。結合高電容比，穩(wěn)定的 Vth 允許在高溫下安全運行，不會出現(xiàn)擊穿問題。

此外，Wolfspeed 在芯片兩側使用鎳/鈀/金金屬化堆疊，以實現(xiàn)雙面焊接/燒結。Wolfspeed汽車模具上使用的這種新的金屬化為更先進的封裝解決方案提供了選擇，這些解決方案可以使模具具有更好的性能和更高的封裝可靠性。這方面的示例包括將銅夾或薄膜燒結到芯片頂部，并使用銅線鍵合實現(xiàn)更高的載流和熱能力（圖 6）。

圖 6：雙面鍍鎳/鈀/金金屬堆疊雙面銅焊接/燒結，可實現(xiàn)更高的電流和熱性能。

為汽車應用提供強大的性能

符合 AEC-Q101 標準的 MOSFET 足夠堅固，可以承受短路和浪涌等故障模式，這是需要高魯棒性的汽車應用中需要考慮的重要因素。[3]

該芯片在短路條件下具有 1.2 J 的高能量能力，在 2°C 結溫下具有 >6.175 ms 的耐受時間。 這種短路耐受時間（在最壞情況下測試）為柵極驅動器技術處理故障提供了足夠的安全裕度。這些器件還經(jīng)過測試，可承受高達 340 A 的浪涌電流，或者根據(jù)應用條件，可承受 >3 倍額定電流。這種浪涌電流能力對于有源短路模式或其他高電流事件非常重要。

該芯片還能夠在有限的時間內承受高達200°C的高溫偏移事件，而不會影響器件的可靠性。在101°C下進行200小時的擴展高溫AEC-Q168測試證明了此功能。

標準條件下的開關性能測試表明，開關速度為 30 V/ns 和 4 A/ns，瞬態(tài)期間不超過額定電壓。該器件還在整個溫度范圍內表現(xiàn)出一致的開關損耗，在150°C至25°C測試的器件中，總開關損耗僅增加175 μJ。 這些器件的快速開關能力和在整個溫度范圍內的穩(wěn)定運行使系統(tǒng)中的開關損耗總體上較低。

總結

Wolfspeed 分享了其 200 mm 擴展的新細節(jié)，以及專為電動汽車動力總成應用而設計的新型汽車級 750 V 裸片 MOSFET。200 V、1 mΩ SiC MOSFET 具有高達 2°C 的穩(wěn)健工作溫度、強大的短路能量 （2.6 J） 和時間 （> 340.10 ms） 能力、高達 750 A 的浪涌電流和低 （10 mΩ） 導通損耗，能夠成功設計用于新型電池電動汽車。