如何增强 SiC 功率器件的性能与可靠性?垂直整合是关键!

时间:2024-05-28来源:安森美

电动汽车 (EV) 市场的快速增长推动了对下一代功率半导体的需求,尤其是对碳化硅 (SiC) 半导体的需求尤为强劲。事实上,至少在本世纪下半叶之前,SiC功率器件可能会供不应求。而随着 SiC 衬底应用于 SiC 功率器件,衬底质量和制造技术方面取得了哪些进步,以提高器件性能、减少缺陷并增强可靠性?为了优化未来 SiC 功率器件的衬底特性,还需要哪些改进和发展?

SiC的可靠性挑战

SiC 是硅和碳的化合物,与硅相比有许多优点。SiC 芯片可以在更高温度下运行,并能有效处理更高电压,从而增强电动汽车的功率密度和热管理性能,因此可以加快充电速度、延长行驶里程,并改善整体性能。

在汽车这种高可靠性应用中,SiC的器件缺陷会造成极大的安全隐患,因此,对SiC器件的可靠性与缺陷的研究非常重要。通常来说,影响 SiC 可靠性和器件性能的缺陷通常可以按严重程度分为两种,分别是致命缺陷和非致命缺陷。考虑到应用背景和造成缺陷的原因,我们需要关注 SiC 衬底、SiC 研磨和抛光以及 SiC 外延——这是可能导致缺陷的三个方面。

业界可能已经解决了一般出现在衬底中和外延之后的许多致命缺陷。非致命缺陷是指通常不会导致严重后果,但会增加潜在风险的缺陷。安森美 (onsemi) 已开发多种基于算法的方法,以便晶圆厂在处理材料的过程中筛选出有缺陷的器件。此外,我们还进行了垂直整合,从衬底、外延和器件制造三个方面缩短反馈循环。

事实上,在业界当前主流的 6 英寸晶圆上,这些问题已经得到妥善解决。我们的挑战在于将这一解决方案拓展至 8 英寸晶圆。为此,不仅要考虑与原有尺寸晶圆相同的问题,还要考虑 8 英寸晶圆特有的翘曲和弯曲问题。

从这个角度来看,安森美致力于不断缩短反馈循环以提高器件的性能。此外,我们还重视针对特定应用开发经优化的碳化硅技术。这意味着我们要解决汽车、工业应用等不同领域的问题,而且需要有不同的技术。

垂直整合的优势是什么?

正如前文所说,垂直整合的运营模式是安森美提高产品可靠性的法宝。但是,很多供应商的制造链往往不是垂直整合的。有些供应商提供器件,但没有能力在内部制造 SiC 晶锭(而是从公开市场购买晶锭和衬底晶圆)。有些供应商内部提供 SiC 晶锭,但缺乏内部封装能力。这样一来,汽车公司最终只能得到未经优化的方案,遭遇芯片过热、电阻过高或导热性差等问题。而且前几代产品的成本也会较高,并且质量较低,通常含有寄生效应。

具有前瞻性思维的电动汽车 OEM 和一级供应商发现,优化性能、降低成本和减轻风险的更可靠方法是向垂直整合的供应商采购 SiC 功率器件。

垂直整合本质上是晶锭、芯片和封装三位一体的解决方案。真正垂直整合的供应商会围绕能力、产能和成本进行优化。所谓能力,主要体现在以下几个方面:

● 电动汽车市场的 SiC 功率器件供应商需要具备广泛的专业知识和经验,以满足这个快速发展的行业的苛刻要求。首先,他们必须对 SiC 特定的半导体材料和制造工艺有深入的了解。这包括晶体生长、外延和晶圆加工技术方面的专业知识,以确保实现高质量的芯片生产。

● 透彻理解电力电子和电路设计也很重要。SiC 功率器件用于高电压和高功率应用,因此供应商必须精通电路设计和优化技巧,以高效实现电源转换和管理。

● 热管理方面的专业知识同样重要。鉴于 SiC 芯片的电流密度较高,供应商必须具备开发高效散热方案的专业知识,以使芯片保持理想的性能和可靠性。

深入了解电动汽车市场的独特要求和标准至关重要。供应商需要考虑汽车安全性、耐用性以及与其他电动汽车元器件的兼容性等因素,确保其 SiC 功率器件满足电动汽车制造商的严格要求。

SiC 制造是一个复杂的过程,会引入缺陷和寄生效应。垂直整合意味着供应商在生产线启动时,即在晶体生长阶段就能识别缺陷,发现有缺陷的芯片,避免其进入后续生产。垂直整合供应商拥有整个SiC 链,因此从一开始就会使用测试、可追溯性和质量保证来减少早期故障。

关键词: SiC 电动汽车 功率器件

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