无论是可再生能源还是电动汽车市场，如今“卷”已经成为了常态，作为赋能能源变革的基础，碳化硅今年不只是“卷”价格“卷”成本的一年，更是“卷”技术的一年。由于功率器件在汽车或者逆变器BOM中占比较高，同时更关乎着效率，安全性等关键因素，因此选好碳化硅理应是功率系统中最关键的一环。
不过，根据英飞凌科技副总裁、工业与基础设施业务大中华区市场负责人沈璐拜访客户所了解到的情况显示，目前很多工程师在碳化硅选择上面还存在着诸多误区或困惑。日前，她和英飞凌科技高级技术总监、工业与基础设施业务大中华区技术负责人陈立烽借英飞凌碳化硅媒体发布会之际，以英飞凌新一代CoolSiCTM MOSFET为切入点，分别讲解了关于沟槽碳化硅的误区、碳化硅选型的方法学以及英飞凌新一代CoolSiCTM MOSFET的特点。
都在“卷”技术和产品
实际上，今年各大主流碳化硅厂商都陆续推出了自己的产品，3月，英飞凌发布基于沟槽栅技术的新一代CoolSiCTM MOSFET技术；7月，安森美宣布推出EliteSiC M3e MOSFET平台；9月，意法半导体宣布推出第四代碳化硅功率技术，针对电动汽车电驱系统的关键部件逆变器进行了特别优化；罗姆也计划在2025年推出第五代SiC产品。
2024可谓碳化硅新品爆发的一年。并且，笔者关注到，这些碳化硅供应商不止深化同客户的沟通与协作，同时还加大了从媒体、大会及其他渠道科普他们最新的碳化硅技术。
为什么会这样？实际上，随着竞争加剧，终端厂商的创新越来越变得重要。也正因此，工程师希望从底层起了解产品特点，选择最贴合自己系统的产品，而不仅依赖厂商推荐；同时他们也要掌握产品的技术发展路线图，以便为今后的产品进行合理规划。这一现象不止发生在电动汽车市场，在其他行业同样如此。
误区之一：沟槽栅架构到底可靠性如何？
关于可靠性也许是最大的误区。工程师有时会有如下质疑：既然沟槽栅结构复杂，其可靠性足够吗？先说结论，英飞凌的碳化硅功率开关从未在客户方面引发任何严重的故障和事故，碳化硅产品的退货率甚至低于基于硅的功率开关。
碳化硅失效率已经远低于硅
纵观功率器件的历史演进，主流的硅基技术最后都变成了垂直沟道。半导体功率市场有个永恒的定律，就是尺寸和功率密度至上，一切创新都要围绕着这一铁律。也正因此，数年前英飞凌就专注垂直沟道的研发，相比平面沟道，沟槽栅可以节约30%的面积，另外电阻也比平面栅低，这两点优势下，沟槽栅一定是必然趋势。实际上目前，英飞凌、罗姆都已经采用了沟槽栅技术，而安森美也即将在下个阶段采用沟槽栅工艺，这足以说明沟槽栅已经被市场认可。
再谈可靠性。可靠性主要由栅极氧化层(GoX)决定。沈璐用了形象的比喻介绍道，如果把电子比作成汽车，栅极氧化层比作公路，在硅基上做栅极氧化层非常平坦，而在碳化硅上做就会像乡村小路，缺陷非常多。“如果汽车在颠簸道路上长跑，寿命显然会大打折扣的。”沈璐说道。
英飞凌科技副总裁、工业与基础设施业务大中华区市场负责人沈璐
如果要提高可靠性，就需要降低缺陷密度，英飞凌通过提高电气筛选标准，从而筛选出更低缺陷度、更高可靠性的产品。
如果栅极氧化层太薄，器件要么在筛选过程中因磨损而失效，要么在筛选后表现出阈值电压和通道迁移率下降。因此，所需的氧化物厚度要远高于固有寿命目标所需的厚度。但是，另外需要考虑的是，越厚的栅极氧化层会增加阈值电压，并在给定的 VGS(on)的情况下降低电导率。
对于平面栅结构而言，电流需要一定横向空间避免拥挤，且沟道长度是横向的，存在较大未使用空间，限制芯片尺寸缩小，进而导致电阻相对较大。也正因此，平面栅工艺要么通过厚的栅极氧化层确保可靠性牺牲性能，要么通过薄的栅极氧化层牺牲可靠性但是维持高性能。
“英飞凌沟槽栅工艺可以通过选择更高的筛选电压和更厚的栅极氧化层确保可靠性以及高性能，而平面工艺不行。”沈璐说道。
栅极氧化层厚度和栅极电压对故障率和导通特性的影响
陈立烽也表示，英飞凌专用的垂直沟槽技术可以保证低界面密度与氧化层厚度之间的矛盾，进而提升了载流子的迁移率。此外，英飞凌深P+阱结构在沟槽拐角处形成高电场，增强了器件氧化层厚度及可靠性。
如图所示，相比于其他垂直栅技术，英飞凌的氧化层拐角处提供了双重氧化层保护。
根据英飞凌的统计数据显示，如今其汽车电子产品失效率已经不能用ppm（百万产品失效率）来形容了，而是用ppb（10亿产品失效率），可见其产品的可靠性之高。
误区之二，碳化硅选型评判指南
另外一个误区是，碳化硅器件的参数评判标准到底都包含什么。“碳化硅的性能评价标准实际上是多元化的，不光是导通损耗，还有开关损耗，还有杂散电感、封装热阻以及鲁棒性和可靠性。”沈璐表示。
该图很好地说明了碳化硅的选型平衡，首先性能上要考虑动态性能和静态性能，其次性能和可靠性、鲁棒性以及易用性等方面同样需要权衡。
首先看静态与动态性能。陈立烽表示，“过去，评价一颗MOSFET的好坏直接看导通损耗即可。但是对于碳化硅而言，由于碳化硅的开关频率（60kHz）远高于IGBT（30kHz），开关损耗接近导通甚至超过导通损耗。也正因此，要仔细审视最佳优值（FoM）。”
陈立烽表示，针对不同应用，系统的FOM需要考虑的点并不相同，如下图所示。
比如在硬开关拓扑中，电压、电流变化有交叠，开关损耗占比很大，因此最需要考虑的是Rdson*Qgd。而在软开关拓扑中，由于开关损耗可以接近为零，因此Rdson*Qoss更重要；另外对于轻载模式下，需要系统在导通损耗和开关损耗间取得平衡，这时Rdson*Eoss更为重要；低压状态也是同理，通过Rds*Qg衡量导通损耗和开关损耗的平衡。
无论如何，英飞凌新一代CoolSiCTM MOSFET在所有方面都取得了一定的进步，相比友商的最佳表现还要更好。另外值得一提的是，英飞凌第一代CoolSiCTM MOSFET毕竟采用了较新的技术，因此彼时更专注于高可靠性，以赢得客户对于该技术的认可。在可靠性的基础上，新一代CoolSiCTM MOSFET进一步提高了产品的性能。
另外需要权衡的是鲁棒性和可靠性。可靠性指的是长期工作使用寿命，鲁棒性则是在极端工况下整体的稳定性，比如像光伏和储能等，在长期的户外，长期的高频满载的情况下，需要仔细考虑鲁棒性。
英飞凌科技高级技术总监、工业与基础设施业务大中华区技术负责人陈立烽
在这方面，就不得不提英飞凌的.XT扩散焊技术。陈立烽表示，在传统器件中，无论是单板还是模块，通常采用标准焊接工艺，即将芯片焊接到芯片引线框架（Lead Frame）或者PCB等载体上。然而，标准焊接过程往往难以达到完全平滑的焊接效果，可能会松动脱落。相比之下，采用.XT扩散焊技术则能显著改善这一情况。扩散焊顾名思义，指的是在一定的温度和压力下，使焊件紧密接触，通过原子间的相互扩散实现焊接。主要依靠原子的扩散来形成接头，在高温和压力的长时间作用下，界面处的原子相互扩散，使焊件间的成分逐渐均匀化，最终形成牢固的焊接接头。因此，这项技术使得芯片与载体之间的结合处变得非常紧密。这种紧密的结合能显著提升焊接的可靠性，从而增强器件的应力抗性。
如图所示，相较于普通焊接，.XT扩散焊技术可以实现更紧密和平滑的连接
通过.XT扩散焊技术，介质间的紧密连接也同时提升了芯片的散热效果，热阻值从0.68K/W降低到0.5K/W。热阻减小意味着热量能更高效地从芯片内部散出，进而降低结温，或提升器件的输出功率及可靠性。陈立烽以某款器件为例，采用.XT封装技术后，其输出功率从标准焊接的145W提升至188W，增幅约10%到20%。进而，由于输出功率的提升，器件开关频率也可随之提升，从而缩小被动器件的尺寸，并降低成本。
此外，英飞凌还在封装上开发了更多的顶部与底部散热产品，方便不同散热条件下使用。
一致性也是一个重要指标点，特别是在功率器件并联时，更高的一致性意味着系统更容易设计。英飞凌的器件是正温度系数，且温度漂移较低，从而并联性能更好。关于这点，沈璐表示，导通电阻由两部分组成，包括沟道电阻A以及外延电阻B，沟道电阻A与温度负相关而外延电阻B与温度正相关。对于平面栅而言，随着温度的升高，A和B可以互相抵消。而对于沟槽栅而言，由于沟道电阻较小，无法补偿B的上升，所以总体而言，沟槽栅体现出正相关的温度系数。但由于一致性较高，因此并不会影响系统设计。
另外，英飞凌在新一代CoolSiCTM MOSFET和EiceDRIVERTM驱动中都具有米勒钳位功能，从而避免了上下管的寄生导通，提高了产品可靠性。
一张图解读英飞凌新一代碳化硅的超越
如图所示，相比第一代CoolSiCTM MOSFET，在新一代CoolSiCTM MOSFET上英飞凌实现了全面突破。
首先，是增强了开关性能，优化了FOM，无论在硬开关、软开关、轻载工况下，都可以降低开关损耗，提高功率效率。
其次，通过.XT扩散焊技术，降低了热阻，从而降低功率器件结温或者提高输出能力。
第三，是产品丰富性提高，涵盖从7毫欧到78毫欧的不同类别，方便客户根据自身情况选型。
第四，具有200摄氏度下的短时过载能力，在一些恶劣工况下，有更好的耐用性。
第五，是抗寄生导通的能力提高，具有2μs的短路保护时间。
第六，是很小的阈值电压VGS(th)，可增加并联的可靠性。
总而言之，功率器件选型是一个平衡，对于碳化硅同样如此，但英飞凌新一代CoolSiCTM MOSFET的目标却是达成可靠性与性能的统一，目前来看，的确也是做到了这一点。
碳化硅创新的代表——英飞凌
最后再值得补充一下英飞凌的碳化硅历史。作为碳化硅创新的先驱之一，公司1992年就开始着手碳化硅的研发，2016年成功推出了首款沟槽栅技术的CoolSiCTM系列产品。
英飞凌碳化硅创新历程一览，点击可放大
英飞凌的碳化硅技术和产品几乎年年都有创新，其中大部分都颇具市场引领性。比如，2001年推出了世界上第一个商用碳化硅二极管；2016年首次在PCIM展示采用沟槽栅技术的CoolSiCTM MOSFET产品系列；2018年收购Siltectra，获得碳化硅晶圆激光冷切割技术；2024年的创新分别为：推出使用沟槽栅技术的新一代碳化硅技术系列产品CoolSiCTM MOSFET G2，以及额定电压达3.3kV的XHPTM 2 CoolSiCTM MOSFET半桥模块（2023初步发布），HybridPACK Drive G2 Fusion模块等产品。