電動汽車乘風而起，IGBT與SiC將誰主沉浮？
2022/10/26 13:56:08 點擊：
近幾年來，電動汽車、電化學儲能、以及光伏和風電等新能源市場的快速發展，市場對功率器件的需求量大增，特別是電動汽車的興起，讓IGBT常年處于供應緊張狀態，且未來幾年都沒有緩解的跡象。此時，SiC器件也乘勢而起，開啟了汽車領域的滲透之路，那么，未來這兩種功率器件將誰主沉浮呢？
1982年，通用電氣的B?賈揚?巴利加發明了IGBT，它集合了雙極型功率晶體管（BJT）和功率MOSFET的優點，一經推出，便引起了廣泛關注，各大半導體公司都投入巨資開發IGBT器件。隨著工藝技術的不斷改進和提高，其電性能參數和可靠性也日趨完善。
據Omdia統計，全球IGBT市場規模在過去近十年中保持穩定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場，占到全球IGBT市場規模的40%左右。另外，根據測算，國內車載IGBT市場的規模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術成熟，已經廣泛應用于各種領域。然而，隨著功率器件使用場合日益豐富，對高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統硅基功率器件的設計瓶頸，SiC和GaN等第三代半導體器件開始嶄露頭角。因為這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等優點，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
近幾年，基于寬禁帶半導體材料的功率器件制造技術的發展也突飛猛進，許多半導體公司都推出了其商業化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例，現有的商業化功率器件耐壓范圍達到了650V~1700V，電流等級達到了6~60A，SiC模塊的耐壓等級甚至已經達到了幾十kV。
據Yole統計，2021年全球SiC功率器件的市場規模為10.9億美元，預計未來幾年的年復合增長率可達34%，至2027年，市場規模可達62.9億美元。據悉，目前，SiC MOSFET在車載OBC和電控上在逐漸滲透。不過，現在很多供應SiC模塊，包括OBC和MOSFET的企業，同時也是IGBT的供應商。 從市場前景來看，如果SiC未來在車載上大批量上量，產值會翻倍，因為車載SiC模組的價格是傳統硅模塊的3~5倍，OBC單管的話是硅模塊的2倍。業內人士預計今年SiC在國內電控領域有10%左右的滲透，2025年可能會達到30%~50%的滲透。
IGBT與SiC的性能對比
前面有提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優點，它既具有功率MOSFET的高速開關和電壓驅動特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點，且具有高耐壓能力。據悉，目前商業化的IGBT模塊耐壓已經做到了6500V，實驗室甚至已經做到了8000V。
目前，IGBT器件的發展趨勢主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發展的主要難點在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達到。主要體現在IGBT的開通速度和損耗、擴展至8英寸和12英寸制造/加工技術的挑戰、緩沖層構成，以及微溝槽設計等方面。
也就是說，要想設計出性能更好的IGBT產品，需要減少產品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如英飛凌、ST、三菱電機等基本都掌握了場終止層（Field-stop，FS）+溝槽柵IGBT技術，且相繼推出了不同系列，不同規格的600V~6500V IGBT器件和模塊產品。 國內IGBT廠商由于設備和工藝水平等因素的影響，目前還處于追趕階段。不過可喜的是，已經有不少廠商取得了不錯的進步，比如國內的賽晶亞太半導體科技（浙江）有限公司（以下簡稱“賽晶亞太半導體”），其已經量產的i20 IGBT芯片組，性能達到，甚至有些方面已經超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據資料顯示，i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結構，并通過N型增強層（N- Enhancement layer）、窄臺面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優化P+（Optimized P+ LAYER）、先進3D結構（Advanced 3D structure）等多項優化設計，進一步改善IGBT導通飽和壓降和開關損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩健性。
在性能方面，根據賽晶亞太半導體公開的其量產i20模塊與相似封裝技術的IGBT4模塊測試對比來看，兩個模塊的開通損耗基本相當；關斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導通壓降更低。
在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設計，在VDC=800V時，可達到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規級AQG 324標準中極其重要的高溫高濕反偏試驗（H3TRB）等測試。。且在經過1500小時后，仍然沒有出現性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對SiC MOSFET的特性進行了深入研究。據研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關電路的開關損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場合，現有的SiC器件與硅基功率器件相比開關速度并不占優勢，但在900V以上的場合，SiC的優勢就顯現出來了。
比如說，1200V器件的開關損耗與開關時間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應用場景。而開關頻率提升后，可以減小系統中無源元件的體積和重量，從而減小整個系統的體積，增加系統的功率密度。
目前，SiC MOSFET技術遇到的主要難點是原材料成本和加工技術，業界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產線還比較少，良率目前也不是很高，因此產量提升還有難度；次要的難點是改進器件理論并積累更多可靠性數據。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需求一路高漲，目前處于供不應求的狀態。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量，而襯底和晶圓廠技術壁壘較高，產能擴張慢等因素影響，再加上電動汽車800V平臺的車型越來越多，對SiC MOSFET的需求將進一步放大，未來供給缺口恐更大。
結語
可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術性能優于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術已經非常成熟，經過40多年的持續奮斗，不斷探索與創新，硅基IGBT的參數折中已經達到了極高的水平，可以滿足不同的應用市場需求，而且成本可控。
1982年，通用電氣的B?賈揚?巴利加發明了IGBT，它集合了雙極型功率晶體管（BJT）和功率MOSFET的優點，一經推出，便引起了廣泛關注，各大半導體公司都投入巨資開發IGBT器件。隨著工藝技術的不斷改進和提高，其電性能參數和可靠性也日趨完善。
據Omdia統計，全球IGBT市場規模在過去近十年中保持穩定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場，占到全球IGBT市場規模的40%左右。另外，根據測算，國內車載IGBT市場的規模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術成熟，已經廣泛應用于各種領域。然而，隨著功率器件使用場合日益豐富，對高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統硅基功率器件的設計瓶頸，SiC和GaN等第三代半導體器件開始嶄露頭角。因為這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等優點，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
近幾年，基于寬禁帶半導體材料的功率器件制造技術的發展也突飛猛進，許多半導體公司都推出了其商業化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例，現有的商業化功率器件耐壓范圍達到了650V~1700V，電流等級達到了6~60A，SiC模塊的耐壓等級甚至已經達到了幾十kV。
據Yole統計，2021年全球SiC功率器件的市場規模為10.9億美元，預計未來幾年的年復合增長率可達34%，至2027年，市場規模可達62.9億美元。據悉，目前，SiC MOSFET在車載OBC和電控上在逐漸滲透。不過，現在很多供應SiC模塊，包括OBC和MOSFET的企業，同時也是IGBT的供應商。 從市場前景來看，如果SiC未來在車載上大批量上量，產值會翻倍，因為車載SiC模組的價格是傳統硅模塊的3~5倍，OBC單管的話是硅模塊的2倍。業內人士預計今年SiC在國內電控領域有10%左右的滲透，2025年可能會達到30%~50%的滲透。
IGBT與SiC的性能對比
前面有提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優點，它既具有功率MOSFET的高速開關和電壓驅動特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點，且具有高耐壓能力。據悉，目前商業化的IGBT模塊耐壓已經做到了6500V，實驗室甚至已經做到了8000V。
目前，IGBT器件的發展趨勢主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發展的主要難點在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達到。主要體現在IGBT的開通速度和損耗、擴展至8英寸和12英寸制造/加工技術的挑戰、緩沖層構成，以及微溝槽設計等方面。
也就是說，要想設計出性能更好的IGBT產品，需要減少產品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如英飛凌、ST、三菱電機等基本都掌握了場終止層（Field-stop，FS）+溝槽柵IGBT技術，且相繼推出了不同系列，不同規格的600V~6500V IGBT器件和模塊產品。 國內IGBT廠商由于設備和工藝水平等因素的影響，目前還處于追趕階段。不過可喜的是，已經有不少廠商取得了不錯的進步，比如國內的賽晶亞太半導體科技（浙江）有限公司（以下簡稱“賽晶亞太半導體”），其已經量產的i20 IGBT芯片組，性能達到，甚至有些方面已經超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據資料顯示，i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結構，并通過N型增強層（N- Enhancement layer）、窄臺面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優化P+（Optimized P+ LAYER）、先進3D結構（Advanced 3D structure）等多項優化設計，進一步改善IGBT導通飽和壓降和開關損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩健性。
在性能方面，根據賽晶亞太半導體公開的其量產i20模塊與相似封裝技術的IGBT4模塊測試對比來看，兩個模塊的開通損耗基本相當；關斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導通壓降更低。
在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設計，在VDC=800V時，可達到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規級AQG 324標準中極其重要的高溫高濕反偏試驗（H3TRB）等測試。。且在經過1500小時后，仍然沒有出現性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對SiC MOSFET的特性進行了深入研究。據研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關電路的開關損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場合，現有的SiC器件與硅基功率器件相比開關速度并不占優勢，但在900V以上的場合，SiC的優勢就顯現出來了。
比如說，1200V器件的開關損耗與開關時間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應用場景。而開關頻率提升后，可以減小系統中無源元件的體積和重量，從而減小整個系統的體積，增加系統的功率密度。
目前，SiC MOSFET技術遇到的主要難點是原材料成本和加工技術，業界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產線還比較少，良率目前也不是很高，因此產量提升還有難度；次要的難點是改進器件理論并積累更多可靠性數據。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需求一路高漲，目前處于供不應求的狀態。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量，而襯底和晶圓廠技術壁壘較高，產能擴張慢等因素影響，再加上電動汽車800V平臺的車型越來越多，對SiC MOSFET的需求將進一步放大，未來供給缺口恐更大。
結語
可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術性能優于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術已經非常成熟，經過40多年的持續奮斗，不斷探索與創新，硅基IGBT的參數折中已經達到了極高的水平，可以滿足不同的應用市場需求，而且成本可控。
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