意法半导体SiC MOSFET的路线图

特斯拉声称下一代电驱动系统将要削减75%的碳化硅用量，此言一出，除英飞凌外的碳化硅厂商股票纷纷大跌，只有英飞凌基本持平。Wolfspeed、ST、OnSemi、ROHM跌幅都不低，但尾盘跌幅均收窄了很多。

特斯拉是全球首家使用SiC MOSFET的厂家，一共使用了24对即48颗意法半导体的GK 026 SiCMOSFET，虽然不是标准产品，但根据特斯拉的功率参数很容易推断出这些SiC MOSFET是600-650V，90-100A，生产工厂位于意大利的卡塔尼亚(Catania)。意法半导体一直是特斯拉独家供应商。GK026的封装据说是意法半导体特别委托荷兰一家名为Advanced Packaging Center设计的，类似于三菱电机J系列TPM模块，也就是塑封铜丝带绑定(Plastic molding and Cu ribbon-bonding)，意法半导体称之为STPAK。特斯拉为其再加了针翅散热。

时至今日，特斯拉已经明显落后了，特斯拉采购的是意法半导体第二代SiCMOSFET，如今意法半导体已经升级到了第三代，主打产品ADP280120W3、ADP360120W3、ADP480120W3都是1200V产品，也就是说这些产品对应的是800V平台。众所周知，800V平台才能发挥SiC的全部潜力。环顾整个SiC MOSFET行业，基本上都是针对1200V设计的，特别是汽车领域，只有意法半导体有650V或900V产品。马斯克说过特斯拉Model 3/Y不会上800V，因为特斯拉的充电桩包括快充最高是480V，而800V平台对特斯拉没有价值。同时800V对整体系统要做彻底革新，是一大笔研发支出。不过特斯拉的皮卡和卡车则是直接上了1000V平台。

特斯拉要想削减75%的SiC用量，不使用1200V产品是很难的，但也不是不可能。特斯拉还有一个独特之处是不用模块，从早期的IGBT到今天的SiC，特斯拉都是单管，单管成本低，灵活度高，可靠性略低于模块。

模块成本高一方面是管子需要高度一致性配对，同时散热部分通常要使用AMB（即活性金属钎焊）基板。活性金属钎焊是一种钎焊方法，能够融合金属与陶瓷，而不会出现金属化。AMB是汽车应用、风机、牵引应用和高压直流输电应用的首选基板，此类应用需要材料具备高可靠性、出色的散热和局部放电性能。Si3N4的高热导率(90W/mK)，再加上厚实铜层的高热容量和高散热性（高达 800 µm），成为大功率电子应用中不可替代的材料，由Rogers垄断。此外，IGBT用的陶瓷基板也大多来自Rogers，还有车载毫米波雷达的PCB天线板也主要由Rogers供应。

特斯拉之所以用单管，一方面是因为成本；另一方面，特斯拉特别擅长散热，从座舱的水冷到SiC MOSFET的铜带都是典型代表，特斯拉也有信心靠高超的散热技术提高可靠性。英飞凌、ROHM和安森美都是主打模块产品的，只有意法半导体是主打单管，这也是特斯拉青睐意法半导体的原因，单管让特斯拉有发挥自己专长的地方。

意法半导体SiC MOSFET的路线图

图片来源：意法半导体

显然特斯拉用的是意法半导体2018年的第二代SiC MOSFET产品，第四代产品目前还没有推出。沟槽型是发展方向，但意法半导体要到2025年才开始推出。

图片来源：意法半导体

自2010年Cree和ROHM推出SiC MOSFET以来，平面栅结构一直被使用，但平面栅结构限制了Cell间距的减小速率，预计在更高代次的产品中沟槽栅结构将取代平面栅结构。功率晶体管由很多个Cell组成，这些Cell以间距大小Cell Pitch为特征。技术扩展旨在减少晶体管Cell间距。

RONxA表示芯片每平方毫米的导通电阻，通常用mΩ x mm2单位表示。对于垂直晶体管，RONxA取决于晶体管布局、垂直结构和杂质掺杂分布设计。RONxA越小，芯片尺寸越小,同时降低了成本/价格、晶体管电容、动态损耗和开关延迟时间。

与高级逻辑CMOS一样，功率晶体管技术的发展是由降低成本和提高性能的需求推动的。这些目标是通过开发新的晶体管结构和缩小尺寸来实现的，对于恒定的Ron值，芯片面积每三年比上一代减小0.7倍。自2016年以来，领先制造商已推出商用沟槽栅SiC MOSFET，更小的元胞尺寸给这些器件的可靠性与鲁棒性带来了新的挑战。

图片来源：意法半导体

如果特斯拉使用意法半导体的SCTHS300N75G3AG，可以勉强做到将SiC MOSFET数量减少到12个，750*300*12=270kW，上一代是650*48*90=280kW，仅仅小了10kW。如果是芯片面积减少75%，那么表现在降本上不会太明显，因为面积减少意味着要更多地考虑散热和其他可靠性，这些也会增加成本，毕竟基板成本在总成本里比例不超过45%。芯片面积减少75%，对特斯拉来说成本可能只减少10%，特斯拉投资日里提到的最有可能还是数量。

图片来源：意法半导体

意法半导体也在推模块产品，特斯拉在下一代产品估计也得用模块和1200V，特别是高功率车型。特斯拉不可能一人挑战整个SiC MOSFET行业，并且大多数车企都用1200V时，特斯拉也无法独善其身。

虽然业内一致认为沟槽型是发展方向，但是目前沟槽型在牵引电机领域不如平面型。

图片来源：意法半导体

平面型：特点是工艺简单，单元的一致性较好，雪崩能量比较高。但是，这种结构的中间，N区夹在两个P区域之间，当电流被限制在靠近P体区域的狭窄的N区中流过时，将产生JFET效应，从而增加通态电阻；同时，这种结构的寄生电容也较大。

沟槽型：是将栅极埋入基体中形成垂直沟道，尽管其工艺复杂，单元一致性比平面结构差。但是，沟槽结构可以增加单元密度，没有JFET效应，寄生电容更小，开关速度快，开关损耗非常低；而且，通过选取合适沟道晶面以及优化设计的结构，可以实现最佳的沟道迁移率，显著降低导通电阻。

沟槽MOSFET较低的比导通电阻(Ronsp，电阻x面积)背后有多种原因：

➤   首先，在SiC沟槽侧壁上制造的栅极具有更高的沟道迁移率，这意味着与平面器件相比，电子通过沟槽栅极的阻碍更少，这降低了通道电阻。 ➤   其次，沟槽MOSFET可能会消除平面MOSFET的JFET电阻，在该区域中，来自两个通道的电流被挤压到p体接触之间的狭窄通道中。然而，正如下文将看到的，实用、务实的设计可能会导致重新引入类似JFET的区域。 ➤   第三，与平面栅极的数量相比，垂直沟槽栅极的密度应该更大，因此可以减小单元间距并增加电流密度。   但是，沟槽MOSFET可能难以优化，以实现可靠、稳健的运行。成功的设计必须解决在SiC器件顶部的峰值电场（比Si大9倍）的问题，同时保护同样位于器件顶部的精细栅极氧化物免受同一电场的影响。这种平衡行为需要巧妙但复杂的器件布局。

为提高可靠性，沟槽型不得不略微降低功率，这意味着相同功率下，沟槽型需要的MOSFET数量可能更多，对特斯拉来说成本反而可能更高。沟槽型的最佳例子是日本ROHM的第四代产品，额定电压为750V（从 650 V 提升而来）和1200 V 的 MOSFET，以及 56A/24mΩ 条件下的车规级TO247 封装组件。这一产品特性表明ROHM将继续聚焦其之前取得成功的车载充电器市场而非牵引电机市场。

向沟槽型发展最困难之处在于专利壁垒，日本厂家几乎将有关沟槽SiC MOSFET的专利包揽，包括三菱电机、住友电气、富士电机、东芝、瑞萨、丰田电装都有丰富的专利，基本上你能想到的方法，日本企业都申请了专利。

图片来源：意法半导体

上图是几大巨头的沟槽SiC MOSFET结构对比，日本住友还有独特的V型结构。

沟槽不可避免带来一些复杂工艺，增加了制造成本，而面积的减小所带来的成本效益并不明显。

实际最早使用SiC MOSFET的是丰田，早在2015年丰田就开始测试SiC MOSFET。2016年的氢燃料车使用SiC MOSFET由丰田关联公司电装提供，并且是垂直供应链，从磊晶到芯片到模块，不假手外部厂家，即便是今天部分专业SiC半导体公司都做不到。

图片来源：电装

早在2018年，电装就量产了沟槽SiC MOSFET。

图片来源：ROHM

特斯拉的实例表明，技术先进未必能得到市场认同。就像ROHM，拥有最先进的SiC MOSFET技术，成本也不高，但其市场占有率远不如意法半导体和英飞凌，也不如安森美。反过来，市占率最高并不意味着技术最先进。

ROHM历代SiC MOSFET对比

图片来源：ROHM

除特斯拉外，厂家基本上都选择模块，模块进入800V平台是顺理成章、水到渠成的事，上游的厂家逼迫你不得不上800V平台，因为先进模块都是1200V即对应800V平台的。模块用的好，是可以在成本和效率上比特斯拉更优秀，特斯拉已经有历史包袱了。

编辑：黄飞