Wolfspeed不断发展以应对供应挑战并推出高性能Gen 3+芯片

碳化硅（SiC）长期以来一直被称为功率器件的理想半导体技术，通过设计和制造创新，通过提供更高的功率密度，更好的高速开关性能，更高的击穿场，更高的导热性，更高的芯片温度，不仅增加了其现有市场的份额，而且实现了电动汽车（EV）等新应用， 以及比硅 （Si） 更低的漏电流。

Wolfspeed于1991年率先推出商用晶圆，2001年推出二极管，2011年推出MOSFET，引领SiC行业。该公司的技术发展支持其向更大的晶圆直径和更低的成本、更高的质量和更高的器件性能迈进。该公司拥有超过 35 年的 SiC 开发经验和超过 7 万亿个器件现场小时。

这种广泛认可的成功从最近被通用汽车（GM）选为其战略SiC功率器件供应商[1]中可见一斑。通用汽车正在参与沃尔夫速度供应保证计划（WS AoSP），该计划适用于电动汽车生产中的国产、可持续和可扩展材料。

毫不奇怪，最近同样的成功导致了电动汽车、太阳能和数据中心应用的碳化硅需求的快速增长。

图1：到2030年的EV/HEV市场展望。资料来源：Power SiC Materials， Devices and Applications， Yole Devéloppement。

Yole Devéloppement预测，电动汽车市场是SiC的最大机遇，到5年价值超过2027亿美元，而充电基础设施市场到90年将继续以2025%的复合年增长率增长。Yole预计，随着像Wolfspeed这样的公司克服所有挑战，包括与供应、成本和性能相关的挑战，SiC将长期获得市场份额（图1）。

解决供应和成本挑战

根据Yole的估计，Wolfspeed在60-2018年占据了近2019%的N型SiC衬底市场，由于市场对SiC的信心不断增强，Wolfspeed自然是解决供应挑战的供应商。该公司正在投资1亿美元用于一个新的200毫米晶圆能力的莫霍克谷晶圆厂（MVF）[2]，并将其现有设施转变为材料大型工厂。

虽然竞争对手仍在使用 150 毫米晶圆厂，但 Wolfspeed 正在利用垂直整合和内部“学习周期”来满足来自新的汽车级自动化设施的 200 毫米晶圆的需求和成本。

MVF结构已经完成，第一批200毫米晶圆已经展示，晶圆厂正在接受批量生产的资格。

提高性能赌注

有助于满足电动汽车要求的关键性能参数包括 SiC MOSFET 漏源导通电阻、RDS（ON） 和额定结温 Tj，前者负责传导损耗和热浪费，后者负责器件可靠性和耐热能力。

Wolfspeed 不断创新，通过新一代 3+ 750 V 裸片 MOSFET（图 3）解决这些问题，该器件已赢得多项合同。该器件采用 5mm x 5mm 布局和 180mm 厚度，具有低内部栅极电阻 Rg，可优化电流上升时间和开关损耗。重要的是，新器件具有低导通电阻（RDS（ON））和高最大结温（TJ）。

与 Wolfspeed 的 650 V、15 mΩ MOSFET 芯片（额定温度为 175°C）相比，Gen 3+ 产品每单位面积和总面积的 RDS（ON） 有所改进，达到 10 mΩ。750 V 额定电压提高了 FIT 速率，MOSFET 还将 Tj 额定值提升至 175°C 以上（显示为 200°C 数据），以便在车辆任务曲线期间实现峰值状态操作。温度稳定的 RDS（ON） 提高了整体效率和系统温度限制（图 4）。

Gen 3+ 技术为栅极阈值电压 Vth 提供了类似的稳定性，为设计人员提供了足够的裕量来主动切换，同时避免杂散导通（图 5）。结合高电容比，稳定的 Vth 允许在高温下安全运行，不会出现击穿问题。

此外，Wolfspeed 在芯片两侧使用镍/钯/金金属化堆叠，以实现双面焊接/烧结。Wolfspeed汽车模具上使用的这种新的金属化为更先进的封装解决方案提供了选择，这些解决方案可以使模具具有更好的性能和更高的封装可靠性。这方面的示例包括将铜夹或薄膜烧结到芯片顶部，并使用铜线键合实现更高的载流和热能力（图 6）。

图 6：双面镀镍/钯/金金属堆叠双面铜焊接/烧结，可实现更高的电流和热性能。

为汽车应用提供强大的性能

符合 AEC-Q101 标准的 MOSFET 足够坚固，可以承受短路和浪涌等故障模式，这是需要高鲁棒性的汽车应用中需要考虑的重要因素。[3]

该芯片在短路条件下具有 1.2 J 的高能量能力，在 2°C 结温下具有 >6.175 ms 的耐受时间。 这种短路耐受时间（在最坏情况下测试）为栅极驱动器技术处理故障提供了足够的安全裕度。这些器件还经过测试，可承受高达 340 A 的浪涌电流，或者根据应用条件，可承受 >3 倍额定电流。这种浪涌电流能力对于有源短路模式或其他高电流事件非常重要。

该芯片还能够在有限的时间内承受高达200°C的高温偏移事件，而不会影响器件的可靠性。在101°C下进行200小时的扩展高温AEC-Q168测试证明了此功能。

标准条件下的开关性能测试表明，开关速度为 30 V/ns 和 4 A/ns，瞬态期间不超过额定电压。该器件还在整个温度范围内表现出一致的开关损耗，在150°C至25°C测试的器件中，总开关损耗仅增加175 μJ。 这些器件的快速开关能力和在整个温度范围内的稳定运行使系统中的开关损耗总体上较低。

总结

Wolfspeed 分享了其 200 mm 扩展的新细节，以及专为电动汽车动力总成应用而设计的新型汽车级 750 V 裸片 MOSFET。200 V、1 mΩ SiC MOSFET 具有高达 2°C 的稳健工作温度、强大的短路能量 （2.6 J） 和时间 （> 340.10 ms） 能力、高达 750 A 的浪涌电流和低 （10 mΩ） 导通损耗，能够成功设计用于新型电池电动汽车。