意法半導體SiC MOSFET的路線圖

特斯拉聲稱下一代電驅動系統將要削減75%的碳化硅用量，此言一出，除英飛凌外的碳化硅廠商股票紛紛大跌，只有英飛凌基本持平。Wolfspeed、ST、OnSemi、ROHM跌幅都不低，但尾盤跌幅均收窄了很多。

特斯拉是全球首家使用SiC MOSFET的廠家，一共使用了24對即48顆意法半導體的GK 026 SiCMOSFET，雖然不是標準產品，但根據特斯拉的功率參數很容易推斷出這些SiC MOSFET是600-650V，90-100A，生產工廠位于意大利的卡塔尼亞(Catania)。意法半導體一直是特斯拉獨家供應商。GK026的封裝據說是意法半導體特別委托荷蘭一家名為Advanced Packaging Center設計的，類似于三菱電機J系列TPM模塊，也就是塑封銅絲帶綁定(Plastic molding and Cu ribbon-bonding)，意法半導體稱之為STPAK。特斯拉為其再加了針翅散熱。

時至今日，特斯拉已經明顯落后了，特斯拉采購的是意法半導體第二代SiCMOSFET，如今意法半導體已經升級到了第三代，主打產品ADP280120W3、ADP360120W3、ADP480120W3都是1200V產品，也就是說這些產品對應的是800V平臺。眾所周知，800V平臺才能發揮SiC的全部潛力。環顧整個SiC MOSFET行業，基本上都是針對1200V設計的，特別是汽車領域，只有意法半導體有650V或900V產品。馬斯克說過特斯拉Model 3/Y不會上800V，因為特斯拉的充電樁包括快充最高是480V，而800V平臺對特斯拉沒有價值。同時800V對整體系統要做徹底革新，是一大筆研發支出。不過特斯拉的皮卡和卡車則是直接上了1000V平臺。

特斯拉要想削減75%的SiC用量，不使用1200V產品是很難的，但也不是不可能。特斯拉還有一個獨特之處是不用模塊，從早期的IGBT到今天的SiC，特斯拉都是單管，單管成本低，靈活度高，可靠性略低于模塊。

模塊成本高一方面是管子需要高度一致性配對，同時散熱部分通常要使用AMB（即活性金屬釬焊）基板。活性金屬釬焊是一種釬焊方法，能夠融合金屬與陶瓷，而不會出現金屬化。AMB是汽車應用、風機、牽引應用和高壓直流輸電應用的首選基板，此類應用需要材料具備高可靠性、出色的散熱和局部放電性能。Si3N4的高熱導率(90W/mK)，再加上厚實銅層的高熱容量和高散熱性（高達 800 μm），成為大功率電子應用中不可替代的材料，由Rogers壟斷。此外，IGBT用的陶瓷基板也大多來自Rogers，還有車載毫米波雷達的PCB 天線板也主要由Rogers供應。

特斯拉之所以用單管，一方面是因為成本；另一方面，特斯拉特別擅長散熱，從座艙的水冷到SiC MOSFET的銅帶都是典型代表，特斯拉也有信心靠高超的散熱技術提高可靠性。英飛凌、ROHM和安森美都是主打模塊產品的，只有意法半導體是主打單管，這也是特斯拉青睞意法半導體的原因，單管讓特斯拉有發揮自己專長的地方。

意法半導體SiC MOSFET的路線圖

圖片來源：意法半導體

顯然特斯拉用的是意法半導體2018年的第二代SiC MOSFET產品，第四代產品目前還沒有推出。溝槽型是發展方向，但意法半導體要到2025年才開始推出。

圖片來源：意法半導體

自2010年Cree和ROHM推出SiC MOSFET以來，平面柵結構一直被使用，但平面柵結構限制了Cell間距的減小速率，預計在更高代次的產品中溝槽柵結構將取代平面柵結構。功率晶體管由很多個Cell組成，這些Cell以間距大小Cell Pitch為特征。技術擴展旨在減少晶體管Cell間距。

RONxA表示芯片每平方毫米的導通電阻，通常用mΩ x mm2單位表示。對于垂直晶體管，RONxA取決于晶體管布局、垂直結構和雜質摻雜分布設計。RONxA越小，芯片尺寸越小,同時降低了成本/價格、晶體管電容、動態損耗和開關延遲時間。

與高級邏輯CMOS一樣，功率晶體管技術的發展是由降低成本和提高性能的需求推動的。這些目標是通過開發新的晶體管結構和縮小尺寸來實現的，對于恒定的Ron值，芯片面積每三年比上一代減小0.7倍。自2016年以來，領先制造商已推出商用溝槽柵SiC MOSFET，更小的元胞尺寸給這些器件的可靠性與魯棒性帶來了新的挑戰。

圖片來源：意法半導體

如果特斯拉使用意法半導體的SCTHS300N75G3AG，可以勉強做到將SiC MOSFET數量減少到12個，750*300*12=270kW，上一代是650*48*90=280kW，僅僅小了10kW。如果是芯片面積減少75%，那么表現在降本上不會太明顯，因為面積減少意味著要更多地考慮散熱和其他可靠性，這些也會增加成本，畢竟基板成本在總成本里比例不超過45%。芯片面積減少75%，對特斯拉來說成本可能只減少10%，特斯拉投資日里提到的最有可能還是數量。

圖片來源：意法半導體

意法半導體也在推模塊產品，特斯拉在下一代產品估計也得用模塊和1200V，特別是高功率車型。特斯拉不可能一人挑戰整個SiC MOSFET行業，并且大多數車企都用1200V時，特斯拉也無法獨善其身。

雖然業內一致認為溝槽型是發展方向，但是目前溝槽型在牽引電機領域不如平面型。

圖片來源：意法半導體

平面型：特點是工藝簡單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高。但是，這種結構的中間，N區夾在兩個P區域之間，當電流被限制在靠近P體區域的狹窄的N區中流過時，將產生JFET效應，從而增加通態電阻；同時，這種結構的寄生電容也較大。

溝槽型：是將柵極埋入基體中形成垂直溝道，盡管其工藝復雜，單元一致性比平面結構差。但是，溝槽結構可以增加單元密度，沒有JFET效應，寄生電容更小，開關速度快，開關損耗非常低；而且，通過選取合適溝道晶面以及優化設計的結構，可以實現最佳的溝道遷移率，顯著降低導通電阻。

溝槽MOSFET較低的比導通電阻(Ronsp，電阻x面積)背后有多種原因：

?? ?首先，在SiC溝槽側壁上制造的柵極具有更高的溝道遷移率，這意味著與平面器件相比，電子通過溝槽柵極的阻礙更少，這降低了通道電阻。 ?? ?其次，溝槽MOSFET可能會消除平面MOSFET的JFET電阻，在該區域中，來自兩個通道的電流被擠壓到p體接觸之間的狹窄通道中。然而，正如下文將看到的，實用、務實的設計可能會導致重新引入類似JFET的區域。 ?? ?第三，與平面柵極的數量相比，垂直溝槽柵極的密度應該更大，因此可以減小單元間距并增加電流密度。 ? 但是，溝槽MOSFET可能難以優化，以實現可靠、穩健的運行。成功的設計必須解決在SiC器件頂部的峰值電場（比Si大9倍）的問題，同時保護同樣位于器件頂部的精細柵極氧化物免受同一電場的影響。這種平衡行為需要巧妙但復雜的器件布局。

為提高可靠性，溝槽型不得不略微降低功率，這意味著相同功率下，溝槽型需要的MOSFET數量可能更多，對特斯拉來說成本反而可能更高。溝槽型的最佳例子是日本ROHM的第四代產品，額定電壓為750V（從 650 V 提升而來）和1200 V 的 MOSFET，以及 56A/24mΩ 條件下的車規級TO247 封裝組件。這一產品特性表明ROHM將繼續聚焦其之前取得成功的車載充電器市場而非牽引電機市場。

向溝槽型發展最困難之處在于專利壁壘，日本廠家幾乎將有關溝槽SiC MOSFET的專利包攬，包括三菱電機、住友電氣、富士電機、東芝、瑞薩、豐田電裝都有豐富的專利，基本上你能想到的方法，日本企業都申請了專利。