碳化矽元件躍升主流 成本仍舊為發展最大障礙
作者 : Majeed Ahmad，EDN主編
今年於應用電力電子會議(APEC 2023)上，碳化矽(SiC)技術顯然已成為功率元件主流，SiC半導體在許多應用上與傳統矽(Si)搭配，如今為650V到3.3kV範圍內的高功率、高切換頻率的應用中新的解決方案...
APEC 2023主題演講的講者及研討會與會者們，解釋SiC元件在下一世代功率元件領域獨特的定位。他們強調在專業知識及學習週期上仍需發展，且對於越來越需要訓練有素的人員能熟練的將SiC元件放進功率元件系統中。現在人們一致認為，成本是SiC元件面臨最大的挑戰。
不過與此同時，大家也普遍認為成本也是應用導向的，藉由在系統端巧妙的工程設計，亦可有效降低成本。「同時，SiC技術將會持續降低單一元件的成本，」英飛凌寬能隙半導體資深總監Peter Friedrichs說。
在APEC 2023，英飛凌展示Infinitum的Aircore EC電機，其運用英飛凌的CoolSiC MOSFET製造，以輕量化的PCB取代傳統電機中重量較重的鐵，輕量化的電機體積和重量減少50%，效率提升10%，銅用量比起傳統電機，也減少66%。
意法半導體(STMicroelectronics)並展示用於快速直流充電應用電源轉換器的25kW雙主動式橋式整流器參考設計，以及用於電動車(EVs)及油電混合動力車(HEVs)、800V以上電池系統的牽引逆變器。該逆變器的產品是基於1,200V SiC MOSFET，並搭配隔離式閘極驅動器設計。
圖1：ST的快充是基於雙主動式橋式拓樸及特性的雙向充電設計。
然而，ST美國汽車功率電晶體行銷經理Gianluca Aureliano透露，公司正在開發基於SiC、不只能用在電動車領域的解決方案，還包括工業用、太陽能及火車等應用。ST於2007年推出首款SiC二極體，2014年推出SiC MOSFET，目前提供到第三代、通過車規認證的SiC元件；Aureliano也承認，成本確實是一個很大的議題，但這也是因為SiC仍屬於新的材料。
除了英飛凌、ST這類的功率半導體領導廠商，APEC 2023也是許多新SiC廠商發揮的舞台。這也證明SiC做為成長中技術的地位，以及在現有和新應用中所具備顛覆性的潛力。
新的SiC參與者
SiC在功率元件領域的前景，正吸引新廠商的加入，射頻(RF)半導體解決方案領導廠Qorvo就是一個例子。為降低對其他製造廠的依賴，Qorvo在2021年10月收購了SiC廠UnitedSiC。在APEC活動上，Qorvo展示750V的SiC場效電晶體(FETs)，其導通電阻落在5.4mΩ到60mΩ間，並採用表面貼合TO-leadless (TOLL)封裝。
Qorvo目標是將SiC元件用於空間受限的應用，比如幾百瓦到幾千瓦的交流/直流電源供應器，以及最高100A的固態繼電器和斷路器。「Qorvo鎖定的應用，是空間受限且要求低阻抗的應用，盡可能在更小的面積下輸出更大的功率。」Qorvo功率元件事業部總工程師Anup Bhalla說，「新的750V SiC FETs藉由減少終端系統傳導損耗，改善了RDS(ON)，並透過小型表面貼合封裝促進空間利用。」
圖2：Qorvo在APEC活動中展示基於750V SiC FET設計斷路器的參考設計。
為何他們看準低阻抗的應用? 是因為其產生的熱量較少。不過Bhalla補充，「讓晶片縮小跟散熱是兩回事」，當降低RDS(ON)時意味著高性能，但也會導致裝置裸晶(Die)變得更大。Qorvo則宣稱其750V SiC FETs的尺寸僅為同級產品中的一半。
另一間透過收購進入SiC領域的半導體廠，是安森美半導體(Onsemi)。他們於2016年收購Fairchild Semiconductor，藉此進入SiC領域，接著到2021年，安森美再收購了美國SiC材料生產商GT Advanced Technologies (GTAT)以強化其SiC供應鏈。
在APEC活動中，安森美推出線上模擬工具，藉以加速基於其EliteSiC元件設計的電源開發。該模擬器讓工程師透過客製化電路技術的擴充指令集，以虛擬化的形式測試及驗證SiC元件。此外，當模擬器與先進的PLECS models一起使用時，設計者無須仰賴硬體製造及測試，即可在設計初期將有意義的想法結合進產品中。
圖3：像安森美線上模擬器這類的工具，目標是要取代SiC元件昂貴的硬體測試。
與矽共存
APEC湧進許多擁有Si產品線的功率半導體廠，與此同時，他們也宣稱其在SiC同樣佔有一席之地。從英飛凌到安森美到ST，功率半導體的廠商們正在將更多的資源移轉到SiC，並持續保有資金的彈性。如做為早期進入者的英飛凌，同時就是Si IGBT的供應商，不可避免的是，他們得在Si功率元件上做出相同的努力，也得對寬能隙技術的發展週期上保持警覺性。「哪個成長會是持續性的，取決於特定的功率應用。」Friedrichs說。
Si持續在汽車功率元件市場占有70%的市場份額，不過SiC將在許多應用中取代IGBT，而這個趨勢是從2020年SiC進入為主流的電動車市場開始。然而，Si未來幾年仍可能會是主要的功率元件，兩種元件並會因各自的特性及優勢可能會共存。
英飛凌首席應用工程師Andre Christmann表示，未來五年Si仍將可能是功率元件的主流，「不過Si是保持穩定，SiC則將會持續藉由在不同現存或新的應用領域跟Si共同使用而成長。」同時，仍舊處於成長曲線起點的SiC，必須在封裝、控制、驅動器及感測器等領域強化及建立生態系。功率元件應用越來越需要封裝的解決方案，以求促進高導熱性、低寄生電感及增加額定電流時，將SiC的效能發揮到極致。閘極驅動電路則是SiC元件設計另一個重要考量點。
最後也同樣重要的，則是關鍵的成本關鍵問題與SiC晶圓交織在一起，這就需要新的晶圓廠形式跟製造基礎設施。EDN後續的文章中，將會更深入探討與晶圓相關的問題，以及它們如何推高成本。
責編：Ryan Tsai
(參考原文：APEC 2023: SiC moving into mainstream, cost major barrier，By Majeed Ahmad)
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