如何增強SiC功率器件的性能與可靠性？

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 市場(chǎng)的快速增長(cháng)推動(dòng)了對下一代功率半導體的需求，尤其是對碳化硅 (SiC) 半導體的需求尤為強勁。事實(shí)上，至少在本世紀下半葉之前，SiC功率器件可能會(huì )供不應求。而隨著(zhù) SiC 襯底應用于 SiC 功率器件，襯底質(zhì)量和制造技術(shù)方面取得了哪些進(jìn)步，以提高器件性能、減少缺陷并增強可靠性？為了優(yōu)化未來(lái) SiC 功率器件的襯底特性，還需要哪些改進(jìn)和發(fā)展？

SiC的可靠性挑戰

SiC 是硅和碳的化合物，與硅相比有許多優(yōu)點(diǎn)。SiC 芯片可以在更高溫度下運行，并能有效處理更高電壓，從而增強電動(dòng)汽車(chē)的功率密度和熱管理性能，因此可以加快充電速度、延長(cháng)行駛里程，并改善整體性能。

在汽車(chē)這種高可靠性應用中，SiC的器件缺陷會(huì )造成極大的安全隱患，因此，對SiC器件的可靠性與缺陷的研究非常重要。通常來(lái)說(shuō)，影響 SiC 可靠性和器件性能的缺陷通?？梢园磭乐爻潭确譃閮煞N，分別是致命缺陷和非致命缺陷?？紤]到應用背景和造成缺陷的原因，我們需要關(guān)注SiC 襯底、SiC 研磨和拋光以及SiC 外延——這是可能導致缺陷的三個(gè)方面。

業(yè)界可能已經(jīng)解決了一般出現在襯底中和外延之后的許多致命缺陷。非致命缺陷是指通常不會(huì )導致嚴重后果，但會(huì )增加潛在風(fēng)險的缺陷。安森美 (onsemi)已開(kāi)發(fā)多種基于算法的方法，以便晶圓廠(chǎng)在處理材料的過(guò)程中篩選出有缺陷的器件。此外，我們還進(jìn)行了垂直整合，從襯底、外延和器件制造三個(gè)方面縮短反饋循環(huán)。

事實(shí)上，在業(yè)界當前主流的 6 英寸晶圓上，這些問(wèn)題已經(jīng)得到妥善解決。我們的挑戰在于將這一解決方案拓展至 8 英寸晶圓。為此，不僅要考慮與原有尺寸晶圓相同的問(wèn)題，還要考慮 8 英寸晶圓特有的翹曲和彎曲問(wèn)題。

從這個(gè)角度來(lái)看，安森美致力于不斷縮短反饋循環(huán)以提高器件的性能。此外，我們還重視針對特定應用開(kāi)發(fā)經(jīng)優(yōu)化的碳化硅技術(shù)。這意味著(zhù)我們要解決汽車(chē)、工業(yè)應用等不同領(lǐng)域的問(wèn)題，而且需要有不同的技術(shù)。

垂直整合的優(yōu)勢是什么？

正如前文所說(shuō)，垂直整合的運營(yíng)模式是安森美提高產(chǎn)品可靠性的法寶。但是，很多供應商的制造鏈往往不是垂直整合的。有些供應商提供器件，但沒(méi)有能力在內部制造 SiC 晶錠（而是從公開(kāi)市場(chǎng)購買(mǎi)晶錠和襯底晶圓）。有些供應商內部提供 SiC 晶錠，但缺乏內部封裝能力。這樣一來(lái)，汽車(chē)公司最終只能得到未經(jīng)優(yōu)化的方案，遭遇芯片過(guò)熱、電阻過(guò)高或導熱性差等問(wèn)題。而且前幾代產(chǎn)品的成本也會(huì )較高，并且質(zhì)量較低，通常含有寄生效應。

具有前瞻性思維的電動(dòng)汽車(chē) OEM 和一級供應商發(fā)現，優(yōu)化性能、降低成本和減輕風(fēng)險的更可靠方法是向垂直整合的供應商采購 SiC 功率器件。

4分鐘速覽垂直整合對于保證產(chǎn)品性能和供應的優(yōu)勢

垂直整合本質(zhì)上是晶錠、芯片和封裝三位一體的解決方案。真正垂直整合的供應商會(huì )圍繞能力、產(chǎn)能和成本進(jìn)行優(yōu)化。所謂能力，主要體現在以下幾個(gè)方面：

電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的 SiC 功率器件供應商需要具備廣泛的專(zhuān)業(yè)知識和經(jīng)驗，以滿(mǎn)足這個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)的苛刻要求。首先，他們必須對 SiC 特定的半導體材料和制造工藝有深入的了解。這包括晶體生長(cháng)、外延和晶圓加工技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)知識，以確保實(shí)現高質(zhì)量的芯片生產(chǎn)。

透徹理解電力電子和電路設計也很重要。SiC 功率器件用于高電壓和高功率應用，因此供應商必須精通電路設計和優(yōu)化技巧，以高效實(shí)現電源轉換和管理。

熱管理方面的專(zhuān)業(yè)知識同樣重要。鑒于 SiC 芯片的電流密度較高，供應商必須具備開(kāi)發(fā)高效散熱方案的專(zhuān)業(yè)知識，以使芯片保持理想的性能和可靠性。

深入了解電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的獨特要求和標準至關(guān)重要。供應商需要考慮汽車(chē)安全性、耐用性以及與其他電動(dòng)汽車(chē)元器件的兼容性等因素，確保其 SiC 功率器件滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)制造商的嚴格要求。

SiC 制造是一個(gè)復雜的過(guò)程，會(huì )引入缺陷和寄生效應。垂直整合意味著(zhù)供應商在生產(chǎn)線(xiàn)啟動(dòng)時(shí)，即在晶體生長(cháng)階段就能識別缺陷，發(fā)現有缺陷的芯片，避免其進(jìn)入后續生產(chǎn)。垂直整合供應商擁有整個(gè)SiC 鏈，因此從一開(kāi)始就會(huì )使用測試、可追溯性和質(zhì)量保證來(lái)減少早期故障。

審核編輯：劉清