碳化硅和氮化镓等宽带隙半导体推动汽车电气化

碳化硅和氮化镓等宽带隙功率半导体可减小组件尺寸、提高效率并改善混合动力和全电动汽车的性能。现在越来越多的汽车制造商押注于 SiC 和 GaN，芯片制造商正在转变他们的业务，以利用电动汽车市场的爆炸式增长。

在先进汽车技术论坛的电动汽车宽带隙半导体小组会议上，三位行业专家讨论了解决GaN 和 SiC当前挑战和未来机遇的努力。

把握电气化势头

在清洁能源领域，电动汽车市场是迄今为止最具活力的。2012 年，全球售出约 130,000 辆电动汽车。今天，这是一周内售出的电动汽车数量。

Covid-19 大流行严重影响了传统汽车市场，但并未抑制电动汽车的销售。国际能源署 (IEA) 的最新数据显示，2019 年电动汽车销量为 220 万辆，2020 年为 300 万辆，而电动汽车销量在 2021 年翻了一番多，达到 660 万辆，占全球汽车市场的近 9%。2021年全球汽车销量的净增长来自电动汽车。

根据 IEA 的数据，在政府补贴和其他激励措施的推动下，中国在 2021 年引领了全球电动汽车市场的增长，销量几乎翻了三倍，达到 340 万辆。中国政府的官方目标是到 2025 年电动汽车的市场份额达到 20%。

作为绿色协议的一部分，欧盟为自己设定了到 2050 年实现中立的雄心勃勃的目标，并决定在 2035 年后禁止销售新的化石燃料汽车。事实上，电动汽车的销量增长了近去年 70% 至 230 万。而这仅仅是开始。

不仅汽车制造商必须适应并跟上电动汽车的普及率。电源芯片供应商正争先恐后地满足对车载充电器、牵引逆变器和 DC/DC 转换器等 EV 动力总成组件的需求。

“市场正在经历一场革命，TIer 1 的角色被完全重新定义，”onsemi 汽车牵引解决方案总监 Pietro Scalia 说。“半导体厂商有一个很好的机会来加强并抢占优势领域，因为这一切都与系统有关。”

根据英国研究公司 IDTechEx 的数据，每辆电动汽车对半导体的需求约为内燃机汽车的 2.3 倍。到 2022 年，按照目前的发展轨迹并假设没有供应限制，IDTechEx 预测，与没有电气化的情况相比，汽车行业的电气化（BEV、PHEV、FCEV、HEV、48 V）将需要额外价值 74 亿美元的半导体材料。

然后出现了一个问题：面对半导体短缺，电气化是否可持续？

“如果你想让你的车队电气化，你不能在一年内做到；你需要五到十年，”斯卡利亚说。“原始设备制造商正在签订长期协议——不仅是商业协议，还有技术协议。客户想知道我们的路线图，了解从现在起三年后比电阻的品质因数会达到什么水平，因为今天他们购买了某种性能的芯片，但他们肯定需要更新他们的电源模块。”

除了与原始设备制造商的持续互动外，斯卡利亚还强调，强大的供应链是“必不可少的”，而多大陆采购“非常重要”。

总部位于凤凰城的 onsemi 声称，其SiC MOSFET和SiC 二极管目前用于电动汽车，并且与世界各地的汽车 OEM 都有合作项目。

“毫无疑问，碳化硅晶圆短缺阻碍了 [EV] 市场的增长，”意法半导体 (ST) 功率晶体管宏部门战略营销经理 Filippo Di Giovanni 说。为解决全球产能限制并实现基板设计和内部生产，ST 在 2019 年底以 1.375 亿美元收购了瑞典 SiC 晶圆制造商 Norstel。然而，建立大批量基板产能需要时间，Di Giovanni 表示 ST 已经与合作伙伴签署了“价值数亿美元的大型战略供应合同，以获得连续性和获得基板的机会。” 目标是到 2025 年“至少有 40% 的基板需求在内部生产”。

在这些不确定的时期，建立制造和供应链的d性是当务之急。由于需求主要集中在两个世界地区，ST 的 Di Giovanni 表示：“我们的产能增长非常快，在非常靠近中国的新加坡开设了第二家生产工厂……并在非常靠近欧洲的地方引入了第二条装配线，在摩洛哥，卡萨布兰卡。”

Nexperia 还倾向于采用双重采购方法来降低供应链风险。“在汽车行业，您需要双重采购，这就是我们拥有欧洲资源和远东资源的原因，”Nexperia 功率 GaN 技术战略营销总监 Dilder Chowdhury 说。

过渡到 8 英寸晶圆

下一代电动汽车将需要满足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等严格要求的技术。SiC 和 GaN 功率半导体为汽车制造商提供了有前景的解决方案，并且正在从 150 毫米（6 英寸）到 200 毫米（8 英寸）晶圆生产过渡。

虽然增加晶圆尺寸会显着降低组件的单位成本，但它在消除缺陷和提高交付半导体的可靠性方面提出了重大挑战。

7 月，意法半导体宣布已在其位于瑞典诺尔雪平的工厂制造了第一批 8 英寸 SiC 体晶片，用于下一代功率器件的原型设计。该公司声称，这些初始晶圆具有“高质量，对产量的影响和晶体位错缺陷最小”。

ST 目前在其位于卡塔尼亚（意大利）和宏茂桥（新加坡）的工厂的两条 6 英寸晶圆线上生产 STPOWER SiC MOSFET，并在其位于深圳（中国）和 Bouskoura（摩洛哥）的后端工厂进行组装和测试. “现有的处理 6 英寸晶圆的设备也可以处理 8 英寸晶圆，”Di Giovanni 说。“切换到 8 英寸会很顺利，并不意味着要购买全新的设备。”

同样，Scalia 表示，Onsemi 目前生产 6 英寸晶圆，因为“这是市场标准”。然而，该公司于 2021 年 11 月收购了 GT Advanced Technologies (GTAT)，旨在投资扩大 GTAT 的制造设施，支持研发工作以推进 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶体生长技术。“GTAT 正在研究 8 英寸，我们已经在测试材料，”他说。“这不是一次轻松的步行，但这是一次必要的步行。我们都需要 8 英寸。”

GaN晶圆生产也正在转向8英寸。

“GaN [晶圆] 目前采用 6 英寸，但我们计划将 [它们] 转换为 8 英寸，我们相信产量的增加和我们的 8 英寸过渡将与我们在市场上看到的时间表兼容， ”乔杜里说。

另一方面，英飞凌和松下最近宣布，他们正在开发第二代 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆，将于 2023 年推出。

同样，总部位于中国苏州的 Innoscience 有两个晶圆厂专门用于制造 8 英寸 GaN-on-Si 器件，并生产适用于各种应用和电压的常关（e 模式）GaN 器件——低电压（低至 30 V ) 和高电压（高达 650 V）。Innoscience 表示，目前的产量为每月 10,000 片，但到今年年底将达到每月 14,000 片，到 2025 年将达到每月 70,000 片。

延长电池续航里程

牵引逆变器将来自车辆电池的能量转换为驱动动力总成电机。它直接影响车辆的驾驶性能、续航里程和可靠性，尤其是由于其重量和尺寸。

“碳化硅在汽车电气化中如此重要的主要原因是它在牵引逆变器中的作用，”迪乔瓦尼说。“由于效率的大幅提高，一辆给定的汽车可以行驶更远的距离。”

Di Giovanni 补充说：“设计师有可能减少对冷却系统的限制。冷却系统是车内最昂贵的部件之一，特定驾驶员可以驾驶汽车更长距离的事实将有助于缓解基本上困扰电动汽车潜在购买者的所谓里程焦虑。”

Nexperia 一直与汽车工程公司 Ricardo 合作开发基于 GaN 技术的电动汽车牵引逆变器。Chowdhury 说：“我们看到了在相同电池功率下扩展续航里程的好处，或者我们可以减小相同续航里程的电池尺寸。”

解决热管理问题

为了利用宽带隙半导体的潜力，设计人员必须估计使用这些材料所固有的挑战。通过在更高的开关频率和功率密度下工作，可以减小无源元件（电感器和电容器）的尺寸并构建更轻、更小的系统。但是，可能会出现热管理问题。

“不用说，材料创新应该与包装创新齐头并进，而不是浪费或抵消新材料带来的巨大改进，”Di Giovanni 说。例如，意法半导体的 ACEPack“允许客户使用银烧结技术将此封装安装到散热器中。不仅芯片通过银烧结连接到封装上，而且背面的处理方式也可以使用相同的技术安装到散热器上，我们知道银烧结远远优于焊接技术热阻和长期可靠性。”

意法半导体和法国汽车制造商雷诺还就意法半导体的电池驱动和混合动力汽车电力电子系统的产品和相关封装解决方案的设计、开发、制造和供应建立了合作伙伴关系。“我们正在开发下一代 SiC 和 GaN 功率模块和器件，以满足他们在未来推出电动汽车的雄心勃勃的计划，”Di Giovanni 说。Chowdhury 表示，基于其在使用铜夹技术方面的经验，Nexperia 开发了 CCPAK 表面贴装封装来替代内部键合线并最终“获得更好的散热效果”。由于 GaN 的高热性能，“关键是要获得高密度功率耗散以及 PIN FIN 技术等冷却系统。”