有关“特斯拉将减少75%的碳化硅用量”的进一步思考

作者：Stephen Russell

在特斯拉2023年3月举办的投资者日上，特斯拉宣布了对其电动汽车制造的多项优化。从功率半导体的角度来看，其中最引人注目的是打算将未来汽车中碳化硅(SiC)的用量减少75%。

特斯拉动力总成工程副总裁Colin Campbell表示:“这些封装内的碳化硅晶圆可以小得多。碳化硅是一种神奇的半导体，但它也很昂贵，而且很难规模化。”在第二天的早盘交易中，Wolfspeed的股价下跌了12%，意法半导体和onsemi的股价跌幅都超过了5%。这对碳化硅制造商的投资者来说有多糟糕?

TechInsights随后很快发布了评论视频[1]，讨论了SiC器件的优势，并重申了我们的信息，即碳化硅是电动汽车传动系统的未来。值得注意的是Colin Campbell表示——“碳化硅是一种神奇的半导体”。人们希望减少碳化硅的用量，不是因为它有问题，而是因为它昂贵和稀缺，碳化硅的芯片短缺尚未结束，长期需求不太可能减弱。

在未来十年及以后，规模经济将继续降低碳化硅器件的成本，主要驱动因素是器件制造向8英寸碳化硅晶圆的过渡。有许多方法可以通过优化单个芯片和周围封装来减少电动汽车中的碳化硅量，我们将在这里深入研究。

碳化硅晶片的改进

意法半导体是一家老牌的碳化硅器件制造商，之前获得了许多来自特斯拉电动汽车的订单，所以我们以他们的产品为例。在2022年底，意法半导体发布了他们的第三代STPOWER SiC MOSFET，TechInsights已经对SCT040H65G3 650 V 40 mOhm产品[2]，Power essentials分析[3]以及工艺流程分析[4] / 完整仿真（PFA/PFF）进行了全套逆向工程分析。在SCT040H65G3内发现的I693晶片可以在图1中看到。

图1：在 SCT040H65G3发现的意法半导体I693芯片

TechInsights在早前发布的一篇功率半导体博客[5]中详细讨论了与上一代相比的改进。在结构上，该器件类似于stripe cell配置中的平面多晶硅栅极布局，然而值得注意的一点是，从第二代到第三代产品的特定导通电阻降低了约40%(当归一化到MOSFET有源阵列区域时)。

这大致相当于相同电流额定值所需的碳化硅减少了40%。这是使用稍微保守的平面多晶硅栅极阵列的缩小电池来实现的。如果意法半导体转向沟槽设计，甚至可以做出进一步的改进，尽管平衡设备的稳健性对汽车应用至关重要。即使是保守的布局选择，下表将意法半导体第三代产品与其第二代产品和其他领先竞争对手的产品进行基准比较，也表明它可以与市场上最好的产品相媲美。

一个相关的SiC MOSFET器件改进是高电流芯片的可用性。在特斯拉model 3发布后的几年里，缺陷密度和器件良率都有了显著提高。因此，如果model 3使用的是50安培的器件，那么转向100安培的器件将是一个合乎逻辑且安全的步骤。事实上，意法半导体甚至将一款300安培的汽车合格产品列为其第三代产品系列的一部分。

定制封装解决方案和其他途径

Colin Campbell还讨论了特斯拉是如何设计他们自有的热优化封装的。细节尚未公布，但原则上这意味着内部的碳化硅器件可以更好地驱动。注意意法半导体的第三代SiC MOSFET的额定温度已经达到200摄氏度，这是市场上最高的，超出了硅的能力。碳化硅材料可承受500℃的高温，所以这里有很大的增长空间，实际上是触点、互连和封装在这个时候真正限制了碳化硅器件的温度能力。

TechInsights发布了一份关于意法半导体“ACEPACK SMIT”封装的报告。其中发现的陶瓷衬底是基于氧化铝的，这是常见的功率模块封装，尽管我们观察到越来越多地使用高导热性替代品，如在英飞凌的FS03MR12A6MA1LB“HybridPACK”模块和通用电气的GE12047CCA3半桥封装中看到的氮化硅。

图2显示了通用电气GE12047CCA3 1200 V SiC半桥模块的横截面，该模块具有活性金属钎焊(AMB)氮化硅基衬底和AlSiC基板，其他值得注意的创新包括使用铜再分布层(RDL)的扇出互连，而不是传统的称为“功率覆盖”(POL)技术的打线键合（wire bond）。

图2 ：通用电气 GE12047CCA3 SiC半桥模块的光学显微镜横截面

我们甚至观察到高端模块中的氮化铝衬底针对高温应用进行了优化，例如我们去年分析的Cissoid CHT-PLUTO-B1230，如图3所示。

图3 Cissoid的 CHT-PLUTO-B1230 SiC模块的光学显微镜横截面

高导热陶瓷基板只是功率器件封装的创新之一，它能够实现更高的温度能力和更高的电流密度。这似乎可能是特斯拉在未来封装解决方案中采取的路线之一。

还有更多新的方法来还原碳化硅。尽管MOSFET具有自己的内部体二极管进行反向传导，但SiC MOSFET通常与额外的碳化硅肖特基二极管一起封装在模块配置中，以提高稳健性(也许并不总是在主电动汽车逆变器中，但在其他组件中，高频操作可能是有益的，例如车载充电器)。

东芝是第一家将肖特基二极管集成到有源SiC MOSFET阵列的碳化硅制造商，如图4中东芝TW015N65C第三代SiC MOSFET的横截面所示。SanRex等其他公司也纷纷效仿，采用了松下的“DioMOS”技术。这些解决方案增加了SiC MOSFET芯片尺寸，但减少了系统级所需的碳化硅SiC总量。

图4集成肖特基二极管的东芝SiC TW015N65C MOSFET的SEM截面

总结和市场展望

在这里，我们概述了一些途径，从创新的角度来看，可以实现75%的SiC减少。

最后一点要注意。特斯拉估计，下一代电动汽车每辆车的碳化硅用量将减少75%(不影响目前的生产车型)，有传言称，这是一款功率更低的“经济”车型，无论如何都会配备更小的电机。但他们还计划将电动汽车的产量增加到每年2000万辆，大约增加20倍。更不用说越来越多的新进入者在电动汽车市场上使用碳化硅。

特斯拉在制造的许多方面都是创新者，真正开创了碳化硅的使用，而Si IGBT仍然主导着今天的整体市场，未来十年碳化硅对这个市场的渗透将继续快速增长。我们已经在市场上采取了一种混合的方法，TechInsights预测，到2029年，碳化硅的渗透率将接近38%左右。订户可以在TechInsights平台上访问2020年至2029年至2023年1月的全球xEV系统，半导体和传感器需求预测[6]，以进一步分析电力电子技术组合。