碳化硅MOSFET，預備起飛

行業(yè)資訊|Industry News|

2023-08-09 10:02:22 991

逆變器中600V-1200V 碳化硅MOSFET未來十年的復合年增長率為27%。

無可否認，碳化硅MOSFET是電動汽車電力電子設(shè)備未來十年的發(fā)展趨勢。該材料可提高動力系統(tǒng)效率（EV 范圍），在更高電壓下工作以實現(xiàn)更快充電，并隨著功率密度和工作溫度的增加而創(chuàng)造新材料機會，例如銀或銅燒結(jié)。

IDTechEx報告《電動汽車電力電子器件 2023-2033》深入探討了電動汽車電力電子器件，并提供了對不斷發(fā)展的半導體和封裝材料（包括 Si、SiC 和 GaN 半導體、芯片連接材料、引線鍵合、熱敏材料）的技術(shù)見解。

寬帶隙 (WBG) 半導體：用于逆變器、OBC、DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 SiC 和 GaN

20年來，Si IGBT 一直主導著中高功率器件系列，包括電動汽車電力電子器件，但正在讓位于新一代WBG 材料：SiC 和 GaN。隨著在更高溫度下運行的更小、功率密度更高的模塊的出現(xiàn)，這將從根本上影響新功率器件的設(shè)計，包括封裝材料。

SiC MOSFET 的采用是目前的主要內(nèi)容，并將迅速增長以主導市場份額。雖然 SiC MOSFET 與理論的性能差距通常小于一個數(shù)量級，反映出還有一定的進步空間，但GaN 的運行速度比其理論極限低兩個數(shù)量級，反映出巨大的長期潛力。由于技術(shù)不成熟，GaN 的商業(yè)化目前受到其低功率/電壓運行的限制，而其在電動汽車中的采用取決于這種改進。如今，塊狀氮化鎵的成本也高得令人望而卻步，但隨著*批 600V 氮化鎵逆變器開始出現(xiàn)，硅基氮化鎵將首先被采用。

OBC和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的運行功率比逆變器低得多，但 WBG 半導體仍然有益，并且在這些設(shè)備類型中的采用率相似。除了提高整體功率密度外，更高的效率還允許通過 OBC 更快地為電池充電，并減少低壓電池充電（通過轉(zhuǎn)換器）期間的能量損失，從而增加續(xù)航里程。IDTechEx 報告預測，由于功率和電壓要求較低，OBC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 GaN 市場進入時間略早于逆變器。

封裝材料和熱管理的演變

該報告比較了新一代緊湊高效的封裝結(jié)構(gòu)，旨在維持更高的功率密度和工作溫度。方法包括直接基板冷卻、帶式鍵合、直接引線鍵合、銅帶式鍵合、銀或銅燒結(jié)芯片粘接膏、集成散熱器、TIM 去除、油冷卻、雙面冷卻等。

芯片粘接材料是一個明顯的痛點，因為結(jié)溫較高，而且鉛材料的禁令導致市場轉(zhuǎn)向銀和銅燒結(jié)材料。銀燒結(jié)多年來一直處于資格認證階段，IDTechEx 相信這是一項非常有前途的技術(shù)，現(xiàn)在時機已經(jīng)到來。事實上，今天采用的納米版本已經(jīng)開發(fā)了七年多了。銅燒結(jié)材料仍大部分處于商業(yè)化階段，但有潛力提高銀燒結(jié)的性能。

另一個關(guān)鍵領(lǐng)域是引線鍵合。*代電力電子封裝采用鋁線鍵合，無需過多的力或時間即可輕松應(yīng)用于芯片。然而，鋁的表面積覆蓋率較差（<20%），并且導熱率比銅低。這導致市場轉(zhuǎn)向不同類型的銅鍵合，這帶來了新的制造挑戰(zhàn)，需要更高的鍵合功率，而此時 WBG 材料導致芯片厚度縮小并變得更加脆弱。

在熱管理方面，許多逆變器供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)消除了散熱器和基板之間的 TIM，以提高熱阻，但這并不意味著電力電子領(lǐng)域沒有 TIM 機會。許多組件仍然需要 TIM，并且 TIM 通常仍用于將模塊散熱器粘合到水-乙二醇冷板。

逆變器 IGBT 或 SiC MOSFET 模塊大多使用水-乙二醇冷卻。然而，單側(cè)和雙面冷卻選項均被使用，每種選項都有自己的優(yōu)點。使用油來冷卻電力電子設(shè)備的情況也有所增加，以消除電力驅(qū)動單元內(nèi)的大部分水-乙二醇組件，而電機和逆變器使用相同的油。雖然當前市場尚未采用這種方法，但IDTechEx 看到了這種方法的前景。

英飛凌和意法半導體一直是汽車功率半導體供應(yīng)領(lǐng)域的市場領(lǐng)導者，最近兩家公司都擴大了主要 OEM 合作伙伴關(guān)系。英飛凌已達成一項協(xié)議，從 2025 年起向 Stellantis 的一級合作伙伴供貨，價值可能超過10 億歐元。英飛凌還與大眾汽車簽訂了為期十年的供應(yīng)協(xié)議，為現(xiàn)代汽車的 800V E-GMP 平臺供貨，并與寶馬在最初的 i3 以及雷諾方面建立了歷史性的合作關(guān)系。

與此同時，意法半導體與電動汽車制造商有主要的供應(yīng)關(guān)系。根據(jù) IDTechEx 的“電動汽車 2023-2043”報告，該公司 2022 年在全球銷售的所有 BEV+PHEV 汽車中占據(jù)約 14% 的市場份額。最近，意法半導體開發(fā)了名為ACEPACK的新型SiC模塊，這是一種類似于其他主流設(shè)計的嵌入式模塊解決方案，這將有助于擴大其客戶群。由于預計需求，該公司正在擴大意大利的產(chǎn)能，現(xiàn)代汽車已選擇在即將推出的 E-GMP 車型中使用這些模塊。

其他廠商的公告也不斷涌現(xiàn)，反映出 SiC 采用的步伐。Onsemi發(fā)布了名為EliteSiC的SiC MOSFET品牌，并將供應(yīng)大眾和現(xiàn)代，Tier 1博格華納宣布將向Wolfspeed投資5億美元，Wolfspeed將從2024年起為未來的梅賽德斯-奔馳車型和捷豹路虎的下一代電動汽車供應(yīng)SiC半導體。

在最后一個投資者日，特斯拉一反常態(tài)地宣布，其目標是將未來車型發(fā)布的 SiC 利用率減少 75%。這對供應(yīng)商意味著什么？雖然該公告單獨來看有點不清楚，但 IDTechEx 預計特斯拉所有車輛的大部分電力電子設(shè)備將繼續(xù)使用 SiC MOSFET。

值得記住的是，SiC MOSFET 是在特斯拉于 2018 年發(fā)布初代 Model 3 時才大規(guī)模引入汽車行業(yè)的。目前特斯拉產(chǎn)品線中使用的逆變器設(shè)計與最初的逆變器類似。IDTechEx 預計，所宣布的減少是由于更小、更先進的 SiC 芯片實現(xiàn)商業(yè)化，以及五年的實際經(jīng)驗和對 SiC 芯片熱管理的理解而推動的。特斯拉最初的 SiC 逆變器設(shè)計也可能針對冗余（額外的芯片）進行了優(yōu)化，現(xiàn)在該設(shè)計針對成本和效率進行了優(yōu)化。

總體而言，特斯拉的聲明不會對 IDTechEx 對未來十年 SiC 逆變器采用/車輛的預測產(chǎn)生負面影響。IDTechEx 預測逆變器中600V – 1200V SiC MOSFET 在 2023 年至 2033 年期間的復合年增長率為 27%，從而使該技術(shù)能夠占領(lǐng)一半以上的市場。

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