SiC MOSFET 沟槽栅结构在降低导通电阻的同时,确实让栅氧化层变得更脆弱,这是功率器件大规模上车面临的核心可靠性风险之一。结合车规级验证的严苛标准、衬底一致性问题引发的参数漂移隐患,以及当前碳化硅晶圆产能爬坡缓慢的现状,SiC MOSFET 大规模上车的不确定性主要集中于器件可靠性验证、供应链稳定性与工艺良率三大维度。
沟槽栅的可靠性挑战
碳化硅 MOSFET 的设计正从平面结构向沟槽结构演进,沟槽栅能显著降低导通电阻,以罗姆(Rohm)公开的数据为例,其第三代沟槽型 SiC MOSFET 在 1200V 与 650V 下的导通电阻,均约为第二代平面型的二分之一。然而,沟槽结构会让栅氧化层变得脆弱,这是其固有短板。虽然英飞凌(IFX)声称其沟槽结构与其他厂商不同并完成了多项可靠性测试,但在碳化硅领域作为后来者,其封装难度远大于 IGBT,最终能否满足车规要求,仍需参考整车厂的验证结果。
衬底一致性与参数漂移风险
特斯拉曾在今年早些时候因“后电机逆变器功率半导体元件异常”召回一批 Model 3。虽然无法证实该问题是否直接源于碳化硅,但景顺基金经理杨锐文在路演中分析,问题很有可能是衬底一致性问题导致的特定参数漂移,最终引发单管一致性差异。特斯拉自 2018 年率先在 Model 3 上使用碳化硅模块,并采用自研 TPAK 封装,外采意法半导体(ST)的裸芯片,而意法的大部分衬底来自 Wolfspeed(Cree)。这一事件一定程度上显示出碳化硅产品尚有不稳定之处,需要更多可靠性试验来验证。
产能与供应链瓶颈
当前 IGBT 已能做到 12 寸线,但碳化硅的主流仍是 6 寸线,克里(Cree)的 8 寸线仍在扩产且需要大量时间。晶片越大,单片产出的芯片(Die)越多,若碳化硅晶圆厂迟迟无法扩到 8 寸,碳化硅晶圆将面临供货不足的窘境,降本进程也会相对滞后。此外,国内厂商在碳化硅领域的技术重心仍以 IGBT 为主,碳化硅模块出货量较大的比亚迪、斯达等,也是采购意法(ST)、博世(Bosch)或克里(Cree)的晶片后自行封装。国内厂商在成品阶段大部分只能做成二极管,对工艺要求更高的 MOSFET 管仍显吃力——二极管市场已成红海,而 MOSFET 市场仍是蓝海,谁能率先实现碳化硅 MOSFET 的稳定量产,谁就能抢占先机。
常见问题
沟槽栅 SiC MOSFET 是否无法通过车规验证?
沟槽栅的栅氧化层脆弱性使其可靠性面临挑战,但并非定论。英飞凌等厂商声称已完成大量可靠性测试,最终能否通过车规验证,取决于工艺进步与整车厂的实际验证结果。
特斯拉召回事件是否确认是碳化硅的问题?
特斯拉的召回公告仅提及“后电机逆变器功率半导体元件异常”,并未确认是碳化硅所致。业内分析认为可能是衬底一致性问题引发参数漂移,但这属于推测性观点,尚无定论。
碳化硅 MOSFET 大规模上车的主要瓶颈是什么?
主要瓶颈有三:一是沟槽栅可靠性仍需验证;二是衬底一致性与参数漂移问题可能影响器件一致性;三是晶圆产能不足——碳化硅主流仍是 6 寸线,8 寸线扩产缓慢,供货紧张与降本滞后并存。