碳化硅功率器件从二极管到Mos管的关键拐点,一是结构从平面栅向沟槽栅的演进,二是工艺成熟度跨越车规可靠性门槛。前者决定了器件的性能上限,后者决定了能否大规模商用——只有同时跨过这两道坎,碳化硅Mos管才真正从“实验室样品”走向“增量市场主力”。
从二极管到Mos管:两个技术拐点
碳化硅功率器件的发展,首先体现在结构代际上。早期碳化硅Mos管和IGBT一样采用平面栅结构(DMOS),随着技术导入,设计逐步转向沟槽栅(UMOS)。以罗姆(Rohm)公布的数据为例,其第二代平面栅产品与第三代沟槽栅产品在导通电阻上存在代际差异——沟槽栅结构能显著降低导通电阻,这也是行业公认的演进方向。
但沟槽栅并非没有代价。沟槽结构会使器件内部的氧化层变得脆弱,可靠性成为关键考验。能否通过车规级验证,取决于工艺进步的速度。英飞凌虽声称其结构与别家不同并做了大量可靠性测试,但在碳化硅领域属于后来者,最终仍需参考车厂的验证结果。
车规导入:从技术验证到市场引爆
车规应用是碳化硅Mos管商业化的催化剂。特斯拉在Model 3上率先使用碳化硅模块,其供应链模式颇具代表性:特斯拉自主设计TPAK封装,对外采购裸芯片,官宣合作伙伴为意法半导体(ST),而意法的大部分衬底来自Wolfspeed(原Cree)。这种“自主封装+多厂家供芯片”的模式,推动了碳化硅器件从单一验证走向规模化导入。
值得注意的是,车规应用也暴露了碳化硅的成长烦恼。特斯拉曾因“后电机逆变器功率半导体元件异常”召回部分Model 3,有观点认为可能是衬底一致性问题导致参数漂移——这恰恰说明碳化硅产品仍需更多可靠性试验来打磨。
国内产业现状:二极管先行,Mos管待突破
国内企业的布局呈现出明显梯度。目前国内厂商重心仍在IGBT领域,碳化硅模块出货较多的比亚迪,实际采购意法或博世的晶片后自行封装;斯达同样采购克里(Cree)晶片进行封装。封装环节本身不可小觑——为发挥碳化硅性能,封装必须重新设计。
但在成品端,国内厂商大部分只能做成二极管,对工艺要求更高的Mos管仍显吃力。这一格局导致碳化硅市场出现分化:二极管领域竞争激烈,已是红海;而Mos管领域因原来完全是国外厂商主导,成为名副其实的增量蓝海。此外,晶圆尺寸也是制约降本的关键——碳化硅主流仍是6寸线,8寸线尚在扩产,晶片越大单片产出芯片越多,扩产进度直接关系到供货能力与成本下降节奏。
常见问题
沟槽栅比平面栅好在哪?
沟槽栅结构能显著降低导通电阻,提升器件性能。但沟槽结构会让氧化层变脆弱,可靠性是最大挑战,能否满足车规要求取决于工艺进步。
为什么说碳化硅Mos管是蓝海市场?
国内厂商大部分只能做碳化硅二极管,工艺要求更高的Mos管尚难突破,该市场原先完全由国外厂商主导,属于增量市场。
碳化硅Mos管商用还面临哪些制约?
一是可靠性验证仍需时间,二是晶圆尺寸从6寸向8寸扩产需要大量时间,直接影响供货能力和降本节奏。