sic功率芯片，SiC功率器件降低成本以推动采用

很多朋友对sic功率芯片，SiC功率器件降低成本以推动采用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

碳化硅(SiC)行业发展迅速，为21世纪的许多应用提供了高效、紧凑的电力电子解决方案。电动汽车(EV)市场是一个关键应用，首先是特斯拉，现在其他公司也在其动力系统逆变器中采用了SiC。市场上销售的600-1，700 V SiC器件是众所周知的，它为传统的硅(Si)功率器件提供了快速开关和宽带隙替代方案。

尽管包括开关速度和高温能力在内的技术优势现在已广为人知，但成本仍是一个问题。PGC咨询公司分析了SiC裸片的成本。在这篇文章和以后的文章中，他们将解释高成本背后的原因，以及可以采取哪些措施来降低价格。他们还提供了一个关于成本的长期观点，即电动汽车销售可能在本世纪末主导汽车行业。碳化硅的成本

根据PGC咨询公司的数据，2021年9月，100 A分立SiC MOSFET(650 V和1200V)的零售价格几乎是同等Si IGBT的三倍。虽然SiC器件的占用率低3到4倍，但是晶片上的区域被处理。

造成这个成本的原因有几个：主要贡献者是SiC衬底，可以肯定这种情况还会持续一段时间。这是因为直拉法被用于生产高质量的硅晶片，其中一米长的硅锭是从500的熔融硅池中提取的。生产SiC的升华过程需要大量的能量达到200C，最终可用的锭长不到25mm，生长时间很长。

结果，与Si相比，SiC晶片的成本增加了30至50倍。相对于SiC衬底的成本，外延(在衬底表面生长SiC器件的高质量层)和制造成本等其他成本更低。然而

正如PGC咨询公司指出的，另一个需要考虑的事实是制造的每个阶段的效率，我们也在这里讨论过。产量与从晶锭中取出的不可用晶片的数量以及外延和制造后不可用管芯的数量有关。制造后影响芯片良率的主要因素之一是材料的质量，包括导致无法制造器件的一系列缺陷以及其他影响可靠性的不太明显的缺陷。

正如PGC咨询公司指出的，制造中的另一个问题是MOSFET栅氧化层的可靠性。

图1:SiC MOSFET芯片的成本明细，基于2021年在150mm基板上制造的同类最佳1，200V/100 A器件。图1显示了SiC MOSFET芯片的成本明细，输出来自2021年在150mm基板上制造的同类最佳1，200V/100 A商用器件。这两个栈类似于两种模式的基板供应，大部分以市场价购买基板的公司都是和垂直整合的公司进行比较，所以他们可以自费供应基板。所有其他费用被认为是相等的。

折旧成本因公司而异，需要单独分析。但随着公司投资实现200mm产能，这一比例还会增加。如有必要，设备的包装是应该考虑的额外成本；不过这个成本和硅基设备没什么区别。降低SiC成本

让我们来看看PGC咨询公司详细介绍的未来十年降低成本的贡献者。现在的SiC器件主要是在150 mm直径的衬底上开发的。Wolfspeed和GT Advanced Technologies(在被onsemi收购之前)宣布了在2022年将尺寸升级到200mm的提议。这将有可能在单次制造操作中多生产大约1.8倍的设备，从而降低制造成本。然而，PGC咨询公司并不认为这种升级会显著降低基片部分的芯片成本。

就像之前从100 mm过渡到150 mm看到的，成本可能和面积成正比，但是随着技术的成熟和竞争的加剧，成本会稳步下降。

至少在发展初期，从200mm晶圆取的芯片成本可能会比150mm晶圆略高，但晶圆良率、外延良率、芯片良率的优化很快就会发生。经过短期开发，200 mm晶圆的缺陷密度可能会降低，制造成本也会降低；这可能导致早期这些晶片直径之间的锥形过渡。

如Wolfspeed的Mohawk Valley晶圆厂平面图所示，200 mm晶圆的加工并不简单，需要高度自动化的专业工具。然而，从长远来看，这项投资将偿还成本，因为它将使人们远离加工，尽可能降低成本，预计这将对产出产生积极影响。最后，在基板方面，越来越多的公司希望在“垂直整合”的公司中供应自己的基板，以了解对成本的影响(见图1)。

因为很少有芯片厂商能完全自主供货，这就给了那些能自主供货的厂商竞争优势。

除了衬底，PGC咨询公司认为，在降低每一代SiC MOSFET的电阻和成本方面，器件设计的改进同样重要。欧姆定律规定，单位面积电阻的任何减小都会导致电流密度的增加。这意味着可以在保持给定额定电流的同时减小芯片面积。而更小芯片的排热问题意味着热阻的变化不可忽略，所以芯片面积与其电阻和热阻的平方根成正比。

因此，电阻减少50%将导致芯片的有效面积减少29%。更小的芯片尺寸不仅增加了每个晶圆的生产量，还提高了成品率。

PGC咨询公司的SiC成本预测模型基于2021年同类别中最好的1200V/100 A器件，如图2所示。模型的三个输入如上图所示；基于这些假设的估计费用如下。所有数据都标准化为2022年150 mm芯片的已知或估计成本。最好和最坏的情况由上限和下限表示。

2022年和2027年，预计将有两代(第4代和第5代)，预计每一代将带来45%的抗性降低，最差可达40%，最好可达50%。如前所述，由于面积根据电阻的平方根减小，电阻减小40%至50%将导致有源器件面积减小23%至29%。初始芯片尺寸基于同类最佳产品1、200V/100A MOSFET(截至2021年9月)。

显示的输出是采用200mm和150mm衬底的1200V/100 A MOSFET芯片的预期成本，显示基本、最佳和最差情况。

图2：PGC Consultancy SiC 成本预测模型，基于2021 年同类最佳1，200-V/100-A 器件。以上是模型中使用的三个输入；以下是预计的模具成本。所有数据都标准化为2022 年已知或估计的150 毫米值。上限和下限代表最佳/最坏情况。

根据这些假设，到2030 年，在200-mm 基板上制造的1，200-V/100-A MOSFET 芯片的成本与今天基于150-mm 基板的成本相比可能降低54%。

总之，PGC Consultancy 的模型表明，改用200 毫米基板不太可能立即降低芯片成本。然而，一旦推出200mm 基板，基板质量的持续改进，加上器件设计的持续增量收益，将使SiC 在未来变得更具成本竞争力。

审核郭婷

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