安森美加速碳化硅创新，助力电气化未来
一直以来，硅是半导体行业的主要材料，从微处理器到分立功率器件，无处不在。随着汽车和可再生能源等领域对现代电力需求应用的发展，硅的局限性变得越来越明显。这时，宽禁带（WBG）材料，包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的诞生，让行业内看到了新的曙光。
随着市场对高效、绿色产品的热衷，以电动汽车为代表的新一代消费火热，也使得碳化硅越来越成为市场炙手可热的卖点。在碳化硅的发展进程中，安森美半导体凭借独特的设计和制造能力，逐渐在业界站稳脚跟。安森美碳化硅得以迅速增长的原因是什么？安森美如何突破碳化硅制造等过程中存在的各种挑战？安森美在碳化硅方面是怎样布局的？近日，中电网采访了安森美电源方案事业群资深产品专家Mrinal Das 博士分享了关于安森美碳化硅的点点滴滴。
安森美电源方案事业群资深产品专家Mrinal Das 博士
电气化的未来离不开先进的功率半导体，作为第三代功率半导体材料碳化硅技术的发展前景怎样？
碳化硅（SiC）作为一种先进的第三代功率半导体材料，凭借其卓越的性能如高击穿电场强度、优秀的热导率和高饱和电子漂移速度，在电气化进程中扮演着关键角色，尤其在电动汽车、可再生能源发电、AI服务器供电等领域，碳化硅能够显著提高系统的效率和可靠性，同时减小设备的体积和重量。
随着全球对高效能电子解决方案需求的增长，碳化硅技术不仅符合当前电气化发展的需求，还具备巨大的市场潜力和发展前景，市场正经历快速扩张。安森美（onsemi）正通过不断的技术创新和研发投入，推动碳化硅技术的成本下降和性能提升，加速其在各个行业的应用。
哪些行业和应用对功率半导体材料的应用较高？尤其是碳化硅方面。
功率半导体材料尤其是碳化硅，在多个行业和应用中展现出了极高的价值，主要集中在那些需要高效电能转换和控制的领域。
电动汽车是碳化硅应用的主要推动力之一。在电动汽车中，碳化硅器件用于主驱逆变器、车载充电器（OBC）和直流-直流转换器等关键部件，碳化硅材料的高效率和高耐温性有助于提高车辆的整体性能，增加续航里程，同时减轻重量和减少空间占用。
在风力发电和太阳能发电系统中，碳化硅器件用于功率转换器和逆变器，帮助提高能量转换效率，减少系统损耗。这些应用对于提高可再生能源的竞争力至关重要，尤其是在追求低碳和可持续发展目标的背景下。
工业自动化设备如AI服务器、伺服驱动器、变频器和不间断电源（UPS）等，同样受益于碳化硅器件的高性能，碳化硅可以提供更快的开关速度和更高的耐压能力，使得工业设备更加高效、可靠。
碳化硅的材料、器件以及封装技术有哪些特殊性，在设计和制造过程中，如何突破障碍推出高性能产品？
首要挑战是较高的成本，这源于SiC晶圆生长及加工的难度，其次是制造工艺上的复杂性，SiC材料的高硬度使得加工处理更为困难。此外，在极端操作条件下的长期可靠性仍需进一步验证，尽管SiC具有优良的热导率，在高功率密度应用中的有效散热依然是设计中的一大考量，必须确保有高效的冷却系统支持，以维持器件的最佳性能和延长使用寿命。
针对上述挑战，安森美认为随着8英寸晶圆技术的成熟和成本的降低，SiC器件的市场主流将从6英寸转向8英寸，而SiC产品的性能也将持续提升，如安森美通过不断改进SiC MOSFET的结构，减少导通电阻和开关损耗，提高器件的工作效率和可靠性，以满足新能源汽车、充电桩、光伏新能源等领域的高要求。在产业链方面，规模化生产将成为SiC产业链的重要发展方向，并且未来SiC产业链将更加注重垂直整合，实现产业链的优化配置，提高整体竞争力。
以SiC MOSFET芯片技术的创新为例，安森美平面栅SiC MOSFET从最早的M1和M2已经迭代到M3s和M3e，主要的技术变化在于元胞结构从四边形和六边形，变成了元胞间距更小的条形结构，M3e的元胞长度相比M1平台缩小了65%，并通过晶圆减薄工艺，降低了导通电阻。安森美的M3e产品在值得信赖且经过现场验证的平面架构上，实现了导通和开关损耗的显著降低。与前几代产品相比，M3e平台的导通损耗降低了30%，关断损耗降低高达50%，而且具有非常低的导通电阻和短路能力。通过结合安森美最先进的分立和功率模块封装技术，在相同的主驱逆变器外壳中，M3e输出功率约提升20%，或者可以减少20%的SiC用量来达成同等功率水平，进而节省成本，并实现更小、更轻、更可靠的系统设计。
安美凭借碳化硅技术推出了哪些先进的解决方案助力碳化硅的发展？
凭借独特的设计和制造能力，安森美最新推出的EliteSiC M3e MOSFET 在可靠且经过实际验证的平面架构上显著降低了导通损耗和开关损耗。与前几代产品相比，该平台能够将导通损耗降低30%，并将关断损耗降低多达50%。通过延长SiC平面MOSFET的寿命并利用EliteSiC M3e 技术实现出色的性能，安森美可以确保该平台的坚固性和稳定性，使其成为关键电气化应用的首选技术。由于能够在更高的开关频率和电压下运行，该平台可有效降低电源转换损耗，这对于电动汽车动力系统、直流快速充电桩、太阳能逆变器和储能方案等广泛的汽车和工业应用至关重要。此外，EliteSiC M3e MOSFET 将促进数据中心向更高效、更高功率转变，以满足可持续人工智能引擎指数级增长的能源需求。
针对直流快速充电站和储能系统应用，安森美推出了采用F5BP封装的最新一代硅和SiC混合功率集成模块(PIM)，在减少尺寸的同时，将输出功率提高了15%，助力太阳能发电和储能的发展。F5BP-PIM集成了1050V FS7 IGBT和1200V D3 EliteSiC二极管，实现高电压和大电流转换的同时降低功耗并提高可靠性。
此外，还有应用于电动汽车的主驱逆变器的VE Trac系列功率模块和分立器件，以及安森美提供超过120款SiC二极管和上百款SiC MOSFET，工作电压覆盖650至1700V，适用于高压系统，如800V电动汽车架构，能够提高充电速度和系统能效。
在封装和散热技术上，安森美提供直接散热技术和创新封装，如塑封压铸模封装（TMP），以提高可靠性，减少杂散电感，并支持双面散热，适用于需要高效散热的应用。此外，还提供半桥功率集成模块，支持更高的电流共享和热分布。同时，安森美也为SiC MOSFET提供专用栅极驱动器，如NCP51705，具备高设计灵活性和集成度，支持快速开关应用，具有热关断保护、欠压保护等高级功能。
完整的碳化硅供应链离不开研发和生产、制造，安森美在这些方面做了哪些布局？
安森美在碳化硅供应链的各个环节进行了全面布局，从研发到生产制造，确保了从原材料到最终产品的全流程控制。自2004年起，安森美就开始进行碳化硅器件的研发，积累了丰富的经验和专业知识。公司持续投入大量资源进行新材料、新工艺和新器件结构的研究，以不断提升碳化硅器件的性能和可靠性。2021年，安森美收购了GTAT，这是一家在碳化硅晶体生长技术方面具有领先地位的公司。这次收购使安森美获得了从晶体生长到器件制造的完整技术链，进一步加强了其在碳化硅领域的竞争优势。
在生产与制造上，安森美是目前为数不多具有端到端垂直整合能力的大型SiC供应商，包括SiC晶锭生长、衬底、外延、晶圆制造、同类最佳的集成模块和分立封装解决方案，并积极加速对SiC衬底和外延进行扩产，包括在美国哈德逊、捷克Rozov、韩国富川等工厂的扩建，将使产能提高，致力为客户提供关键的供应保证。同时，安森美也在积极推进从6英寸工艺提升到8英寸工艺。
在技术合作与生态建设上，安森美与多家行业领先的企业和研究机构建立了战略合作关系，共同推进碳化硅技术的发展，同时积极参与碳化硅生态系统的建设，提供完整的解决方案和技术支持。此外，安森美还推出了多种参考设计、仿真工具和开发套件，帮助客户快速开发和验证碳化硅应用。通过这些全面的布局和持续的努力，安森美不仅确保了碳化硅供应链的稳定和高效，还推动了碳化硅技术的不断创新和广泛应用。
