后來(lái)居上，躋身全球前三 ｜ onsemi彰顯SiC技術(shù)領(lǐng)先力

SiC的市場(chǎng)前景已經(jīng)毋庸置疑，從光伏、儲(chǔ)能到電動(dòng)汽車，無(wú)不推動(dòng)著SiC的用量激增。根據(jù)Yole Intelligence最新發(fā)布的2023年版功率SiC報(bào)告，預(yù)計(jì)到 2028 年，全球功率SiC器件市場(chǎng)將增長(zhǎng)至近90億美元，比2022年增長(zhǎng)31%。汽車應(yīng)用在SiC市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，占到70%。

在看到了其中蘊(yùn)含的確認(rèn)性的巨大機(jī)遇后，國(guó)際一線芯片供應(yīng)商紛紛投身其中，展開了一場(chǎng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的競(jìng)逐和生產(chǎn)制造上的豪賭。而在這一場(chǎng)浪潮中，onsemi成為了最大贏家。從2021年的全球市場(chǎng)份額排名排名第五，到2022年排名第四，再到2023年排名第二，全年銷售額達(dá)到了8億美金。onsemi在SiC領(lǐng)域是一路高歌猛進(jìn)，直沖云霄。

尤其是在近兩年的行業(yè)逆行周期中、來(lái)自工業(yè)和汽車的需求遇冷的前提下，能夠取得如此的成績(jī)，實(shí)屬令人贊嘆。而這成績(jī)背后，是來(lái)自產(chǎn)品、制造、應(yīng)用方案和投資策略等多個(gè)維度的領(lǐng)先。

近日onsemi開啟了以“碳”路先鋒技術(shù)日暨碳化硅和功率解決方案系列全國(guó)巡回研討會(huì)，我們參加了首站北京的活動(dòng)，并有機(jī)會(huì)采訪到了安森美(onsemi)的FAE經(jīng)理黃延龍和安森美先進(jìn)方案部汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理張青，兩位進(jìn)行了精彩的分享。

EliteSiC：生產(chǎn)垂直整合，產(chǎn)品橫向覆蓋

SiC器件本身的特性決定了其在高溫高壓場(chǎng)景下有著比傳統(tǒng)Si器件更優(yōu)異的表現(xiàn)，能夠明顯提升系統(tǒng)開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗。但正是因?yàn)殚_關(guān)頻率的提升，讓其在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中也面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。在一些高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，SiC器件的Vgs過(guò)沖會(huì)比IGBT高；更高的開關(guān)頻率也帶來(lái)了更高的熱量產(chǎn)生，因此熱應(yīng)力方面的處理也是SiC器件的關(guān)鍵；更快的開關(guān)速度會(huì)引發(fā)更大的di/dt（電流變化率）和dv/dt（電壓變化率），從而產(chǎn)生更強(qiáng)的高頻噪聲，這也意味著SiC器件每次開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的EMI更高。因此，要發(fā)揮SiC器件的材料特性，將其轉(zhuǎn)化為高頻應(yīng)用中的真正的優(yōu)勢(shì)，就需要SiC器件供應(yīng)商從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造和封裝多個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)化，而這也正是onsemi的技術(shù)優(yōu)勢(shì)所在。

onsemi的“EliteSiC”產(chǎn)品系列，包括一系列SiC MOSFET和模塊，這些產(chǎn)品在各種應(yīng)用中表現(xiàn)出色，特別適用于電動(dòng)汽車（EV）主驅(qū)逆變器、能源基礎(chǔ)設(shè)施和5G電源等領(lǐng)域。這些產(chǎn)品以高效率、可靠性和在苛刻條件下的穩(wěn)定運(yùn)行著稱。

在SiC方面的，onsemi重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)是2021年收購(gòu)GT Advanced Technologies。這次收購(gòu)使onsemi能夠建立從襯底生產(chǎn)到器件制造的垂直整合供應(yīng)鏈，確保了高質(zhì)量SiC材料的可靠供應(yīng)。

據(jù)了解，安森美目前的第三代EliteSiC產(chǎn)品，采用的是業(yè)界最為穩(wěn)定的Planar工藝，die尺寸相比上一代縮減了90%。Die Size的減小帶來(lái)了成本的大幅優(yōu)化，同時(shí)這一工藝也大大降低了開關(guān)損耗。

在晶體生長(zhǎng)方面，安森美采用了行業(yè)內(nèi)最為成熟的長(zhǎng)晶技術(shù)——物理氣相傳輸法為主（PVT），這一技術(shù)可以保證SiC的晶錠劑量。而其KABRA激光切片技術(shù)，則大大提升了晶圓制造速度。傳統(tǒng)的制造方法一片晶圓切割需要3.1小時(shí)，而安森美的技術(shù)目前僅需10分鐘。

針對(duì)高過(guò)沖應(yīng)力，EliteSiC器件采用了先進(jìn)的門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，控制開關(guān)過(guò)程中電壓和電流的過(guò)沖。此外，通過(guò)優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)，減少器件內(nèi)部及連接電路中的寄生電感和電容，從而降低過(guò)沖應(yīng)力，提高器件的可靠性。

onsemi不僅擁有從前道到后道的完整的產(chǎn)業(yè)鏈，還具備寬廣的產(chǎn)品型號(hào)和類型可供客戶根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇。從電壓類型上來(lái)看，onsemi提供了650V、1200V和1700V三種不同電壓等級(jí)的產(chǎn)品系列。從封裝上來(lái)看，onsemi提供了全面的封裝類型，包括裸Die、單管TO-247-3/4、D2PACK-7、Toll MOSFET、以及F1/F2/SSDC/ASPM/DSC等多種模塊。

黃延龍表示，除了EliteSiC系列產(chǎn)品外，onsemi還擁有包括驅(qū)動(dòng)、輔助電源、模擬器件、傳感器等在內(nèi)的完整產(chǎn)品類型，可以一站式滿足客戶系統(tǒng)級(jí)方案。

更智能SiC柵極驅(qū)動(dòng)器：解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，釋放SiC潛能

SiC器件需要特殊的驅(qū)動(dòng)條件，特別是較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和電流，這與傳統(tǒng)的Si器件有顯著差異。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師而言，從基于傳統(tǒng)Si器件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)到基于SiC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，面臨著一系列的新的挑戰(zhàn)。要釋放SiC的潛能，快速完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一個(gè)好的SiC柵極驅(qū)動(dòng)器能夠讓工程師事半功倍。

據(jù)張青介紹，SiC柵極驅(qū)動(dòng)器再各個(gè)層面上都有特定的要求，以確保SiC器件的高效可靠運(yùn)行。首先在器件層面，柵極驅(qū)動(dòng)器需要滿足SiC器件非?？斓拈_關(guān)頻率，波形要具備非常銳利的上升和下降邊緣，它應(yīng)提供足夠的正向開啟柵極電壓和足夠的負(fù)向關(guān)斷電壓，以及足夠的開啟柵極電流。在電路拓?fù)鋵用妫绕涫侵黩?qū)逆變器的設(shè)計(jì)中，要具備足夠的SiC診斷和保護(hù)功能，其中包括：柵極驅(qū)動(dòng)器必須包括隔離、過(guò)電流和短路保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、米勒鉗位、死區(qū)時(shí)間控制和共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）等功能。而在系統(tǒng)層面，必須具有主動(dòng)短路保護(hù)機(jī)制，能夠安全地進(jìn)行直流電容放電，并提供用于監(jiān)測(cè)的ADC和柵極監(jiān)測(cè)功能，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

針對(duì)這一系列的要求，onsemi將推出全新的車規(guī)級(jí)SiC驅(qū)動(dòng)器。據(jù)悉，這款新的驅(qū)動(dòng)器主要用于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET。為了實(shí)現(xiàn)最低的導(dǎo)通損耗，該驅(qū)動(dòng)器能夠向SiC MOSFET器件提供最大允許的柵極電壓。通過(guò)在開啟和關(guān)閉過(guò)程中提供高峰值電流，開關(guān)損耗得到了最小化。為了提高可靠性、dV/dt抗擾度和更快的關(guān)斷速度，該驅(qū)動(dòng)器可以利用其板載電荷泵生成用戶可選的負(fù)電壓軌。對(duì)于隔離應(yīng)用，該驅(qū)動(dòng)器還提供一個(gè)外部可訪問(wèn)的5V電源軌，用于為數(shù)字或高速光隔離器的次級(jí)側(cè)供電。其特點(diǎn)包括高峰值輸出電流、最大28V的正電壓額定值、用戶可調(diào)的內(nèi)置負(fù)電荷泵（-3.3V至-8V）、可訪問(wèn)的5V參考/偏置軌、可調(diào)的欠壓鎖定、快速飽和功能，以及尺寸為4x4毫米的QFN24封裝，并且通過(guò)了AEC認(rèn)證。

據(jù)張青介紹，與競(jìng)品相比，該即將推出的驅(qū)動(dòng)器有著更好的參數(shù)表現(xiàn)，并且集成了更加智能的功能。

首先，當(dāng)前中國(guó)汽車廠商開始追求性價(jià)比，而在這一過(guò)程中，有一個(gè)SiC驅(qū)動(dòng)器的指標(biāo)就變得很關(guān)鍵，那就是短路承受時(shí)間。在以前的傳統(tǒng)做法，為了實(shí)現(xiàn)足夠好的保護(hù)效果，通常會(huì)將保護(hù)的過(guò)載倍數(shù)設(shè)置的高一點(diǎn)。而現(xiàn)在，透過(guò)該驅(qū)動(dòng)器提供的更精確的保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)了在更小的Die的面積下，更短的短路承受時(shí)間，這也就帶來(lái)了整個(gè)系統(tǒng)層面的功耗的進(jìn)一步降低和體積優(yōu)化。

另外一方面，在出現(xiàn)故障的時(shí)候。對(duì)于大電流的快速關(guān)斷會(huì)出現(xiàn)dc/dt，所以就需要一種軟開關(guān)的策略。而在該驅(qū)動(dòng)器中，采用的是一種可編程可配置的軟關(guān)斷策略。這種設(shè)計(jì)，為客戶提供了更多的關(guān)斷策略上的調(diào)整的可能。

另外特別值得一提的該驅(qū)動(dòng)器的part to part skew可以做到很好，因此在1nF負(fù)載下可以做到僅僅為正負(fù)25ns，這是目前為止業(yè)界最好的表現(xiàn)，相比其他競(jìng)品的僅僅能做到50ns以上。這個(gè)參數(shù)的優(yōu)異表現(xiàn)，意味著在兩個(gè)單管的上下管直通設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置更為精確的、更短的死區(qū)時(shí)間。因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)芯片的參數(shù)差異很大，那么死區(qū)設(shè)置時(shí)間也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

張青表示，SiC柵極驅(qū)動(dòng)器正在變得越來(lái)越智能化、內(nèi)部集成功能越多越多。這樣一方面可以降低客戶在電路調(diào)試方面的困擾，另一方面還可以幫助客戶減少設(shè)計(jì)面積。此外，因?yàn)檎麄€(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器都達(dá)到了ASIL-B的標(biāo)準(zhǔn)，也進(jìn)一步幫助客戶滿足功能安全的需求。

下一步：8英寸廠投產(chǎn)在即，M4 SiC轉(zhuǎn)向溝槽工藝

據(jù)悉，onsemi韓國(guó)富川的碳化硅超大型制造工廠擴(kuò)建工程已經(jīng)完工，全負(fù)荷運(yùn)行每年可生產(chǎn)超過(guò)一百萬(wàn)片200mm SiC晶圓。而其第四代SiC也將從業(yè)已成熟的M3S平面工藝轉(zhuǎn)向更高性能的M4溝槽工藝，這有助于其追求Rsp的持續(xù)降低，為客戶帶來(lái)更高效能和更低損耗的全新SiC產(chǎn)品體驗(yàn)。