在由AspenCore主办的2023国际AIoT生态发展大会的智能网联汽车分论坛上，深圳基本半导体有限公司器件研发总监张学强发表了“未来已来——功率半导体的碳化硅时代”主题演讲。分享了电动汽车的“幕后工作者”或“幕后英雄”——（碳化硅）功率半导体的进展和发展趋势。
电动汽车在动力实现方面是通过电驱来实现的，其中就涵盖了碳化硅功率半导体的功能。
从整个半导体来说，功率半导体是相对小众的板块，它的发展历程从上世纪一直到现在，经过发展之后，性能和成本都在不断进步，在我们现在这个时代给我们带来了更多的可能性。
碳化硅是一种第三代半导体，也是一种宽禁带半导体。它在热导率、禁带宽度等方面相对于传统的硅基半导体都有了大幅度提升。这些对电动汽车或者智能汽车有什么意义呢？带来的意义就是，我们可以采用单极型功率半导体器件取代原来的双极型器件，并可以在极限更高的条件下工作。这样就可以使功率密度得到大幅度提升，从而带来了很多新的可能性。在电动汽车里有一些原来没法进行电动化、电气化的方向，在现在可以把它进行电气化，甚至电气化程度可以做得非常彻底。
工业电源、通信电源是碳化硅目前渗透得比较充分和显著的方向。在光伏发电领域，从去年前年开始是非常流行的趋势，这是以新能源或者灵活的能源应用有关的方面。另外一个在2022年半导体板块保持强劲增长的部分，就是新能源汽车以及智能电动汽车方面。“这里有一些类似的地方，它们都使能量管理再上升一个层次，能量的管理可以实现灵活的短时间内快速响应，在这样的条件下，碳化硅有它的独特优势。”张学强说。
下图指出了新能源汽车/智能电动汽车里有哪些板块会用到碳化硅。将碳化硅做成功率变换器之后有什么好处？好处之一就是功率密度可以大幅提升，2015、2016年到现在，功率密度提升了不止一倍，现在体积可以减少到30%到40%的程度，重量也随之减轻。这意味着可以在同样的体积里封装更多的功率，这样就可以实现更多的新的可能性，也给未来提供了很多想象的空间。
现在电动汽车有里程焦虑（续航）等等问题，碳化硅的低负载效率更高，就相当于在同样负载下，可能用碳化硅器件实现了5%的效率提升，也即电池可以缩减5%，这对整个产业健康的滚动是有一定的促进作用。
目前在充电机方面，车载充电机现在看的比较多，它的意义是什么呢？比如快充，发布了800V的快充等等，这是对于碳化硅高功率密度的典型应用。
智能汽车在感知方面有一系列的要求，并且物理实现上也有要求，对短时间内有高的能量转化需求方面，碳化硅也可以提供支持，这方面主要是在中间DC/DC变换器的部分。
现在最热的就是最终的驱动方向，它的低负载端效率比较高。现在这方面是比较新兴的市场，它的功率需求一般是100kW到300kW以上，这也就对现在的功率器件提出了很高的要求。之前有新闻说，特斯拉说以后的碳化硅用料要减少75%，大家可能认为碳化硅这个产业是不是不太行了？实际上这是技术进步的红利，张学强认为。“从他们2014-2015年的上一代产品到现在，在碳化硅方面，充电组也实现了大幅度降低，从当年8到9个降到了现在的不到3到2个，满打满算算下来差不多就是15%。从这个数量来讲，当年的主驱功率模块大概有48个，现在可以缩减到12个，同时采购成本上也有大幅降低。这对我们来说，特斯拉在这种正确合理的解读下，它这个趋势恰恰代表了我们在功率半导体上会有更大的前途和发展。”张学强解释说。
“在国内，比亚迪高端车型已经大量采用了碳化硅作为功率半导体的基础，我们看到越来越多的友商在不断地拥抱碳化硅成体系基础性的功率管理变革。”
在整机方面，最开始是在750V的平台上，如果用传统硅基半导体会有一个问题——它的开关频率比较有限。在使用碳化硅之后，它的效率提高了很多，同时在更高的电压场景下，碳化硅与硅IGBT相比，就慢慢体现出了它的独有优势，就是可以用单极型器件替代双极型器件。它的开关频率有着数量级的提升，这样在大幅度提高能量密度的情况下，还可以兼顾损耗，这样就对于很多上层建筑提供了扎实的基础。后续则会有更多的车企慢慢过渡到800V平台上。
在碳化硅的应用方面，目前比较典型的应用是特斯拉比较领先的项目，国内的车企都在拥抱碳化硅这样一个基础性的生态。
从新能源汽车角度来讲，现在新能源汽车的销量渗透率还不是太高，现在主要是在DC/DC方面用得比较多，大家慢慢在尝试这个新技术，也在感受这个新技术带来的变革。预计之后的渗透率会越来越高，比如ST等厂商都在大幅度拓展，从底层技术变革的角度来讲，碳化硅也有了更多更实际的预测和期待。
从市场规模角度来讲，碳化硅有着超过60亿美元的市场，其中汽车大概占了80%的量，这从大的生态来讲还是很客观的数字。
另外，在交通电气化的大场景下，也不仅仅有汽车这一部分，对于轨道交通方面，碳化硅也仍然能做出更多的贡献。
智能电网目前也开始慢慢接触碳化硅，这跟智能汽车也有一部分关系。有些专家已经开始研究V2G，在能量的领域，基本上在往后的发展中，都会或多或少地更好地利用高能量密度、高功率密度的优势，也即在底层技术变革上，在新的更高平台上，做出更多有意思的东西。
碳化硅产业链跟硅基半导体有区别，在驱动力方面也有一些主导优势，速度快了之后在保护等等方面也有着独到的需求。同时在电力电子级别，国内厂商慢慢越来越多地从底层挖掘将碳化硅作为一种高性能器件本质上的优势。“我们现在欣喜地看到，从2022年下半年到2023年开始，很多主机厂开始从底层为碳化硅进行设置，而不是之前的直接替换。这样也可以得到一些好处，但未必能从底层上发挥出碳化硅的优势。”张学强指出。
从尺寸角度来讲，目前总体的产业生态还都是在6英寸的程度。现在走得最快的是科锐（Wolfspeed），它已经开始进入8英寸的试生产了。“8英寸从单位成本上来讲比6英寸的还是高出不少，但从一般的发展规律来讲，8英寸给予足够多的时间与耐心是能成为主流，并且可以给我们足够的科技红利。”张学强表示。
“我们有时候会抱怨，为什么碳化硅这么贵，因为它从底层的单晶材料生长来讲，其每小时的典型速率是按微米来计的。这个数字说慢也不慢，但从成本和成品率来讲还是对成本有相当影响。如何让这个生态转起来，首先就是大家多用，然后上量，有了这个红利进行研发的基础上，从各个环节上我们各个产业链上下游也在不断地做工作。”张学强指出。
温度也是一个值得注意的方面，碳化硅很多的加工以及材料生长都需要以高温高能为基础。“这样从一开始的材料到后面的效率方面，从技术上来讲，能改进的尽量改进，比如从衬底来说，之前用金刚线切割，但这样有一个问题，它的损耗比较高，好不容易这么慢的速率长出来，切割损失就这么多。因此慢慢开发了激光切割、微射流激光切割，还有冷切割等等技术，这些都是希望从根本上把碳化硅的成本降下来，让这个生态转得更好。”张学强指出。
从整体的成本来讲，碳化硅的衬底材料大概目前能占到一半左右的器件成本，如果它的成品率以及单位成本可以继续改善的话，对于整个生态的发展也是有好处的。
碳化硅外延是用台阶法来生长的，这也是目前公认的比较适当的方法。
从一般性的角度来讲，碳化硅功率器件的结构设计与硅基功率器件没有本质上的区别。虽然在实现方法上有比较大的区别，但从结构本身来讲，还是从更好的性能和成本的角度，实现上世纪七八十年代硅功率器件发展的历程。
从电压等级的角度来讲，碳化硅目前的主流是650V的等级，然后将会拓展到750、900、1000、1200V，再到1700、2000、3300V等等。这个范围里还可以用单极型器件来代替，一般认为10kV是一个分水岭——10kV以上就需要采用双极型器件，比如碳化硅的IGBT等等；20kV以上等级可能需要采用碳化硅的晶闸管。对于车用的生态来讲，现在还没有看太多的潜力，但在整个交通电气化的生态过渡到彻底电气化之后，在充放电领域，比如V2G等等，对微电网的需求也会有相当的依赖，这时候碳化硅也会有一些贡献。但从实用角度来讲，超高压碳化硅器件离实用还有一些距离，我们也希望随着整个电气化的发展，从底层应用可以带来比较好的变革。
有人认为，在硅基半导体的方面沟槽技术更好，因此在碳化硅领域，大家都在研究沟槽。然而，随着碳化硅在汽车上用得比较多以后，尤其高温场景下用得比较多以后，大家可能回重新审视平面与沟槽两种技术，它们在不同的应用场景上有着不同的优势。
下面是一些比较先进的碳化硅功率器件结构，这些结构上很多是把硅先进工艺的理念放到了碳化硅里面，这也是半导体发展在材料一致性的基础上，对于底层发展的一些相似性。但是有些先进结构目前并没有很多看到，它这些结构对于工艺的要求很高，要考虑良率等等因素，可能我们目前所看到的还是以简单一致性好的结构为基础，张学强说。
碳化硅功率半导体的整个发展跟硅功率半导体是一样的——更小的尺寸，更低的比导通电阻、更低的开关损耗、更好的栅氧保护，这样可以实现更好的性能以及更高的可靠性。尤其是这两方面，对于车用来讲是极其关键的，因为又要在乎可靠性，又要在乎体积。
从工艺上来讲，碳化硅功率半导体跟硅功率半导体有相似之处，但也有很多不同，因为它有材料底层的限制。硅很适合做半导体的材料，但对于碳化硅，因为禁带宽度的变化，有很多的地方需要用高能高温的方式来进行加工，从一些底层的设计思路上也有一些区别。
下面是碳化硅和硅在各环节上主要区别的总结。“从硅和碳化硅的角度来讲，还是有这么一些区别，但随着现在半导体厂商和各大芯片厂商在合作并且能够不断深入情况下，这些问题在逐步得到改善以及解决。”张学强表示。
在封装方面，大家知道，之前很多的封装都是从硅过渡的，但对于碳化硅，有一些之前硅的封装就慢慢变得不再适用了，因为基于高频高温场景的不适应，会导致碳化硅时代需要在封装方面也进行更多的考虑。
这大概分为四个方面：封装基板、封装保护材料、芯片连接技术和封装互连技术。其中，其两者对于碳化硅的功率密度提高之后，在热导出，以及高温的工作场景进行了优化。后两者也是在碳化硅热量导出基础上，如何更好地与应用端结合在一起。
放得再远一点，碳化硅集成电路，这在一些非常前沿的领域已经见到了有些碳化硅集成电路，比如在宇航上已经有一些应用。有些科研机构现在在这方面做了比较多的考虑，但出于程度以及工艺兼容性，很长一顿时间可能还看不到碳化硅的实用，但随着时间以及对材料潜力的挖掘，后面会越来越遇到以碳化硅为基础的更多有意思、有更多潜力的应用。
碳化硅作为电动车幕后工作者的角色，为智能电动汽车的能量管理提供了很多底层支撑。“我们也希望通过一些能量管理底层上的支撑，可以使得很多不太可能的事情在碳化硅时代变得可行——也许现在提出一个需求，在某种特定条件下就可以实现了。因此，我们也希望碳化硅可以从幕后工作者慢慢变成幕后英雄，也为智能电动汽车的大生态做出一些贡献。”张学强总结道。
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