日前，在IPF2024的活动现场，湖南三安半导体作为大会的战略支持单位不仅在现场展示了最新的二极管及MOS产品，27日上午公司应用技术总监姚晨先生还作为第一位演讲嘉宾，在现场进行《SiC器件对于半导体先进技术与工艺的需求》主题演讲。
演讲围绕SiC全产业链所需的先进技术与工艺层层展开，包括从晶圆生长、切割到外延浓度控制再到芯片设计与模块封装先进工艺等全产业链先进技术，全方位展示了湖南三安SiC全产业链垂直整合量产平台的优势和独特性。
接下来跟我们一起通过演讲速记的形式，来回顾一下姚总的精彩演讲。


大家好，我是湖南三安半导体姚晨，很荣幸今天作为本场第一名报告嘉宾，很感谢今天一大早就已经莅临会场的行业精英们。

作为第一位报告的嘉宾，首先是抛砖引玉，我们是功率半导体设计和制造技术的分论坛，我将结合湖南三安半导体这个企业的特点，从碳化硅器件的长晶到外延的生长到芯片的设计，到器件的封装测试，整个流程中对于半导体先进技术与工艺的需求。

我的报告主要分为四个部分，主要的思路是根据碳化硅功率器件目前应用的关键痛点，跟大家探讨一下我们需要采用何种的先进技术和工艺技术进行重点的突破，最后一部分，我会跟大家报告一下三安半导体垂直整合模式的优势，以及目前的技术进展情况。

功率半导体的未来还要看碳化硅，因为碳化硅从它的材料特性，就决定了它在器件结构、高温应用和拓扑与提频方面具有先天的优势，正所谓一代器件决定一代电力电子变换器的设计，想必大家在很多场合都看到过这张参数对比表格，我们作为半导体厂家，我将从器件的结构上跟大家报告一下，为什么这四个参数有很好的效果。
3倍的禁带宽度，10倍的击穿场强、3倍的导热率和2倍的饱和电子迁移率，凭借禁带宽度和击穿场强的优势，芯片的外延层可以做的更薄，比硅器件降低到大概1/10的厚度，就意味着热量的传递路径会变得更短，3倍的导热率就意味着热阻可以变得更低，所以结合前面这三点特性来看，碳化硅芯片的散热能力相对硅材料的芯片更为优秀，2倍的饱和电子迁移率就意味着器件的沟道电阻可以做的更小，所以损耗会变低。
结合这四点，就是散热好了，损耗低了，效率高了，所以碳化硅器件可以工作在更高的开关频率或者实现更高的效率。
正如由于器件的高耐压特性，碳化硅二极管仅仅采用肖特基结构，就可以实现高压的阻断，传统的硅二极管需要一个PN结结构，所以碳化硅二极管仅仅通过电子就可以实现载流，它是一个多数载流子器件，它在反向恢复的时候没有空穴的复合，所以几乎没有反向恢复损耗。
我们将同样的材料特性应用到MOSFET的结构上，同样也是会降低整个芯片的厚度，同时由于IGBT一般还会反并联一个二极管，以650V平台的器件为例，碳化硅MOSFET的芯片面积只有IGBT芯片的1/3，如果是1200V的器件，只有1/5。
碳化硅MOSFET主要应用于新能源汽车，那如果应用在400V的母线系统，大概可以提升2%到4%的系统性能，如果是在800V的系统上这个优势更加明显，大概可以提升5%到8%。
第三个是碳化硅的耐高温优势，作为宽禁带的材料，它的理论工作温度可以达到400摄氏度以上。目前来看最高的瞬时结温以后达到200摄氏度，目前从英飞凌和ST的手册上可以看到，瞬态结温已经标到了200摄氏度，IGBT经过几十年的发展，依然维持在175度的水平。更高的工作结温就意味着器件有更强的过载能力，或者实现更高的功率密度，如何理解更强的过载能力呢？就是器件可以承受最大峰值功率的输出，或者更长时间的功率输出。
假设踩一下电动车油门的时候，可以实现更快的百公里加速。想必大家也知道现在很多的碳化硅车型，百公里加速都已经进入到三秒的量级，三秒是一个什么概念？就是传统的燃油车，保时捷911高功率版也就是这个水平。
碳化硅MOSFET导通电阻会随着温度的增加而增加，但增加比例相对于硅的IGBT来说是更低的，大概低30%，所以碳化硅MOSFET可以实现更高的高温效率，或者在极限工况下可以简化散热设计。
第四个优势是简化拓扑，如果以22KW一个双向OBC来举例的话，如果是采用硅材料器件MOSFET，一般只能做到650V，我们会在DC/DC部分采用三电平CLLC串联的结构，如果采用这么复杂的拓扑，需要22支功率器件再配合22支门极驱动器，如果直接采用高压器件碳化硅MOSFET，整个器件数量可以下降到14支，节省了30%。
另外，碳化硅的主要优势还有提高开关频率和提升功率密度，PFC是最普遍的前级电路，为了提高PFC的效率，也发展出很多种类的拓扑，从Boost PFC到无桥PFC，到图腾柱PFC，然后形成全桥图腾柱PFC，如果将前两种拓扑的二极管换成SiC SBD，效率可以提升两个点，如果将图腾柱的全部主动开关器件，换成碳化硅MOSFET，开关频率可以从80K提升到200K，功率密度可以提升60%。

碳化硅MOSFET这个信心的建立来自于2018年特斯拉Model 3，在它的主驱逆变器上采用TPAK封装的器件，当时它的电极控制器就有高效率、长续航的特点，使得三电系统技术能力当时领先于国内的其他厂家。同样的电池，特斯拉跑的里程比国内其他厂家都是要多一截的。同样电机控制器的高功率密度也获得了市场的认可。
碳化硅MOSFET当时就凭借第三代半导体资本的东风和特斯拉品牌效应，被牵引着进入了快速起步阶段，可以说是跑步前进。虽然有了汽车的牵引，但是碳化硅器件目前依然有三大痛点，在拖累器件更广范围的推广应用，简要来说，就是太贵、太快、太短。
太贵主要是价格的问题和成本的问题，价格直接决定了器件应用领域的范围，如果碳化硅器件是IGBT的3倍以上，就会用到高端市场或者差异化的市场。
如果2倍到3倍的区间，就会从高端市场慢慢向B级车市场渗透，目前很多碳化硅器件已经进入到这个水平，国内很多厂家发布的B级旗舰车型上面，都装配了碳化硅MOSFET作为其卖点。
如果达到价格甜蜜点，一般在1.2倍才会进入应用快速增长向大众市场普及的领域。虽然第三代半导体非常卷，价格也下降的比较厉害，但硅器件也不是坐以待毙，他们也会推陈出新，更新自己的技术，来抵抗碳化硅对于整个市场的侵占。
所以，实际的碳化硅器件下降曲线，会比理想的曲线来的更缓慢一些。
太快了有两个层面的含义，第一是时间问题，大批量推广应用还不到十年，目前还存在一些衬底批量的问题、晶体良率问题、芯片可靠性问题、高结温封装问题有待解决。
第二个含义是开关速度比较快，快了之后就会产生很高的电压尖峰、上下桥臂的串扰、EMI问题和测试等问题。
太短了主要是碳化硅器件短路耐受时间比较短，我们都知道硅材料的IGBT短路耐受时间一般为10微秒以上的量级，但是碳化硅目前要做到两到三微秒以上也是比较难的一点。


我们如何来突破贵、快、短这三个痛点呢？
就需要先进技术和工艺的加持，我们碳化硅器件一直都在追求高耐压、低电阻、低损耗这三个关键的参数，我们作为半导体厂，还会持续追求晶圆芯片的低成本，实现产能和良率高产出，主要的目的就是提高芯片器件价格的竞争力。
碳化硅功率器件的技术趋势与前面提到的三个痛点也是紧密相关的，我们湖南三安作为全产业链的公司，接下来我将会从器件端的晶圆、外延、芯片、封装这四个方面，跟大家分别交流一下碳化硅对于先进技术和工艺的需求。
首先是衬底，大家都知道碳化硅器件很贵，就贵在这里，就是前面的晶圆和外延的部分，大概占到整个器件70%左右的水平。
衬底和外延相比，最贵的又是晶圆，会占到整个器件成本的45%-50%的水平。如何来降低晶圆的成本呢？为什么这么贵呢？因为碳化硅这个材料特性决定了它的反应温度是非常高的、生长周期是非常长的，它的生长速度为硅器件的1%，同时又是仅次于自然界硬度最高的金刚石的一种材料，所以会导致整个切割成本也非常高。
所以晶圆的关键技术是如何降低碳化硅晶圆生长与切割成本，目前有两个主要的技术方向，比如说8英寸，用量变来引起质变，其次采用先进的切割工艺来减少晶圆的材料损耗，来节省线据切割时的耗材损耗。
碳化硅目前还处于6英寸向8英寸升级的阶段，8英寸晶圆面积大概是6英寸的1.8倍，以32平方毫米芯片为例，6英寸可以切出448颗，8英寸可以切出845颗，芯片数量可以增加80%，由于边缘芯片的良率比较低，6英寸的边缘芯片占比会达到14%，8英寸的只有一半，总体来看可以实现30%的器件成本降低。
但8英寸还存在着一些技术挑战，比如说长晶尺寸薄，6英寸可以长到50毫米，但8英寸只有一半，20到25毫米。第二个是8英寸需要更厚的衬底来抵抗晶圆的变形，大家切过土豆片，如果切的更薄，卷曲就更厉害，8英寸也是这样。目前8英寸还处于初期的良率，良率比较低，同时缺陷密度也比6英寸高，所以需要时间进行工艺的优化。
衬底不仅要实现增产，还要考虑如何节约，采用激光切割的技术，可以降低整个切磨削的损耗，我们可以采用激光垂直改质剥片技术，相对于线切割速度可以提高2倍。以20mm晶锭350um衬底为例，线切割出片总数是32片，激光切割是46片，数量上增加44%，同时由于每片的切割损耗与粗磨时间的不同，可以降低50%的切磨损耗。
激光切割当中的主要技术挑战有两个，第一个是掺杂小面检测，因为晶圆在生长的时候，难免会有一些小异常，所以晶圆切割的时候就会有一些透光率的差异，激光进行交叉定点的时候，就会引起折射的不同。
所以激光切割要有一个自动的检测技术，并且可以实时自动的补偿，来保证切割的深度和精度。同时要实现剥离的高效率和高良率，也要先进的剥离系统和控制系统。
湖南三安有核心技术自主研发衬底，我们具备从原材料烧结到长晶到衬底的整个流程，我们通过整个温度场控制、梯队调配，晶体的缺陷已经达到业界的顶尖水平。同时我们有很多8英寸长晶机台，正在进行小批量的生产，我们生产的晶圆正在国际大客户当中进行验证。
晶圆之后是外延，外延的良率也关系到整个碳化硅的成本，一片优秀的外延离不开一块高质量的衬底，所以外延的关键技术，就是如何获得高质量和低缺陷的外延。
前面提到了先进的长晶温度场控制，同时又需要先进的外延生长技术，来降低Tri angle+Downfall缺陷，提升外延浓度的均匀性。三安有对外销售我们的外延产品，有针对一对一的客制化定制，我们的外延质量也是显著优于竞品，其他的外延质量项点水平也是在行业领先值，所以很多大客户直接买我们的外延产品。
外延之后就是芯片，芯片由于专利的原因和可靠性的原因，目前沟道分为两个技术路线，分为平面栅和沟槽栅，我想等过几年这个专利和可靠性问题进一步解决之后，大家都会尝试着跟IGBT一样，向沟槽栅进行技术研发，我们湖南三安在这一块也有一定的布局，我们目的是减少导通电阻，降低芯片面积，降低寄生电容，这样工作频率可以得到提升，同时提高栅氧可靠性及短路能力。
由于碳化硅芯片承受的电场是非常恶劣的，所以芯片关键技术就在于我们如何提升芯片的栅氧质量、阈值电压的稳定性和短路能力。
所以湖南三安也对重点平台器件进行了长期可靠性的研究，大家都知道三安的二极管卖的还挺好的，我们的二极管产品有些器件做到了五千个小时，甚至八千个小时的水平，目前远远超过行业的可靠性水平。
我们对MOSFET可靠性主要是栅氧进行了研究，通过测试数据表明，栅氧的一致性和工作寿命都是远超基本的寿命要求，同时通过IGBT和HTGB的可靠性实验以后，表现也比较好，没有明显的漂移现象，适合多芯片的并联。
芯片之后就是封装，要发挥第三代半导体高结温、快速开关的优势，就需要先进封装技术的加持，不能让芯片像是憋着一股强大的真气却没有释放出来，如空有穿云箭，没有震天弓。
先进封装也是系统工程，我们需要一个低电感的联系，保证关断的时候，电压尖峰不超过芯片的耐压值，我们需要银烧结来保证芯片焊接的可靠性和稳定性。我们需要高性能的散热器，来保证热交换效率，将芯片的温度及时散发出去，我们需要一个高导热率，耐温度循环的一个高性能的陶瓷衬板，比如主要的材料有氮化硅、氮化铝。同时为了发挥芯片高结温的优势，拓展整个器件的温度应用边界，我们需要耐高温的树脂或者耐高温的硅胶。
结合近十年来整个功率模块先进封装发展趋势来看，大功率模块主要依托于材料的进步，比如说芯片材料碳化硅，然后键合材料铜线键合，还有衬板材料，氮化硅、氮化铝，芯片焊接材料银烧结。
中等功率模块主要依托于设计的优化，比如说采用转移注塑的单面水冷塑封模块，采用铝合金进行缓冲的双面水冷模块，然后特斯拉和意法半导体联合开发的，采用铜夹和激光焊接相结合的TPAK模块。整个功率模块的发展趋势，其实是依托于材料、设计的优化、工艺的进步，追求低杂参数和低热阻。我想随着整个材料的进步和整个设计过程的优化，未来功率器件封装依然会持续地进行进步。
我们三安半导体也依托于前面的先进技术，开发了HPD碳化硅模块，比如采用超声焊接进行信号端子和主功率端子焊接，实现高可靠性的电气连接。也采用了目前主流的银烧结工艺，来保证芯片高可靠性的焊接，我们采用顶部互联系统和铜线键合，来提高整个温度循环的寿命，同时也正向设计Pin-fin结构，保证出流能力的提升，实现高功率密度。我们也采用了高成本的氮化硅衬板，来实现整个器件的低热阻、高可靠性。我们也优化了整个基板layout布局，降低整个封装的电感。


接下来我将从并联、驱动、测试这三个方面，跟大家交流一下在应用方面，碳化硅对于先进技术的需求。

首先是多管并联，多管并联是我的工作中或者在客户中遇到难题比较多的方面，所以我们会强烈建议我们的客户，在主电路布局，甚至芯片的散热布局，器件的布局，还有驱动的layout布局上保持绝对的对称性，并且在电气连接这种工艺量产上面，保持绝对的一致性。
其实任何开关器件的并联，不管是MOSFET还是二极管，它并联最主要的目的就是均流，所以对称是设计的重要准则，一致性是最重要的保障手段。
同样由于高速开关的特性，碳化硅在驱动的时候，也会有更多的噪声存在，所以我们会建议客户在选择驱动器的时候，有一个参数很重要，就是共模瞬态抗干扰度，一般要求达到100以上的水平。
第二个是短路保护技术，前面提到了短路时间保护比较短，由于碳化硅MOSFET它的峰值电流短路的时候可以达到10倍以上，IGBT大概为额定电流4倍左右。还有一个原因碳化硅MOSFET主要的发热区域在芯片上表层，所以很难在极小的时间内，将芯片的整个热量散发出去，所以会更容易产生热失控的问题，所以短路保护在碳化硅的应用当中也非常重要。
今天也是我们碳化硅应用的测试大会，宽禁带器件也面临着测试挑战，主要的问题还是由于大功率高速的问题，会导致上下桥臂串扰、电磁振荡、电磁干扰，我们会建议客户测试设备要有基本的带宽需求，同时探头的正确选择和连接也非常重要，尽可能的情况下可以用上接地簧和光隔离探头，同时要求探头要有高频的CMRR性能，要达到对应的指标。
宽禁带测试需要很专业的工程师，同时要具备先进的测试设备，还有系统的测试技术，才能保证测试结果的基本准确性和可重复性。
最后报告一下湖南三安垂直整合模式的优势和进展。
这个就是我们湖南三安在长沙的超级工厂，之所以称为超级工厂，因为从碳化硅长晶到衬底的切磨抛，到外延的再生长，到芯片的设计，到碳化硅器件的封装测试，整个这一套流程都是在这一条1.2公里的产线上完成的，投资额大概160个亿。
我们在国内外的客户也超过了800家，我们累计销售的碳化硅芯片和器件出货量超过了2亿颗。所以我们获得了很多的客户信任和市场的批量订单。
这个是碳化硅二极管的产品路线图表，有丰富的二极管产品，我们的二极管产品也从二代更新到了三代、四代、五代，是比较成熟的，五代产品主要是针对高浪涌的场合上进行开发的，特别是光伏和充电桩。
碳化硅MOSFET这个产品路线，主要是依托于汽车领域的规格进行开发的，可以涵盖OBC、DC/DC，甚至电驱电驱部分主流的产品规格。同时我们也建立健全全面的质量管理体系，保证产品交付的一致性，作为汽车零部件供应商，也导入了VDA6.3的过程审核办法，同时也在进行CNAS实验室认证。我们老板也花费重金，在厂内建立完善的可靠性实验室和失效分析实验室，这个是我们的失效分析实验室展示。
湖南三安作为全球第三家、中国第一家全产业链垂直整合量产平台，大家知道在汽车领域垂直整合最厉害的是哪家公司？
那就是国产新能源一哥比亚迪，他推出了7.98万秦plus DMI，在5月份又推出了秦L DM- i，它的汽车如何做到这么低的成本呢？之前比亚迪的领导就说过除了汽车的玻璃和轮胎不做之外，基本上汽车相关领域的部件都有所涉猎。所以垂直整合又被比亚迪再次带火一次，湖南三安也是持续优化我们的垂直整合能力，我们可以实现全产业链环节先进技术与工艺的应用，同时全产业链有这么一个优势，可以对全流程程的新技术和新工艺做到及时的反馈和优化，实现快速迭代和质量闭环。
最后欢迎大家可以关注我们三安半导体公众号，获取三安最新的规划与产品动态，我们的展区位置在C6，欢迎各位在空余时间到我们展区进行指导，谢谢。