碳化硅 （SiC） 行業(yè)正在快速發(fā)展，為21世紀(jì)的眾多應(yīng)用提供高效且緊湊的電力電子解決方案。電動(dòng)汽車（ EV） 市場(chǎng)是一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用，首先是特斯拉，現(xiàn)在其他公司在其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中采用了 SiC。市場(chǎng)上銷售的 600 至 1，700 V 的 SiC 器件范圍已廣為人知，并為傳統(tǒng)的硅 （Si） 功率器件提供了一種快速開關(guān)、寬帶隙的替代方案。

雖然包括開關(guān)速度和高溫能力在內(nèi)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)現(xiàn)已廣為人知，但成本仍然是一個(gè)爭(zhēng)論點(diǎn)。PGC Consultancy 分析了 SiC 裸片成本，在本文和未來(lái)的文章中，他們將解釋高成本背后的原因以及可以采取哪些措施來(lái)降低價(jià)格。他們還提供了關(guān)于到本世紀(jì)末電動(dòng)汽車銷售可能會(huì)主導(dǎo)汽車行業(yè)的成本的長(zhǎng)期觀點(diǎn)。

碳化硅的成本

根據(jù) PGC 咨詢公司的數(shù)據(jù)，2021 年 9 月，100-A 分立式 SiC MOSFET（650 V 和 1，200 V）的零售價(jià)幾乎是等效 Si IGBT 價(jià)格的 3 倍。盡管 SiC 器件的占用率要低 3 到 4 倍加工晶片上的區(qū)域。

造成這種成本的原因有幾個(gè)： 主要貢獻(xiàn)者是 SiC 襯底，可以肯定的是，這種情況將持續(xù)一段時(shí)間。這是因?yàn)槭褂?Czochralski 工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的硅晶片，在該工藝中，從 1，500?C 的熔融硅池中提取一米長(zhǎng)的硅晶錠。生產(chǎn) SiC 的升華過(guò)程需要大量能量才能達(dá)到 2，200?C，而最終可用的晶錠長(zhǎng)度不超過(guò) 25 毫米，并且生長(zhǎng)時(shí)間非常長(zhǎng)。其結(jié)果是與 Si 相比，SiC 晶片的成本增加了 30 到 50 倍。與 SiC 襯底成本相比，外延（在襯底表面上生長(zhǎng) SiC 器件的高質(zhì)量層）和制造成本等其他成本較低。然而，

正如 PGC 咨詢公司指出的那樣，另一個(gè)需要考慮的事實(shí)是制造各個(gè)階段的效率，我們?cè)谶@里也進(jìn)行了討論。良率與從晶錠中取出的不可用晶片的數(shù)量以及外延和制造后不可用的管芯數(shù)量有關(guān)。制造后影響芯片良率的一個(gè)主要因素是材料的質(zhì)量，其中包括導(dǎo)致器件無(wú)法制造的一系列缺陷以及影響可靠性的其他不太明顯的缺陷。正如 PGC Consultancy 指出的那樣，制造中的另一個(gè)問(wèn)題是 MOSFET 柵極氧化物的可靠性。

圖 1：SiC MOSFET 裸片的成本細(xì)分，基于在 150 毫米基板上制造的同類最佳 2021 1，200-V/100-A 器件

圖 1 顯示了 SiC MOSFET 裸片的成本細(xì)分，產(chǎn)量來(lái)自于 2021 年同類最佳 1，200-V/100-A 商用器件，在 150-mm 襯底上生產(chǎn)。這兩個(gè)堆棧近似于兩種基板供應(yīng)模式，將大多數(shù)以市場(chǎng)價(jià)格購(gòu)買基板的公司與垂直整合的公司進(jìn)行比較，因此可以以成本自供基板。所有其他費(fèi)用都被認(rèn)為是相等的。

折舊成本因公司而異，需要單獨(dú)分析，但是，隨著公司投資實(shí)現(xiàn) 200 毫米產(chǎn)能，這一比例將會(huì)增加。如果需要，設(shè)備的包裝是應(yīng)考慮的額外成本；然而，這個(gè)成本與基于硅的設(shè)備沒(méi)有什么不同。

降低 SiC 成本

讓我們看看 PGC Consultancy 詳細(xì)介紹的未來(lái)十年成本降低的貢獻(xiàn)者。如今，SiC 器件主要在 150 毫米直徑的基板上開發(fā)。Wolfspeed 和 GT Advanced Technologies（在被 onsemi 收購(gòu)之前）宣布了在 2022 年將尺寸升級(jí)到 200 毫米的提議。這將使單次制造運(yùn)行中可以生產(chǎn)大約 1.8 倍以上的設(shè)備，從而降低制造成本。然而，PGC Consultancy 并不認(rèn)為此次升級(jí)會(huì)顯著降低芯片成本中的襯底部分。正如之前從 100 毫米到 150 毫米的過(guò)渡中所看到的，成本可能會(huì)與面積成正比，但隨著技術(shù)的成熟和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，成本將穩(wěn)步下降。

至少在開發(fā)的早期階段，從 200 毫米晶圓上取出的芯片的成本可能比 150 毫米晶圓的成本略高，但是，晶圓良率、外延良率和芯片良率的優(yōu)化將很快發(fā)生。經(jīng)過(guò)短暫的發(fā)展，200毫米晶圓的缺陷密度可能會(huì)降低，制造成本也會(huì)降低；這可能會(huì)導(dǎo)致早期這些晶圓直徑之間的錐形過(guò)渡。

如Wolfspeed的Mohawk Valley晶圓廠計(jì)劃所示，200 mm晶圓的加工并不簡(jiǎn)單，需要高度自動(dòng)化的專業(yè)工具。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)投資將償還成本，因?yàn)橹灰锌赡埽妥屓藗冞h(yuǎn)離加工，降低成本，預(yù)計(jì)將對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響。最后，在基板方面，越來(lái)越多的公司希望在“垂直整合”的公司內(nèi)自行供應(yīng)基板，以了解這對(duì)成本的影響（見(jiàn)圖1）。由于很少有芯片制造商能夠完全自主供應(yīng)，這給那些能夠自主供應(yīng)的制造商帶來(lái)了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

除基板外，PGC咨詢公司認(rèn)為，器件設(shè)計(jì)的進(jìn)步在降低每一代SiC MOSFET的電阻和成本方面同樣重要。歐姆定律規(guī)定，單位面積電阻的任何降低都會(huì)導(dǎo)致電流密度的增加。這意味著可以減少芯片面積，同時(shí)保持給定的額定電流。然而，從較小芯片中去除廢熱的問(wèn)題意味著不能忽略熱阻的變化，因此芯片面積與其電阻和熱阻的平方根成比例。因此，電阻降低50%將導(dǎo)致芯片的有源區(qū)減少29%。較小的芯片尺寸不僅增加了每個(gè)晶片的生產(chǎn)數(shù)量，而且還提高了成品率。

PGC Consultancy 的 SiC 成本預(yù)測(cè)模型基于 2021 年同類最佳 1，200-V/100-A 器件，如圖 2 所示。模型的三個(gè)輸入如上圖所示；基于這些假設(shè)的預(yù)計(jì)費(fèi)用如下所示。所有數(shù)據(jù)都標(biāo)準(zhǔn)化為 2022 年 150 毫米芯片成本的已知值或估計(jì)值。最佳和最壞情況由上限和下限表示。在 2022 年和 2027 年，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)兩代（第 4 代和第 5 代），預(yù)計(jì)每代都會(huì)帶來(lái) 45% 的阻力降低，最壞情況下降低到 40%，最好情況下降低到 50% 。 如前所述，由于面積根據(jù)電阻的平方根而減小，因此電阻減少 40% 到 50% 會(huì)導(dǎo)致有源器件面積減少 23% 到 29%。初始裸片尺寸基于同類最佳 1、200V/100A MOSFET（截至 2021 年 9 月）。顯示的輸出是 200-mm 和 150-mm 襯底的 1，200-V/100-A MOSFET 裸片的預(yù)期成本，顯示了基本、最佳情況和最差情況。

圖 2：PGC Consultancy SiC 成本預(yù)測(cè)模型，基于 2021 年同類最佳 1，200-V/100-A 器件。以上是模型中使用的三個(gè)輸入；以下是預(yù)計(jì)的模具成本。所有數(shù)據(jù)都標(biāo)準(zhǔn)化為 2022 年已知或估計(jì)的 150 毫米值。上限和下限代表最佳/最壞情況。

根據(jù)這些假設(shè)，到 2030 年，在 200-mm 基板上制造的 1，200-V/100-A MOSFET 芯片的成本與今天基于 150-mm 基板的成本相比可能降低 54%。

總之，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，基板質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)，加上器件設(shè)計(jì)的持續(xù)增量收益，將使 SiC 在未來(lái)變得更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。

審核編輯：郭婷