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如何完美发挥「WBG」半导体效能?

本文作者:任苙萍       点击: 2023-04-30 22:59
前言:
以碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 为主的「宽能隙」(WBG) 半导体以损耗少、效能高着称,然而想要将这些强项发挥到极致,需从材料、晶圆、元件、模块到系统等多个环节共同努力,并非一句宣布「采用」就能轻松达阵。

材料是碳化硅一大关键,为掌握质量并力保供料无虞,国际整合元件制造 (IDM) 大厂莫不倾力投入发展。甫获鸿海科技入股的盛新材料科技即透露,光是材料就占了他们总制造成本的五成!加上长晶过程不易,用的又是高纯度、高价材料,为免工艺徒劳及浪费,亟需「非破坏式」的晶体/晶圆检测技术相助——仅经由表面加工处理、不须损伤晶体就能观测质量和基板 (Substrate) 缺陷,且可检测刮痕、电阻率等表面特性以提高元件良率,基板的优劣尤为关键。

元件商同样重申「量测」的兹事体大,且与量测厂商同声强调「双脉冲」(Double Pulse) 的绝对必要性。这是由于中、下游厂商更关心的是切换损耗 (Switch Loss)、闸极充放电容的电荷量等动态参数;偏偏大部分功率元件会因感性负载 (inductive load) 大而产生反向恢复电流,导致单一脉冲无法精准辨别之故。双脉冲测试有两大关键:一是软件整合,二是为用户的待测物提供客制化解决方案并担保治具质量,以免因接触不良而误导测试结果。

模块暨系统厂商亦附和「可靠度」的重要,包括零组件硬件本身的能力、材料、工艺,以及人力组织的软实力,这需要长时间测试与累积,并经过分析验证之后才知学理是否正确?此外,还得评估产品或系统整个生命周期 (Life Cycle) 的「RAM」成本——可靠度 (Reliability)、可用度 (Availability)、可维护度 (Maintainability),及其后所衍生出的风险管理,尤须留意会重复出现的「系统性失效」,这有赖「系统工程」确保每次输入、处理、输出的操作流程及结果。

最后,有趣的是,在访谈的过程中,有些厂商乐观看待台湾拥有完整的碳化硅供应链以及中、美以外的「第三地生产」优势,但也有业者先进认为中国大陆的电子电路基础扎实又有政策扶持,极可能异军突起;复考虑到功率器件尺寸与切换损失的问题,未来对于「高操作频率」的市场需求或更高,相较之下反而更看好氮化镓的远景……。更多关于如何将「宽禁带」效能发挥到极致以及市场前景的讨论,尽在本期【产业特辑】。
 
 
 
SiCGaN 领跑,宽能隙全力冲刺功率半导体市场
 
以碳化硅 (SiC) 与氮化镓 (GaN) 为主的宽能隙(WBG) 功率元件,近年热议不断,两者皆以「能源效率」着称。前者胜在高压,拜电动车 (EV) 之赐而声名大噪;后者强在高频,因为数据中心及消费电子变压器的采用而跃上舞台。
 
曾在碳化硅耕耘多年、现转攻氮化镓领域的 GaN Systems 副总经理庄渊棋表示,今后数十年人类会遇到的重大生存问题,能源就是其一;宽禁带受到数字经济、电子设备及不同能源系统转换三大面向驱动,需求持续看涨。
 
节能&储能,推动「宽能隙」半导体前行
首先,社群软件兴盛的今天,数据正以倍数成长,自驾车上路后,预估每天数据量将达 4GB2025 年在手机、自驾车等驱动下,日常流动数据量将上看 ZB (10 21 次方),数据中心与高速运算在增加算力和内存容量的同时,能耗也增多。假设电动车充电每辆耗能 100W,若希望在 15 分钟之内充满 80%,以 400V1000A 计算,亦即每支充电枪的电流数约 8001000A;通常一个充电站配有 10 支充电枪,10000A 同时发生,旧有都市建设的电力系统根本无法负荷。于是,为普及电动车,美国两年前就规定:设立一个充电桩须搭配一个储能系统。
 
其次,随着电动车被推上时程,从能源生成的角度来看,预估 2025 年再生能源最多只占总能源消耗的四成,仍有六成须仰赖传统发电;而数据中心是吃电大怪兽,欧盟已规定能源效率从 94% 提升至 96%,旧有电源架构及材料无法企及。最后,一般用电及再生能源转换过程也有能耗损失,都是推动宽禁带前进的力量。庄渊棋指出,自从特斯拉 Model3 点燃碳化硅商机,板载充电 (OBC) 和牵引逆变器 (Traction Inverter) 改用碳化硅就成了现在进行式;但汽车产业相当保守,硅基元件改用碳化硅时原则上会遵行等值转换,即原本 1200V 就用 1200V。 
 
庄渊棋宣示,以往 OBC 操作频率在 5060kHz,就材料特性而言,此时硅基、碳化硅和氮化镓差异不大,只是宽能隙的切换损失 (Switch Loss) 会少一点。拉到 100kHz 后,硅基明显跟不上,将尽显宽能隙的切换及传导损失 (Conduction Loss) 加总优势;但若再往上到 120150kHz,碳化硅就有点撑不住,效能呈现停滞。日后上看200kHz500kHz,氮化镓反而是最佳主角,依然可维持极小切换损失。再者,驾驶油门踩放之间的切换损失很大,若这个损失占电池达 1/3,氮化镓效能将优于碳化硅,对于电池容量小的轻量电动车影响甚巨。
 
氮化镓潜力大!有机会打入电动车 OBC 及城市行车逆变器
「今天电动车的牵引逆变器多采用碳化硅,但若加计切换损失,未来电池容量小的城市行车极有可能改用氮化镓」,庄渊棋说。他并提到,丰田 (TOYOTA) 与电综 (DENSO) 曾做过一项实验:把所有汽车开关元件改用氮化镓来做,因为冷却系统和设计相对简单,在同一架构下,氮化镓的物料清单成本 (BOM Cost) 会下降 8%;另在同样大小的逆变器下,硅基组件电力只有 15kW,但氮化镓可达 25kW,效能优异。换个角度探讨,OBC 11kW 下,氮化镓变压器尺寸可较硅基缩减 50%;或是同在 6kW 下,可将操作频率拉升至 500kHz
 
庄渊棋预言:现行 OBC 和逆变器皆是碳化硅为主,但长远的未来 OBC 会以氮化镓为主,逆变器则与使用场域有关,重点在于「切换损失」。要缩减尺寸最佳手段就是拉高频率,所以拉高频率将是趋势,但碳化硅对此并不具优势。究竟改用碳化硅或氮化镓?端看频率或效能需求,应用场域与商业行为将是决策关键。但他不讳言,汽车要千锤百炼,虽然现今已有系统商针对牵引逆变器并行发展,但改架构并非易事;加上去年开始才有厂商专为氮化镓提供控制器和驱动器,采用转向过程有学习曲线问题,这样的改变并非短期内会发生。
  
这似乎也解释了为何近期英飞凌 (Infineon) 将以 8.3 亿美元全现金方式收购 GaN Systems、以强化电源系统的原因。英飞凌执行长 Jochen Hanebeck 公开宣示,氮化镓技术导入动充电、数据中心电源供应、住宅用太阳能逆变器和电动车车载充电器等应用正处于转折点,将与硅、碳化硅并驾齐驱,并搭配混合返驰式和多级实现等新的拓扑结构应用。研调机构 Yole 预估,到 2027 年,用于功率应用的氮化镓营收将以 56% 的年复合成长率 (CAGR) 增长至约 20 亿美元。
 
能隙大、散热佳,碳化硅不仅高效还能简化冷却系统
台湾阳明交大光电工程研究所教授兼鸿海研究院所长郭浩中表示,电动车是不可挡的趋势,亦是实现净零碳排不可或缺的元素。业界普遍预测 20352040 年,电动车的占比将过半,亦是甜蜜点,2050 年将有很多地方再也见不到燃油车的踪迹。他援引市调资料预估:2040 年全球电动车产值将达 2.1 兆美元,达 5,000 万辆规模,中国与美国是两大电动车市场。;届时,手机产值不过 0.9 兆美元,约 18 亿支产量。相较之下,电动车市场更诱人!也为碳化硅带来无限商机。
 
郭浩中指出,电动车的牵引逆变器、板载充电和 DC/DC 转换器 (Converter) 三大领域,正积极从绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 转向碳化硅,意法 (ST)、安森美 (OnSemi)、罗姆 (Rohm)、科锐 (Wolfspeed)、英飞凌是五大主要供货商;其中,ST 受惠于特斯拉 (Tesla) 的采用,市占最大。就工艺来说,ST Wolfspeed 是采平面式 (planar) 工艺,亦是现阶段主流工艺,且不只上游晶圆,从模块到系统的关键技术亦多掌握在大厂手中。
 
鸿海研究院半导体研究所组长萧逸楷介绍,碳化硅是本世纪的新产物,在 2010 年始见商用化,其禁带是硅基元件的 3.3 倍,漏电流低很多,这关系到整个系统的能量损耗与碳排量以及冷却系统的简化;与此同时,碳化硅本身的散热能力是硅基的三倍,这意味着只需传统气冷系统,不需动用复杂的水冷系统就足以应对散热。另从产品生命周期观点来看,碳化硅可从中获利约 550美元;不论就节能减碳的政策面、技术面和经济面,碳化硅虽属于利基型市场,却相当具有吸引力。 
 
工艺缺陷多,检测/量测设备至关重要
萧逸楷分析,碳化硅现有三大瓶颈:制造成本高、工艺须优化以及耐高压元件的开发。首先,来自于长晶、制造、封装过程缺陷 (defect) 的产量损失 (Yield Loss) 高达三成,有意投入者若能设法降至个位数,或有机会一举吃下庞大市场。其次,碳化硅长晶技术严苛且主要技术和关键材料多属欧美大厂所有;另一方面,从长晶开始缺陷数就很多,且这些缺陷会一路跟随工艺往下转移、甚至生成更多元的缺陷类型,极需高速检测技术奥援。   他补充,碳化硅工艺虽与硅基类似,但由于整个工艺温度提高非常多,例如,退火须至 1600℃ 以上高温,需要予以优化。如何提高电子移动率 (electron mobility) 以改善传导值与高频特性是另一重要课题。最后是改善耐高压元件的可靠度和效能,须从减少传导损失并提高迁移率以降低通道阻抗、增加电流值着手。
 
萧逸楷直言,相较于硅基元件,碳化硅模块封装在高压、高温、高湿度环境下的挑战极大;有时候元件本身是良品,却在封装出状况,个别状态良好不代表加总后的状态也完美。此外,基板 (Substrate) 价贵且工艺特殊,若能善用电子设计自动化 (EDA) 仿真软件可较快取得成果;另随着电压提高,电流也从毫安 (mA) 提升至数十安培 (A) 等级,还须考虑寄生效应,检测/量测设备亦至关重要。   
 
台北科技大学电机系教授黄明熙则提到「双脉冲」(Double Pulse) 之于宽禁带量测的不凡贡献。黄明熙他统整「双脉冲」的传统量测用途:1.电源转换之切换损失、传导损失、反向恢复 Qrr 损失等关键参数;2.与电流控制息息相关的电压应力 (Voltage Stress)3.审视寄生二极管或二极管的反向特性;4.验证电源开关的闸极驱动器。不仅如此,双脉冲更是功率级设计的好帮手,用来测量主要电流路径的杂散电感 (stray inductance)、功率转换之杂散电感对关断电压突波 (spike) 影响、检查并联电源切换之间均流现象、验证电源开关的 Spice 模型,以及研究变压器/扼流圈的磁通饱和度。
 
黄明熙统整杂散电容对电源级设计的影响包括: 1.      杂散电感可能存在电路板的电源走线 (Power Trace),进而影响模块的电源切换和电容; 2.      杂散电感可能会在关断瞬态、电磁干扰 (EMI) 时引起电压应力,以及并联电源开关之间的不平衡均流; 3.      PCB 设计时间,可透过 Ansys Q3D 提取和减少主功率流路径的杂散电感、减少关断电压突波,再使用 DPT 验证设计。
 
功率元件感性负载大,单一脉冲无法精准辨别
专精功率元件的Diodes亦赞同双脉冲测试对于宽能隙的重要。项目经理詹雅惠表示,件制造商在意的是耐压、导通、驱动电压等静态参数,但站在模块、马达、车厂等中、下游厂商立场,更关心的是切换损耗 (Switch Loss)、闸极充放电容的电荷量 (Gate Charge, Qg)dv/dtdi/dt 等动态参数。碳化硅切换快、损耗低,双脉冲须很精准且须排除电感等外部噪声以免误导;更理想的作法是:只要简单设定电压区间就会自动扫瞄,方便快速建模且知道产品极限。她并厘清为何不能只用单一脉冲量测的原因。这是因为大部分功率件的感性负载 (inductive load) 很大,关闭待测物时,电感电流仍会持续流动而自动开启二极管 (diode);当待测器开启时,二极管会有反向恢复过程进而产生电流,单一脉冲无法精准辨别。试将快速反向恢复的 MOSFET (金属氧化物半导体场效晶体管) vs. 传统 super-junction (超接面) MOSFET 做比较,前者反向恢复电流 (IRR) 相对下降很多。整体而言,MOSFET 是电场效应,若闸极氧化层 (Gate Oxide) 做厚一些,不容易被击穿,但效率相对差、启动慢。如何寻找击穿电压与效率的平衡点以及产品可靠度定位,是首要任务。 
 
Diodes 公司看好车用可靠度要求高,已积极转向车用元件发展;截至 2022 年车用已占公司整体营收的四成。如今,看好 ESG 永续发展商机,着眼更高的电压与功率密度、更少的导通 (Conduction) 和切换损耗、高转换效率,且考虑到氮化镓配套尚未完善及电子游离问题,认为碳化硅在车用领域更有发挥空间而全力投入开发。詹雅惠表示,碳化隙可承受电压较高、电子游离速度快,有利于高频应用;且热导亦是传统硅基元件的三倍,散热佳。若 DC/ACAC/DC 逆变器或 DC/DC 转换器全都换成碳化硅,可大幅降低能耗。
 
碳化硅产品主要有三大类:1.二极管,650V 锁定 400V 电池系统,1200V 面向 800V 电池系统;2.MOSFET,支援双向反充;3.模块,集成被动组件,最高支持 1700V。詹雅惠比较 IGBT (绝缘闸双极晶体管) SiC MOSFET:就 2kW 的板载充电 (OBC) 的功率因子校正 (PFC) 系统来看,改用碳化硅可提升 2.53% 效能;另传统 IGBT MOSFET 是热源最易聚集的地方,散热佳的碳化硅温度表现优异。她援引 Yole 报告:2021 年全球功率碳化硅器件市值约 10.9 亿美元,2027 年将达62.97 亿美元,期间年复合成长率 (CAGR) 34%,而车用是最大分众市场。
 
电动车最在意里程数,驱动逆变器和充电桩若改用碳化硅,可大幅拉升 AC/DC 转换效率;另高铁牵引逆变器、数据中心和工业用计算机亦是碳化硅应用大宗。