Wolfspeed 推出Gen 3+ 芯片

行家说消息   碳化硅 (SiC) 长期以来一直被认为是功率器件的理想半导体技术，其设计和制造创新不仅增加了其在现有市场的份额，而且通过提供更高的功率实现了电动汽车 (EV) 等新应用与硅 (Si) 相比，密度、更好的高速开关性能、更高的击穿场、更高的热导率、更高的芯片温度和更低的漏电流。

Wolfspeed 在 1991 年率先推出商用晶圆，2001 年推出二极管，2011 年推出 MOSFET，引领 SiC 行业。公司的技术发展支持其不断向更大晶圆直径和更低的成本、更高的质量和更高的器件性能迈进。公司拥有超过 35 年的 SiC 开发经验和超过 7 万亿的器件现场小时数。

通用汽车 (General Motors, GM) 最近选择其作为战略 SiC 功率器件供应商 ，这一广泛认可的成功就证明了这一点。通用汽车正在参与 Wolfspeed 供应保证计划 (WS AoSP)，用于电动汽车生产中的国产、可持续和可扩展材料。

毫不奇怪，同样的成功最近导致电动汽车、太阳能和数据中心应用对 SiC 需求的快速增长、晶圆短缺。

Yole Devéloppement 对电动汽车和混合动力电动汽车市场的预测的简化线图。

图 1：到 2030 年的 EV/HEV 市场前景。资料来源：Power SiC Materials, Devices and Applications，Yole Devéloppement。

Yole Devéloppement 预测电动汽车市场是 SiC 的最大机遇，到 2027 年价值超过 50 亿美元，而充电基础设施市场将以 90% 的复合年增长率持续增长到 2025 年。Yole 预计 SiC 将在长期内获得市场份额，因为像 Wolfspeed 这样的公司克服了所有挑战挑战，包括与供应、成本和性能相关的挑战（图 1）。

解决供应和成本挑战

据Yole估计，Wolfspeed在2018-2019年占据了近60%的N型SiC衬底市场份额，由于市场对SiC的信心不断增强，Wolfspeed自然是解决供应挑战的供应商。该公司正在投资 10 亿美元建设一个新的 200 毫米晶圆能力的莫霍克谷工厂 (MVF)，并将其现有设施转变为材料巨型工厂。

当竞争对手仍在使用 150 毫米晶圆厂时，Wolfspeed 正在利用垂直整合和内部“学习周期”来解决需求和成本问题，使用新的汽车级自动化设施生产的 200 毫米晶圆。

MVF 建设已完成，展示了首批 200 毫米晶圆，晶圆厂正在进行量产资格认证。

新莫霍克谷工厂的景观照片。 您可以看到整个建筑以及停车场。 这张照片是在施工完成后不久拍摄的。

图 2：Wolfspeed 在 200 毫米碳化硅晶圆从原型到生产方面处于行业领先地位。新的莫霍克谷工厂制造设施如上图所示。

新型 Gen 3+ 750V MOSFET 的宏观照片。

图 3：Gen 3+ 750 V MOSFET 为低 R DS(ON)和温度鉴定设立了新标准。提高性能赌注

有助于满足 EV 要求的关键性能参数包括 SiC MOSFET 漏源导通电阻 R DS(ON)和额定结温 T j，前者负责传导损耗和热浪费，后者负责器件可靠性及其耐热能力。

Wolfspeed 不断创新，通过新的 Gen 3+ 750 V 裸片 MOSFET（图 3）解决这些问题，该产品已经赢得了几份合同。它采用 5mm x 5mm 布局和 180mm 厚度，具有低内部栅极电阻Rg以优化电流上升时间和开关损耗。重要的是，新器件具有低导通电阻 (R DS(ON) ) 和高最高结温 (T J )。

与 Wolfspeed 的 650 V、15 mΩ MOSFET 裸片（T j额定值为 175°C）相比，Gen 3+ 产品的每单位面积 R DS(ON)以及总面积均提高到 10 mΩ。750 V 的额定电压提高了 FIT 率，而且 MOSFET 还将 T j额定值提高到 175°C 以上（显示 200°C 数据），以便在车辆任务配置文件期间的峰值条件下运行。温度稳定的 R DS(ON)提高了整体效率以及系统温度限制（图 4）。

图 4：Gen 3+ 750 V MOSFET R DS(ON)（蓝色）在 25°C 至 200°C 范围内与竞争产品相比保持较低且稳定。

图 5：新器件提供温度稳定的Vth（蓝色），可在避免杂散导通方面提供更大的设计自由度。

Gen 3+ 技术为栅极阈值电压Vth提供了类似的稳定性，为设计人员提供了足够的余量来积极切换，同时避免虚假开启（图 5）。结合高电容比，稳定的 V th允许在高温下安全运行而无需担心击穿。

此外，Wolfspeed 在芯片两侧使用 Ni/Pd/Au 金属化层叠，以允许双面焊接/烧结。Wolfspeed 的汽车芯片上使用的这种新金属化为更先进的封装解决方案提供了选择，这些解决方案可以提高芯片的性能和封装的可靠性。这方面的例子包括将铜夹或薄膜烧结到管芯顶部，并使用铜线接合以获得更高的载流能力和热能力（图 6）。

特写图显示双面金属叠层和铜烧结。 它标记了每个部分是由什么制成的。

图 6：双面镀 Ni/Pd/Au 金属叠层双面铜焊接/烧结以获得更高的电流和热性能。汽车应用程序的强大性能

符合 AEC-Q101 标准的 MOSFET 足够稳健，可以承受短路和浪涌等故障模式，这是需要高稳健性的汽车应用中需要考虑的重要因素。[3]

该芯片在短路条件下具有 1.2 J 的高能量能力，在 175°C 的结温下具有 >2.6 ms 的耐受时间。该短路耐受时间（在最坏情况下测试）为栅极驱动器技术处理故障提供了足够的安全余量。这些器件还经过测试，可承受高达 340 A 的浪涌电流，或根据应用条件承受 >3 倍额定电流。这种浪涌电流能力对于主动短路模式或其他高电流事件很重要。

该芯片还能够在有限的时间内承受高达 200°C 的高温偏移事件，而不会影响设备可靠性。此功能已通过在 200°C 下持续 168 小时的延长高温 AEC-Q101 测试得到证明。

标准条件下的开关性能测试证明了 30 V/ns 和 4 A/ns 的开关速度，在瞬态期间没有超过额定电压。该器件还表现出随温度变化的一致开关损耗，在 25°C 至 175°C 的测试范围内，总开关损耗仅增加 150 µJ。这些器件的快速开关能力和在整个​​温度范围内的稳定运行导致系统中的整体开关损耗较低。  

Wolfspeed 分享了其 200 毫米扩展和新的汽车级750 V 裸片 MOSFET的新细节，专为电动汽车动力总成应用而设计。高达 200°C 的稳健运行、强大的短路能量 (1.2 J) 和时间 (> 2.6 ms) 能力、高达 340 A 的浪涌电流以及低 (10 mΩ) 传导损耗使 750 V、10 mΩ SiC MOSFET 成为可能成功设计成新型电池电动汽车。