碳化硅和氮化鎵等寬帶隙功率半導體可減小組件尺寸、提高效率并改善混合動力和全電動汽車的性能。現在越來越多的汽車制造商押注于 SiC 和 GaN，芯片制造商正在轉變他們的業務，以利用電動汽車市場的爆炸式增長。

在先進汽車技術論壇的電動汽車寬帶隙半導體小組會議上，三位行業專家討論了解決GaN 和 SiC當前挑戰和未來機遇的努力。

把握電氣化勢頭

在清潔能源領域，電動汽車市場是迄今為止最具活力的。2012 年，全球售出約 130,000 輛電動汽車。今天，這是一周內售出的電動汽車數量。

Covid-19 大流行嚴重影響了傳統汽車市場，但并未抑制電動汽車的銷售。國際能源署 (IEA) 的最新數據顯示，2019 年電動汽車銷量為 220 萬輛，2020 年為 300 萬輛，而電動汽車銷量在 2021 年翻了一番多，達到 660 萬輛，占全球汽車市場的近 9%。2021年全球汽車銷量的凈增長來自電動汽車。

根據 IEA 的數據，在政府補貼和其他激勵措施的推動下，中國在 2021 年引領了全球電動汽車市場的增長，銷量幾乎翻了三倍，達到 340 萬輛。中國政府的官方目標是到 2025 年電動汽車的市場份額達到 20%。

作為綠色協議的一部分，歐盟為自己設定了到 2050 年實現中立的雄心勃勃的目標，并決定在 2035 年后禁止銷售新的化石燃料汽車。事實上，電動汽車的銷量增長了近去年 70% 至 230 萬。而這僅僅是開始。

不僅汽車制造商必須適應并跟上電動汽車的普及率。電源芯片供應商正爭先恐后地滿足對車載充電器、牽引逆變器和 DC/DC 轉換器等 EV 動力總成組件的需求。

“市場正在經歷一場革命，Tier 1 的角色被完全重新定義，”onsemi 汽車牽引解決方案總監 Pietro Scalia 說。“半導體廠商有一個很好的機會來加強并搶占優勢領域，因為這一切都與系統有關。”

根據英國研究公司 IDTechEx 的數據，每輛電動汽車對半導體的需求約為內燃機汽車的 2.3 倍。到 2022 年，按照目前的發展軌跡并假設沒有供應限制，IDTechEx 預測，與沒有電氣化的情況相比，汽車行業的電氣化（BEV、PHEV、FCEV、HEV、48 V）將需要額外價值 74 億美元的半導體材料。

然后出現了一個問題：面對半導體短缺，電氣化是否可持續？

“如果你想讓你的車隊電氣化，你不能在一年內做到；你需要五到十年，”斯卡利亞說。“原始設備制造商正在簽訂長期協議——不僅是商業協議，還有技術協議。客戶想知道我們的路線圖，了解從現在起三年后比電阻的品質因數會達到什么水平，因為今天他們購買了某種性能的芯片，但他們肯定需要更新他們的電源模塊。”

除了與原始設備制造商的持續互動外，斯卡利亞還強調，強大的供應鏈是“必不可少的”，而多大陸采購“非常重要”。

總部位于鳳凰城的 onsemi 聲稱，其SiC MOSFET和SiC 二極管目前用于電動汽車，并且與世界各地的汽車 OEM 都有合作項目。

“毫無疑問，碳化硅晶圓短缺阻礙了 [EV] 市場的增長，”意法半導體 (ST) 功率晶體管宏部門戰略營銷經理 Filippo Di Giovanni 說。為解決全球產能限制并實現基板設計和內部生產，ST 在 2019 年底以 1.375 億美元收購了瑞典 SiC 晶圓制造商 Norstel。然而，建立大批量基板產能需要時間，Di Giovanni 表示 ST 已經與合作伙伴簽署了“價值數億美元的大型戰略供應合同，以獲得連續性和獲得基板的機會。” 目標是到 2025 年“至少有 40% 的基板需求在內部生產”。

在這些不確定的時期，建立制造和供應鏈的彈性是當務之急。由于需求主要集中在兩個世界地區，ST 的 Di Giovanni 表示：“我們的產能增長非常快，在非常靠近中國的新加坡開設了第二家生產工廠……并在非常靠近歐洲的地方引入了第二條裝配線，在摩洛哥，卡薩布蘭卡。”

Nexperia 還傾向于采用雙重采購方法來降低供應鏈風險。“在汽車行業，您需要雙重采購，這就是我們擁有歐洲資源和遠東資源的原因，”Nexperia 功率 GaN 技術戰略營銷總監 Dilder Chowdhury 說。

過渡到 8 英寸晶圓

下一代電動汽車將需要滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等嚴格要求的技術。SiC 和 GaN 功率半導體為汽車制造商提供了有前景的解決方案，并且正在從 150 毫米（6 英寸）到 200 毫米（8 英寸）晶圓生產過渡。

雖然增加晶圓尺寸會顯著降低組件的單位成本，但它在消除缺陷和提高交付半導體的可靠性方面提出了重大挑戰。

7 月，意法半導體宣布已在其位于瑞典諾爾雪平的工廠制造了第一批 8 英寸 SiC 體晶片，用于下一代功率器件的原型設計。該公司聲稱，這些初始晶圓具有“高質量，對產量的影響和晶體位錯缺陷最小”。

ST 目前在其位于卡塔尼亞（意大利）和宏茂橋（新加坡）的工廠的兩條 6 英寸晶圓線上生產 STPOWER SiC MOSFET，并在其位于深圳（中國）和 Bouskoura（摩洛哥）的后端工廠進行組裝和測試. “現有的處理 6 英寸晶圓的設備也可以處理 8 英寸晶圓，”Di Giovanni 說。“切換到 8 英寸會很順利，并不意味著要購買全新的設備。”

同樣，Scalia 表示，Onsemi 目前生產 6 英寸晶圓，因為“這是市場標準”。然而，該公司于 2021 年 11 月收購了 GT Advanced Technologies (GTAT)，旨在投資擴大 GTAT 的制造設施，支持研發工作以推進 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶體生長技術。“GTAT 正在研究 8 英寸，我們已經在測試材料，”他說。“這不是一次輕松的步行，但這是一次必要的步行。我們都需要 8 英寸。”

GaN晶圓生產也正在轉向8英寸。

“GaN [晶圓] 目前采用 6 英寸，但我們計劃將 [它們] 轉換為 8 英寸，我們相信產量的增加和我們的 8 英寸過渡將與我們在市場上看到的時間表兼容， ”喬杜里說。

另一方面，英飛凌和松下最近宣布，他們正在開發第二代 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓，將于 2023 年推出。

同樣，總部位于中國蘇州的 Innoscience 有兩個晶圓廠專門用于制造 8 英寸 GaN-on-Si 器件，并生產適用于各種應用和電壓的常關（e 模式）GaN 器件——低電壓（低至 30 V ) 和高電壓（高達 650 V）。Innoscience 表示，目前的產量為每月 10,000 片，但到今年年底將達到每月 14,000 片，到 2025 年將達到每月 70,000 片。

延長電池續航里程

牽引逆變器將來自車輛電池的能量轉換為驅動動力總成電機。它直接影響車輛的駕駛性能、續航里程和可靠性，尤其是由于其重量和尺寸。

“碳化硅在汽車電氣化中如此重要的主要原因是它在牽引逆變器中的作用，”迪喬瓦尼說。“由于效率的大幅提高，一輛給定的汽車可以行駛更遠的距離。”

Di Giovanni 補充說：“設計師有可能減少對冷卻系統的限制。冷卻系統是車內最昂貴的部件之一，特定駕駛員可以駕駛汽車更長距離的事實將有助于緩解基本上困擾電動汽車潛在購買者的所謂里程焦慮。”

Nexperia 一直與汽車工程公司 Ricardo 合作開發基于 GaN 技術的電動汽車牽引逆變器。Chowdhury 說：“我們看到了在相同電池功率下擴展續航里程的好處，或者我們可以減小相同續航里程的電池尺寸。”

解決熱管理問題

為了利用寬帶隙半導體的潛力，設計人員必須估計使用這些材料所固有的挑戰。通過在更高的開關頻率和功率密度下工作，可以減小無源元件（電感器和電容器）的尺寸并構建更輕、更小的系統。但是，可能會出現熱管理問題。

“不用說，材料創新應該與包裝創新齊頭并進，而不是浪費或抵消新材料帶來的巨大改進，”Di Giovanni 說。例如，意法半導體的 ACEPack“允許客戶使用銀燒結技術將此封裝安裝到散熱器中。不僅芯片通過銀燒結連接到封裝上，而且背面的處理方式也可以使用相同的技術安裝到散熱器上，我們知道銀燒結遠遠優于焊接技術熱阻和長期可靠性。”

意法半導體和法國汽車制造商雷諾還就意法半導體的電池驅動和混合動力汽車電力電子系統的產品和相關封裝解決方案的設計、開發、制造和供應建立了合作伙伴關系。“我們正在開發下一代 SiC 和 GaN 功率模塊和器件，以滿足他們在未來推出電動汽車的雄心勃勃的計劃，”Di Giovanni 說。Chowdhury 表示，基于其在使用銅夾技術方面的經驗，Nexperia 開發了 CCPAK 表面貼裝封裝來替代內部鍵合線并最終“獲得更好的散熱效果”。由于 GaN 的高熱性能，“關鍵是要獲得高密度功率耗散以及 PIN FIN 技術等冷卻系統。”