深入了解博世的碳化硅（SiC）半导体技术

0105Bosch SiC-投资组合....................................................................19概述。 ..............................................................................3内容04路线图与技术..................................................................8SiC-Roadmap.....................................................................................................................8 双通道槽沟概念。..................................................................................................9 基板。 .........................................................................................................................14 为未来扩展SiC：转向200毫米晶圆...........................................1603全球生产和合作伙伴网络........................................602汽车与半导体经验相结合. ................4 这份白皮书探讨了博世针对汽车应用的碳化硅(SiC)半导体技术。凭借在SiC领域超过20年的经验，博世提供从裸片到底层集成解决方案的全面产品组合。白皮书涵盖了博世的单沟槽MOSFET技术、衬底创新以及向200毫米晶圆的转型。此外，白皮书还阐明了博世全球生产能力及合作伙伴网络，并强调公司对汽车技术未来创新和安全供应链的承诺。01总结 博世开发和生产MEMS传感器（微电子机械系统）、ASICs和AsSoCs（应用-02汽车和半导体经验相结合离散：芯片在模具外壳中，例如在车载充电器或DC/DC电源适配器中，直接与电路板连接使用。裸片：一个未包装的芯片，用于高压应用，如逆变器性能模块。没有什么公司能像博世那样，在开发高性能电子系统时将汽车和半导体经验结合起来。这种深厚的汽车领域系统理解能力使公司能够为特定目标应用量身定制半导体。因此，博世可以通过半导体系统创新令人信服，并通过工业化规模效应创造竞争优势。凭借超过60年的经验、全球的成品和合作伙伴网络，以及持续在开发和生产领域的投资，博世如今塑造着未来的交通，并且是汽车领域的主要半导体制造商之一。博世被称为“集成设备制造商”(IDM)——一家能够自主研发、生产和推广半导体的企业。到2035年，博世预计每辆新车内将集成平均超过40颗自有芯片。 专用集成电路和应用特定片上系统)，并且是全球少数几家开发和生产碳化硅（SiC）功率半导体器件的汽车供应商之一。自2019年以来，博世已在外部市场进一步拓展，并提供功率半导体作为独立供应商：SiC-MOSFETS以裸片、分立器件和功率模块的形式，在每个价值阶段直接向汽车制造商、Tier-1和Tier-2供应商以及分销商销售。博世的产品范围从标准解决方案直至为特定客户项目量身定做的SiC半导体特制布局。因此，博世是全球少数几家在半导体领域，尤其是在SiC方面，如此灵活的汽车供应商之一。博世在汽车MOS FET和SiC领域拥有20多年的经验。SiC半导体的开发始于2001年，首款MOS FET原型于2011年可用。 图1：汽车工业中最重要的SiC应用一览。逆变器驱动电机OBCHV电池▪ 之间切换频率10khz和40khz▪ 功率范围在 50kW 和400千瓦逆变器电机补充 AUT 应用 + 工业应用博世与中国汽车市场：面向未来的战略合作伙伴关系作为中国全球最大的汽车市场，欧洲主场和美洲增长市场之外，中国市场对博世发挥着重要作用。中国电动汽车市场正在目前，许多OEM厂商正在建立垂直整合方面的能力，并越来越多地寻求具有竞争兼容性的单个组件。在此，博世通过自有半导体制造和作为汽车供应商的专业知识提供支持。公司在此过程中依赖长期经验——在生产中的半导体工艺开发，或在针对动力总成芯片的需求设计方面。自行定义其E/E架构的汽车厂商，因此获得最大程度的灵活性，并获得一个平起平坐的合作伙伴的支持。 OBC将电源转换为网格到高压电池▪ 开关频率 > 100kHz▪ 功率范围为 3.3kw 和22kWDC/DC转换器LV电池DC/DC转换器从HV到LV电池▪ 开关频率 > 100kHz▪ 功率范围在1kW和5kW之间在全球范围内速度最快，并引领电气化标准。到2035年，中国道路上行驶的车辆将有一半实现纯电动。博世目前已与几乎所有中国汽车制造商以及在中国运营的众多国际汽车制造商密切合作。因此，博世的SiC芯片在比亚迪——全球最大的电动汽车制造商的供应链中占有高比例，并在高端车型中显著应用。博世还是长城汽车（GWM）SiC产品的核心供应商。2022年，GWM与合作伙伴成立合资公司新动后，博世与该公司签订了长期SiC供应协议。此外，博世采用SiC技术的400 V eAchse作为小米首款汽车SU7电动驱动系统的核心部件。 自2021年底起，博世在雷滕镇以150毫米晶圆批量生产其碳化硅芯片的第一代产品。03全球生产和合作伙伴网络博世拥有战略布局的全球生产和测试站点网络，以确保最高质量标准和可靠供应。除晶圆厂外，博世还运营测试中心。博世在地点和全球零部件网络方面的战略布局对于生产能力、创新和客户亲近度以及供应链安全至关重要。凭借这种地理和战略布局，博世可以提高半导体全球供应能力，推动创新，并为当地市场提供更快、更可靠的解决方案。 这里对芯片进行全面的测试，以确保其性能、可靠性和符合严苛的汽车标准。凭借这个全球性的前端和后端制造工厂半导体网络，博世在全球范围内做好了充分准备。博世公司的全球半导体网络得到了众多硅晶圆代工厂合作伙伴和OSAT供应商（外包半导体组装和测试）的加强。与许多国际合作伙伴的合作有助于确保供应链并提高半导体的全球可用性。 12022-25%22022SiC路线图R A (mΩcm²) at 175°C on图3：750V类别的路线图。图2：1200V级路线图。R A (mΩcm²) at 175 °C onst1,200 VSiC 槽沟ndgen 750 VSiC 槽沟博世在750 V和1.200 V类别的SiC技术路线图促进了成功和长期的市场定位。博世在这里遵循一条快速创新路径，每2至2.5年推出一代新产品。每一代与前一代相比，主要性能指标都有显著提升。SiC MOSFET的功率密度随着每一代新产品的推出而提高；04路线图与技术 22024-20%2024-20%nd1,200 VSiC 槽沟改进二极管开关提升PTO鲁棒性提升宇宙射线鲁棒性 202620282030452026202820303rd1,200 VSiC 槽沟增强交换性能增强鲁棒性th1,200 VSiC基th1,200 VSiC基rdgen 750 VSiC 槽沟开关特性得到改善，而鲁棒性保持不变或甚至提高。除了SiC功率MOSFET的单元架构改进外，还会添加集成传感器功能或替代性能金属化等新特性——始终以为目标，为客户提供最高的用户友好性和灵活性。 ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––双通道-沟槽概念1) 来源：SiC晶体管对比报告，Yole Group，2024竞争对手——平面门技术▪ 用于第一和当前几代SiC-MOSFET▪更大的节距尺寸更高x 与沟槽相比的面积技术门SS排水更大的节距在SiC MOSFET中存在两种主要结构：平面型和沟槽栅型MOSFET。在平面结构中，栅极复合结构（栅极电极和栅极氧化层）位于表面；电流在晶体管的沟道中侧向流动。相比之下，在沟槽MOSFET中，栅极复合结构位于垂直沟槽结构中；电流垂直通过沟道。沟槽栅结构可以实现明显更小的单元尺寸（间距尺寸）。博世第一代1,200 V SiC MOSFET器件在市场上具有最好的性能之一R*A和R*Qg对于车辆在功率应用中的现代SiC MOS-FET，有三个方面至关重要：性能和鲁棒性；SiC衬底的质量控制；先进制造。图4：博世目前在其150毫米晶圆厂位于雷乌廷根生产大量的碳化硅MOSFET。基于博世自己先进的双通道沟槽栅极MOSFET设计和制造工艺的这些组件，相较于传统的平面栅极技术具有优势。 更低的性能芯片面积需求（更高的性能密度）。这是槽式架构相对于其平面对应物的关键优势。为了将槽式架构推向最大性能，博世开发了一种双通道槽式技术。这使得在具有高寿命要求的应用中，能够实现高静态和动态性能的独特组合，同时提高可靠性和鲁棒性。双通道技术在每个槽的两侧使用两个电子通道。因此，与单通道架构相比，该通道电阻（构成器件总电阻的主要部分）可以减半。1 DS(导通)DS(ON) 102030405001图5：博世SiC MOSFET中典型寿命、漏电流和栅极氧化层漂移的示例。终身h1e10T = 140°C门漏电流AT = 200°C1e-3t63内禀终身1e80.1ppm1e61e-6老化测试1e41e-9典型应用窗口1e21e-12门极应力电压高内禀寿命允许高效外显筛选双通道沟槽技术，用于更长的使用寿命和坚固性每种MOSFET技术的弱点是栅极氧化层。通过采用双沟槽技术，可以在晶体管关断状态下非常有效地屏蔽栅极氧化层免受强电场的影响，同时通过精心控制栅极氧化层工艺可确保导通状态下的高可靠性。尽管SiC沟槽技术的性能优势毋庸置疑，但必须特别关注可靠性和鲁棒性。博世致力于零缺陷策略和可靠性导向的设计，从而确保其SiC功率组件在电动汽车整个使用寿命期间都能安全稳定运行。 400.0110.1Vth漂移VVGSS = -5 V/18 VdV/dt = 0.5 V/ns1e9栅极电压1e101e111e12转换脉冲数极度低Vth漂移提供。因此，博世的二极管沟槽技术将功率组件的使用寿命远远超过典型标准，并为实现最低的FIT（时间失效率）率提供了充足的空间。此外，用于SiC MOSFET的栅极氧化层也必须具有非常低的阈值电压漂移。通过这种最小偏移，开关操作以及功率和开关损耗即使在寿命要求极高的应用中，也能在设计窗口内的功率模块中保持稳定。这种低漂移还允许模块设计具有更高的整体性能，这可以通过使用负栅极电压进行关断来实现，这在典型的牵引开关应用中通常发生。这既显示了栅极氧化层的高可靠性，也体现了对汽车应用的明确关注。 20VGSS，max 性能与鲁棒性之间的平衡始终是一个目标冲突。博世在每一代中都显著提升了在特定导通电阻（相当于一定电流下的芯片尺寸）和饱和电流（相当于提高的短路强度）之间的平衡。在汽车工业的牵引逆变器应用中，低饱和电流下的低特定导通电阻是理想的。通过这种方式，可以实现功率晶体管，它们不仅能在小芯片面积上处理高电流，还能确保足够的短路强度，以符合应用特定要求。在短路情况下，SiC芯片必须能够在一个特定时间内处理非常高的电流（即饱和电流）。这个时间被称为短路强度。为了有足够的时间防止芯片被破坏（断开或降低电流），优化的性能与短路强度平衡 必须使碳化硅芯片的内部短路耐受时间比识别短路事件所需的时间更长——再加上栅极驱动器的反应时间以及关闭芯片所需的所需时间。良好的碳化硅功率MOSFET设计确保了所需的短路耐受能力，同时保持较低的固有导通电阻。具有低电感的模块设计和采用先进的栅极驱动器解决方案（如博世的专用碳化硅栅极驱动器）通过缩短识别和反应时间，