深入了解博世的碳化硅(SiC)半导体技术

Inhalt01摘要...................................................................................................................................302汽车和半导体经验的结合..............................................................................................403全球生产及合作伙伴网络..............................................................................................604路线图和技术...................................................................................................................8碳化硅路线图.........................................................................................................................................................................8双通道沟槽概念.....................................................................................................................................................................9衬底.........................................................................................................................................................................................14面向未来拓展碳化硅：过渡至200毫米晶圆尺寸.....................................................................................................1505博世的碳化硅产品组合................................................................................................18 01摘要本白皮书探讨了博世在汽车应用领域的碳化硅(SiC)半导体技术。凭借超过20年的碳化硅研发经验，博世可提供从裸片到集成解决方案的全面产品组合。白皮书涵盖了博世的双通道沟槽MOSFET技术、衬底创新以及向200毫米晶圆尺寸过渡的进程。并聚焦博世在全球范围内的制造能力和合作伙伴网络，彰显了博世面向未来汽车技术领域持续创新和保障供应链安全的坚定承诺。 02汽车和半导体经验的结合与其他公司不同，博世将汽车与半导体领域的专业知识紧密结合，开发出强大的电子系统。正是这一深厚的汽车行业系统知识，使博世能够为特定目标应用开发定制化的半导体解决方案。这使博世能够针对半导体创新，并通过产业化的规模经济创造竞争优势。凭借60余年的经验积累、覆盖全球的制造和合作伙伴网络，以及在研发和生产方面的持续投资，博世现已成为行业领先的汽车半导体制造商之一，并正在塑造当今移动出行的未来。博世在半导体领域集研发、生产和销售于一体，并将自己定位为集成设备制造商(IDM)。博世预计到2035年，每辆新车中将集成超过40颗博世芯片。目前，博世可研发和生产MEMS传感器、集成电路、专用集成电路和专用片上系统(AsSoC)，此外，博世也是全球少数几家能够开发并量产碳化硅(SiC)功率半导体的汽车供应商之一。博世在车用MOSFET和碳化硅领域拥有超过20年的经验。博世于2001年即开始碳化硅半导体的研发，并于2011年推出了首个MOSFET产品原型。自2019年以来，博世进一步拓展了在外部市场的布局，现在也作为独立的半导体供应商运营：博世将碳化硅MOSFET产品以裸片、分立器件和功率模块的形式直接销售给整车厂、一级和二级供应商以及分销商。产品覆盖标准化解决方案和面向单个客户项目的特殊布局的定制碳化硅半导体。这使得博世成为世界上为数不多的在半导体领域(尤其是碳化硅领域)拥有高灵活度的汽车行业制造商之一。目前，许多整车厂正在建立垂直整合能力。他们对具有竞争力的元器件的需求越来越大。博世凭借自有的半导体生产体系及作为汽车供应商的专业经验，可为其提供最佳支持。多年来，博世在半导体领域积累了丰富的经验——例如半导体生产生产工艺开发和动力总成芯片应用需求等方面。对于那些自行定义其电子电气架构的汽车制造商而言，通过与博世携手，不仅可享受最大程度的灵活性，还能获得一个平等合作伙伴的支持。裸片：指未封装的单颗芯片，常用于如逆变器功率模块等高性能应用场景。分立器件：指已封装在塑封材料中的芯片，典型应用包括车载充电器或DC/DC转换器中，与印刷电路板直接连接使用。 博世与中国汽车市场：面向未来的战略合作伙伴关系随着中国成为全球最大的汽车市场，中国对于博世的重要性日益凸显，并与欧洲本土市场和美国增长市场并驾齐驱。中国电动出行市场的发展速度在全球遥遥领先，并正在为电气化树立新标准。预计到2035年，中国道路上行驶的汽车中将有一半是纯电动汽车。目前，博世已与几乎所有的中国汽车制造商以及众多在华运营的国际车企保持密切合图1碳化硅在汽车中的主要应用Inverter to drive the motor▪Switching frequency between10kHz and 40kHz▪Power range between 50kW and400kWInverterMotorAdditional AUT applications + industrial applications 作。例如，博世的碳化硅芯片已广泛应用于全球最大的电动汽车制造商比亚迪的供应链中，并在多款高端车型中得到重点使用。同时，博世也是长城汽车碳化硅产品的核心供应商。2022年，博世与长城汽车及其合作伙伴组建的合资公司芯动签署了碳化硅长期供货协议。而小米首款车型SU7的电驱动系统核心部分亦采用了博世提供的400V碳化硅电驱桥。OBC to convert power fromgrid to HV battery▪Switching frequency >100kHz▪Power range between 3.3kW and22kWDC/DC converter fromHV to LV battery▪Switching frequency >100kHz▪Power range between 1kW and 5kWLVbatteryDC/DCconverter HVbatteryOBC 03全球生产及合作伙伴网络博世在选址和全球合作伙伴网络方面的战略布局，对于生产能力、创新驱动、贴近客户以及提升供应链安全至关重要。这种全球化与差异化的战略重点，使博世能够强化半导体在全球市场的可获得性，推动创新并为当地市场提供更快、更可靠的解决方案。博世拥有涵盖制造与测试的全球化战略网络，以确保最高品质标准和可靠的供应。除了晶圆厂，博世还运营多个测试中心。在这里，芯片经过全面测试，以确保其性能、可靠性和符合严格的汽车标准。凭借其遍布全球的前端和后端制造环节的半导体网络，博世在全球范围内都具备强大的运营优势。博世的全球半导体网络还通过众多硅晶圆代工合作伙伴和专业封测厂得以进一步延申。与多家国际合作伙伴的协同，不仅有助于确保供应链安全，还能提高半导体在全球范围内的可获得性。自 2021年底以来，博世一直在其罗伊特林根工厂量产基于150毫米晶圆的第一代碳化硅芯片。 04路线图和技术碳化硅路线图博世针对750V和1200V电压等级的碳化硅技术路线图能够在长期内有效支持其市场定位。博世每2至2.5年就会推出一代全新产品。与上一代相比，每一代产品的关键性能指标都有显著提升。每一代碳化硅MOSFET都展现出更高的功率密度，及更好的开关特性，同时保持甚至提高其鲁棒性。除了RonA (mΩcm²) at 175°C2ndgen 1,200VSiC Trench1stgen 1,200 VSiC Trench2022-25%图21200V路线图RonA (mΩcm²) at 175 °C2ndgen 750 VSiC Trench2022图3750V路线图 Improved diode switchingIncreased PTO robustnessImproved cosmic ray robustness2024-20%2024-20% 在碳化硅功率MOSFET的元胞结构上不断改进，博世还致力于为客户提供更多功能创新，例如增加了集成传感功能或替代功率表面镀层等——始终为客户提升产品易用性和灵活性为根本目标。2026202820303rdgen 1,200VSiC TrenchEnhanced switching performanceImproved robustness4thgen 1,200VSiC-based5thgen 1,200VSiC-based2026202820303rdgen 750VSiC Trench 双通道沟槽概念对于现代碳化硅MOSFET在汽车功率应用中至关重要的三个方面：ƒ设备性能和鲁棒性；ƒ碳化硅衬底质量控制；ƒ先进制造。碳化硅MOSFET主要有两种结构：平面栅和沟槽栅MOSFET。平面结构中栅极由栅电极和栅氧化层构成的复合结构位于器件表面；晶体管通道中的电流沿横向流动。相比之下，沟槽MOSFET中的栅极复合体处于垂直沟槽结构中，电流垂直流过通道。沟图4博世目前在罗伊特林根的150毫米晶圆厂大批量生产碳化硅MOSFET。这些器件基于博世专有的先进双通道沟槽栅极MOSFET设计和制造工艺，比传统的平面栅极技术更具优势。Competitors – Planar gate technology▪Used in first and currentgenerations of SiC-MOSFETs▪Larger pitch sizex Area compared to trenchtechnology1) Source: SiC Transistor Comparison report, Yole Group, 2024Larger pitch sizeGateSS––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––DrainThe first generation of 1,200 V SiC MOSFET devices from Bosch has one of the best performanceson the market regardingRDS(on) 槽栅极可显著减小元胞面积(间距尺寸)，并降低功率芯片的面积需求(提高功率密度)。这是沟槽架构相对于平面架构的关键优势。为了使沟槽架构发挥最大性能，博世开发了双通道沟槽技术，该技术能够实现高静态与动态性能的独特结合，同时具备高可靠性及鲁棒性，适用于对寿命要求高的应用。与单通道架构相比，双通道技术在每个沟槽的侧面使用两个电子通道。这将通道电阻减半成为可能。而通道电阻是整个器件电阻中最重要的组成部分之一。*A andRDS(on