2020年，我们见证了电力电子行业非凡SiC（碳化硅）时代的开始，这当中电动出行功不可没。在电动汽车中主要有三种转换器：主逆变器、DC-DC和OBC（车载充电器）。由于功率级别较高，主逆变器是上述转换器中最大的市场，因为其功率半导体的含量最高。

与IGBT角力，SiC模块市场将翻三番

Yole最近发布的《2021年电动汽车电力电子产品报告》预计，到2026年，主逆变器市场预计将达到195亿美元，占整个电动汽车/混合动力汽车（EV/HEV）转换器市场的67%，复合年增长率为25.9%。在功率半导体市场，IGBT和SiC模块之间的技术角逐的序幕已经拉开，预计2020年至2026年后者的价值将翻三番。

2020-2026年xEV半导体功率器件市场

实际上，SiC模块目前的成本仍然是650V IGBT模块的3倍左右，但是当生产规模更大，并过渡到8英寸晶圆，以及随着获得更高电池电压的1200V器件的普及，这种价格差距将会进一步缩小。

电动汽车商用，SiC时代刚刚开启

SiC器件在本世纪初开始商业化应用。20年中，它已从军工国防等高端市场的专利演变为大众市场的应用。随着越来越多的公司开发出了SiC器件，这项技术的发展势头日益强劲。

在汽车领域，作为颠覆性技术的SiC将为电动汽车应用带来创新和最新的商业机会。事实上，其汽车商用早在2018年即已开始。在SiC器件封装解决方案方面，第一个采用的主机厂是特斯拉。2018年6月，Model 3逆变器搭载了意法半导体（ST）的SiC功率模块，是为商用电动汽车使用的首款SiC功率模块。

全球首款商用电动汽车SiC功率模块

当时，市场研究公司预计，在积极立法的推动下，减少二氧化碳排放已成为未来的主旋律。汽车工业目前可用的最佳解决方案是车辆电气化，根据不同主机厂的策略，大家都在努力实现不同的电气化水平。2017年，电池电动汽车（BEV）出货量为78万辆，预计到2022年，这一数字将增长到近280万辆。据EV Sales Blog统计，2019年全球电动汽车（包括BEV）销量约为220万辆，其中BEV占比高达74%，近163万辆。这相当于两年翻了一番，到2022年应该远超此前预测的数字。

很长一段时间，标准逆变器功率模块集成的是硅IGBT，但在电动汽车中，发动机舱的可用空间通常非常有限，很难容纳功率控制单元（PCU）。因此，控制电动汽车牵引电机的PCU必须具有更高的功率密度，也就是更小。SiC具有更高的热学和电学性能，是高压工作条件下硅的有力竞争对手。然而，高功率密度需要高散热，因此需要新的封装来提高器件性能。为了实现这一目标，制造商们开发了不同的解决方案，例如限制引线键合或使用模压成型（overmolded）结构来有效地冷却功率半导体芯片，同时降低电互连电感，提高可靠性。

与ST合作的特斯拉逆变器由24个1合1功率模块组成，这些模块组装在一个Pin Fin散热片上。每个模块包含两个创新片芯连接解决方案的SiC MOSFET，并通过铜夹直接连接在端子上，利用铜基板散热。SiC MOSFET采用最新的工艺制造，可降低传导损耗和开关损耗。

同年早些时候，英飞凌推出的FF400R07A01E3还是当时第一个双面冷却的IGBT模块；同期，三菱电机推出了第7代IGBT——J1系列650V大功率汽车功率模块。这些硅基模块在封装设计和材料解决方案上与ST的SiC MOSFET有很大不同。

IGBTvs SiC MOSFET

硅IGBT技术于1986年首次商业化发布，并在不断改进和发展，新一代器件不断推陈出新。这得益于硅器件成熟的基础设施和工艺。除了性能改进外，由于向12英寸硅晶圆的过渡，硅IGBT的成本将进一步降低，这将使其与WBG（SiC等宽禁带）材料的竞争更加激烈。

不过，SiC MOSFET在功能方面更胜一筹，例如在更高的频率和温度下工作的特性。它是进入1200V功率器件领域的理想选择，但其高昂的制造成本，以及IGBT技术的不断完善，仍将使最新型号的IGBT在市场上立于不败之地，并推动其标准化和广泛采用。

从技术角度看，IGBT和SiC MOSFET功率模块都有难处，在硅模块中，不匹配的CTE（热膨胀系数）容易使各层相互分离，引发器件失效。随着SiC的引入，这个问题变得更加突出，实际上SiC的主要问题是材料密度引起的热耗散，因此需要有合适的封装和系统集成创新方案。

IGBT封装结构

a.塑壳封装：具有更好的导热性；b.片芯连接：改善热可靠性和寿命；c.互连：更长寿命和降低电感；d.基板连接：抑制层提高可靠性和减小厚度；e.衬底：更高导热性；f.结温；g.外壳温度；h.散热器温度

可以肯定，SiC MOSFET在高温下非常低的RDS(on)（导通电阻），结合在所有温度范围内都具有比同类IGBT更好的开关性能，辅以先进创新的封装，既可以简化了电力电子系统的热设计，也可以实现更高效和紧凑的系统。

SiC电动汽车驶入快车道

今天，就汽车市场增长和设计机会而言，SiC已经成为最具活力的技术之一，其渗透率正在快速增加。

SiC头部公司季营收成长及预测

在EV/HEV系统中，SiC的最大市场潜力在哪里？根据Yole和SystemPlus Consulting分析师的说法，政府减少二氧化碳排放的目标是乘用车电气化的主要驱动力。目前，主机厂将汽车电气化作为一种非常有效的方式来减少其车队的二氧化碳排放量，从而避免沉重的经济处罚。不同电气化水平的车型已经引入市场，包括轻度混合动力电动汽车（MHEV）、全混合动力电动汽车（HEV）和插电式混合动力电动汽车（PHEV）、零排放电池电动汽车（BEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）。

不同类型电动汽车的排放

过去，人们预计向全电动汽车的过渡速度会相当缓慢和渐进。这主要是由于电池成本高，行驶里程短。近几年，由于电池技术的快速发展、制造成本的降低、供应链的整合等诸多因素，电动汽车的发展正在提速。

Yole的分析师断言，EV/HEV已成为电力电子行业创新的关键驱动力，重点是用于BEV的牵引逆变器。到2025年，EV/HEV市场将超过3100万辆，复合年增长率将达到35.2%。

为什么发展最快的是BEV？因为它已经是一个相对较大且快速增长的市场，BEV被认为是汽车电气化的终极目标，因此代表了一个可持续的商机。为什么是牵引逆变器？因为牵引逆变器、蓄电池和电动机是比较不同主机厂车辆技术性能的三个关键区别因素。逆变器效率的提高降低了从电池到电机的能量损耗，延长了行驶里程。逆变器的特性也直接影响到车辆的性能和用户的驾驶体验。

应用成功的关键

现在，主机厂在功率模块的设计和制造方面越来越咄咄逼人。由于功率模块封装对于主机厂来说是一个相对较新的概念，因此开发高性能、低制造成本的功率模块需要时间。为此，一些主机厂更倾向于直接采用较新的SiC MOSFET技术，而不是在已经成熟的硅IGBT汽车功率模块方面进行选择。特斯拉Model 3牵引逆变器SiC模块的采用，引发了人们对SiC功率模块开发的关注。

SiC技术应用成功的另一个关键因素是供应链安全。事实上，在最初特斯拉Model 3采用碳化硅之后，碳化硅市场一直引人关注。随后特斯拉Model S和Model X也相继采用，不仅展示了SiC在牵引逆变器中的全部性能优势，也缩小了硅和宽带隙世界之间的鸿沟。从那时起，汽车用SiC器件的发展速度加快，主逆变器和车载充电器的设计成倍增加，搭载SiC的新车型也开始增多。

2020年，比亚迪推出了电动车车型汉，美国Lucid推出了Lucid Air，这两款车都搭载了全SiC模块的主逆变器。根据Yole的预测，2025年EV/HEV中的功率SiC器件将超过15亿美元，2019-2025年复合年增长率为29%。

2019-2025年功率SiC器件预测

随着SiC器件的成功应用，业界普遍关心的一个问题是SiC晶圆是否有足够的供应？为了满足日益增长的需求，领先的衬底制造商Cree、SiCrystal（ROHM）、II-VI等在晶体生长方面进行了大量投资，而几乎所有领先的设备制造商都收购或加速了晶圆技术的内部增长。2019-2020年间，领先的SiC器件制造商ST、英飞凌和安森美半导体（ON Semiconductor）与头部晶圆和SiC晶体供应商Cree、SiCrystal和GTAT等签署了长期协议。

自从800V电池系统电动汽车问世以来，1200V SiC越来越受到人们的关注。经过几年的发展，针对牵引逆变器应用的1.2kV SiC MOSFET技术已成为众多器件制造商的优先选择。下一个重点是开发合适的封装，以充分利用SiC MOSFET的附加价值。

创新封装浮出水面

在电动汽车中，发动机舱的可用空间非常有限。因此，电动汽车中的电动传动系需要更小，还要有更高的功率密度。这就需要用新的封装来提高器件性能。事实上，在更高的温度下，标准塑封可能会在不同层面上出现可靠性问题，包括引线键合、基板到封装。此外，为了在竞争激烈的市场中保持竞争力，功率模块制造商必须在高可靠性和保持成本效益之间取得平衡。

由于电动汽车仍然是一个相对较新的业务领域，许多参与者都在通过高性能来实现产品的差异化。这通常是通过使用专有模块设计来实现的，即采用能够实现高性能的封装解决方案，以保证根据性能要求将模块更好地集成到最终系统中。

从应用看，在实际封装中可以发现不同的趋势，包括：转移模塑结构、塑料外壳、金属外壳；基板上Pin-Fin散热器；基板组件集成设计；单面或双面冷却技术；SiN-AMB（氮化硅-活性金属钎焊）基板；银烧结片芯连接、丝网印刷、锡基连接。

其中模压双面冷却模块以散热器取代了塑料外壳，使逆变器更加紧凑和高度模块化。例如日立2019年为奥迪e-tron和保时捷Taycan开发的双面冷却功率模块以集成基板为金属外壳，采用直接水冷型双面冷却功率模块实现了逆变器的小型化。

奥迪e-tron电动SUV搭载的双面冷却功率模块

通过对比可以发现，传统功率模块是在普通基板上涂以导热硅脂，再接触散热片进行散热，较新的方法是不再使用导热硅脂，采用降低热阻的直接单面冷却，直接水冷型双面冷却功率模块的出现成倍扩大了冷却面积。

传统功率模块与双面冷却功率模块

无独有偶，英飞凌科技和丰田也开发了双面冷却解决方案。其模块的不同不仅是开关的数量不同，而且材料也不一样，包括引线框架、侧壁（Spacer）和片芯连接材料。

此外，基板对散热有很大影响；铜已被广泛用作引线框架材料，而新型集成散热片Pin Fin、AMB陶瓷基板正日益受到重视。此外，焊料在提高模块可靠性方面的作用不可小觑，特别是在更高的温度下。银烧结的使用越来越普遍，无论是在片芯下还是在基板下都有使用。

为了减少连接引起的电感，人们发现铜夹或更宽的连接更具优势，粗线连接已经落伍。在灌封胶方面，三菱J1系列650V大功率汽车模块使用了新的导热环氧树脂，而不是传统的硅胶。环氧树脂的散热性比较好，具有耐高温特性。

与硅的竞争不会止步

近年来，与SiC相关的技术快速发展，而模块成本是阻碍功率模块设计标准化的因素之一。未来会有更多的创新设计和封装解决方案出现，特别是在集成过程中节约成本的解决方案。因此，功率模块封装供应链将会发生重大变化。

可以预期，在最初关注高性能和高可靠性之后，SiC的开发重点将转向降低成本，以便与基于硅IGBT的现有功率模块展开竞争。我们现在可以自信地说，SiC将永远与低成本、成熟的硅面对面竞争，而后者就是一个移动的标的。尽管如此，系统获得的好处是显而易见的。我们正在见证着电力电子行业崭新SiC时代的开启！