博世碳化硅功率半导体的技术开发之路

博世（Bosch）自2021年底开始在德国Reutlingen工厂开始采用150mm晶圆批量生产第一代碳化硅芯片

2025年6月博世发布了其碳化硅功率半导体技术白皮书，对其产品和技术发展做了介绍，值得学习。摘选分享如下：

凭借20余年SiC经验，博世提供从裸片到集成解决方案的全套产品组合，涵盖双沟槽MOSFET技术、衬底创新及向200mm晶圆过渡，并强调全球制造能力与供应链安全。博世自2001年启动SiC研发，2011年推出首颗MOSFET原型，2019年起对外销售裸片、分立器件及功率模块。博世自2021年底起已在德国罗伊特林根实现首代碳化硅芯片基于150毫米晶圆的量产。目前，博世正在将第二代产品转产至200毫米晶圆，并自2024年6月起在罗伊特林根开始基于200毫米晶圆的第二代芯片样品交付，供客户验证。目前，正在积极筹备第二代产品在200毫米晶圆上的量产工作。此外，博世计划自2026年起，在美国加利福尼亚州的罗斯维尔工厂启动基于200毫米晶圆的第二代碳化硅芯片样品生产，并为后续的量产奠定基础。博世已与比亚迪、长城、小米等合作，其中小米SU7车型采用Bosch 400V SiC电驱系统。

图1. 碳化硅在车载部件上的应用

博世碳化硅功率半导体技术路线图

博世750V与1,200V等级SiC技术路线图旨在实现长期、成功的市场定位。博世坚持高速创新节奏，每2–2.5年推出新一代产品。每一代都在上一代基础上显著提升关键性能指标：

• SiC MOSFET的功率密度逐代提高；
• 开关特性持续优化；
• 器件鲁棒性保持不变甚至进一步增强；

除了在SiC功率MOSFET胞元架构上的改进，博世还引入集成传感功能、可选的功率器件金属化表面等新特性，始终致力于为SiC客户提供最高易用性与最大灵活性。

图2. 博世1200V SiC MOSFET技术路线图

图2. 博世750V SiC MOSFET技术路线图

双通道沟槽技术

对于现代汽车功率应用中的 SiC-MOSFET，三大核心要素至关重要：

• 器件性能与鲁棒性
• SiC 衬底质量的控制
• 先进制造工艺

目前SiC MOSFET主要采用两种结构：平面栅（planar）和沟槽栅（trench）。

平面栅：栅极电极与栅极氧化层位于芯片表面，沟道电流横向流动。

沟槽栅：栅极结构置于垂直沟槽中，电流纵向流动，可显著缩小胞元尺寸，减小芯片面积，从而提升功率密度——这是沟槽结构相较平面结构的关键优势。

为将沟槽架构推向极致性能，博世开发出双通道沟槽技术（dual-channel trench），在每个沟槽两侧形成两条电子通道，可将占器件总阻值重要比例的沟道电阻减半，较单沟道结构大幅降低导通损耗。该设计在高静态/动态性能与高可靠性/鲁棒性之间实现平衡，特别适合长寿命应用需求。

图4. 目前，博世在其位于罗伊特林根的150mm晶圆厂已实现SiC MOSFET的大规模量产。这些器件采用博世独有的先进双沟道沟槽栅MOSFET设计及制造工艺，相比传统平面栅技术具有显著优势。

器件寿命与鲁棒性提升

尽管SiC沟槽技术在性能方面的优势已毋庸置疑，但对其可靠性与鲁棒性必须给予特别关注。需要确保SiC功率器件在整个电动汽车生命周期内都能安全、稳定地运行。

栅极氧化层薄弱点防护

任何MOSFET技术的薄弱环节都在于栅极氧化层。借助双通道沟槽结构，博世可在晶体管关断状态下高效屏蔽栅极氧化层免受高电场冲击；同时，通过对栅极氧化层工艺的精细控制，在导通状态下也能实现高可靠性。

显著提升寿命与低失效率

得益于此，博世双沟道沟槽技术将功率器件的实际寿命大幅延长至远超典型工况，并留出足够裕度，实现极低的FIT（时基失效率）。

超低阈值电压漂移（Vth drift）

博世SiC MOSFET的栅极还具有极低的阈值电压漂移。漂移量极小，使得即使在超长寿命应用需求下，器件的开关行为以及导通/开关损耗仍保持在功率模块设计窗口之内。低漂移特性也为更高性能的模块设计提供了可能。在牵引逆变器等通常采用负栅压关断的应用中，低漂移特性进一步得到保障。

图5. 博世SiC MOSFET栅极氧化物的典型寿命、漏电流与阈值电压（Vth）漂移数据

博世通过双沟道沟槽技术对栅极氧化层进行电场屏蔽与工艺优化，实现了“零缺陷”级的栅氧可靠性，满足汽车级长寿命、低漂移的严苛要求。

性能与短路鲁棒性的平衡与优化

器件性能与鲁棒性之间始终存在权衡。博世通过逐代技术演进，显著改善了比导通电阻（RonA，直接关联芯片面积与电流能力）与饱和电流（Isat，决定短路耐受能力）之间的折中关系。

汽车牵引逆变器需要低RonA（小芯片通大电流）同时保持低Isat（足够短路承受时间）。短路发生时，芯片需在高电流下维持“短路耐受时间”（Tscwt），该时间必须大于“检测+驱动反应+关断”总延迟，才能避免芯片损坏。

博世通过优化SiC MOSFET设计，在降低RonA的同时不牺牲Isat，实现两者“解耦”（见图6）。在模块级通过低杂散电感封装+专用SiC栅极驱动（如博世EG120），缩短检测与关断时间，进一步降低对芯片Tscwt 的要求，将权衡推向更高性能。

图6：博世各代SiC MOSFET在饱和电流（Isat）与比导通电阻（RonA）*之间的折中关系示意图

作为同时开发、制造并使用SiC器件的系统供应商，博世针对汽车牵引逆变器特别优化了内部体二极管的反向恢复特性（全温度范围软恢复），并抑制高dV/dt下的寄生导通效应，确保开关可控、损耗最低。

图7：博世第3代SiC MOSFET工程样品在功率模块中的开关波形（工况：1000A/920V）

博世通过技术定制实现了器件特性与应用场景的深度适配，对于汽车牵引逆变器，可实现软恢复，在整个温度范围内展现出优异的反向恢复特性，并具备对最大dV/dt的良好可控性。最新一代的博世的双通道沟槽技术即使在高dV/dt下也能消除不必要的寄生导通效应，有效抑制了栅源极间的容性耦合干扰。

失效率（FIT）

高空中宇宙射线产生的中子在大气层内不可避免，可穿透关断状态下的高压器件并诱发单粒子烧毁（SEB）。博世把SEB作为限制功率器件FIT率的首要失效模式来设定击穿电压，确保在实际运行任务剖面下仍保持极低失效率。博世SiC器件被设计成在额定电压之上仍具备足够的瞬态耐压能力，这不仅提升了抗宇宙射线鲁棒性，也允许在快速开关过程中主动利用短时过压，从而进一步优化开关特性，而性能几乎不受影响。

图8. 展示了在宇宙射线照射下，Gen1与Gen2架构的1200V SiC MOSFET在不同漏极电压下的典型FIT率（Failure-In-Time）对比。

仅凭SiC MOSFET的标称电压等级（750V、1200V）并不足以判断其是否适用于某个具体场景。必须深入理解各种失效机理，才能在正常使用乃至极端工况下依旧保证器件鲁棒性。唯有如此，才能在把性能推向极限的同时，不牺牲可靠性。

衬底

衬底是碳化硅半导体器件的基础。该原材料对芯片的良率和整体成本具有显著的影响。其缺陷可能会在器件电气测试或电气应力期间导致致命故障。

博世对所有主流供应商的衬底质量和成熟度都有着深入的了解。为了分析这些参数，博世在其工厂中安装了专用的计量工具，例如非常强大的X射线拓扑成像(XRT)，该分析仪配有专用软件来分析衬底的缺陷密度。图9显示了来自不同供应商的200毫米材料的XRT分析结果。图中显示了10多家不同200毫米衬底供应商的材料的两种典型缺陷类型，即螺旋位错(TSD)和基底面位错(BPD)，不同供应商缺陷程度有显著的差异。对衬底质量和供应商成熟度的深入了解使博世能够从大量潜在供应商中战略性地选择最佳供应商。

图9. 2022年和2023年对10多家不同的200毫米碳化硅晶圆供应商进行缺陷分析。

面向未来的200毫米碳化硅晶圆

碳化硅生产技术从150毫米晶圆尺寸过渡到200毫米晶圆尺寸，对于降低SiC功率芯片成本和持续提高器件性能至关重要。博世的双通道碳化硅沟槽技术促成了在200毫米晶圆上生产出首款碳化硅沟槽MOSFET，首批样品用于批量生产的电动汽车中的客户认证和评估。这凸显了博世作为200毫米碳化硅技术早期应用的强势地位及其在碳化硅沟槽技术方面的高水平工艺控制。

材料质量控制对于成功过渡到更大的晶圆至关重要。通过在衬底和外延(epi)上广泛使用的缺陷表征工具 ，可以实现精确的良率预测。致命缺陷(killer defects)及其可能导致的芯片失效可被提前识别，从而可以在早期阶段评估和监控衬底以及外延质量。这些措施使博世能够提高200毫米衬底质量，甚至超过150毫米碳化硅衬底质量。因此，过渡到200毫米可以充分利用每个晶圆上更多碳化硅芯片的优势。

图10. 对150毫米和200毫米碳化硅晶片进行缺陷分析后，进行示范性的外延产量预测。

除了每片晶圆上良品芯片数量增加外，向200毫米技术的过渡还为工艺改进和设备设计带来了好处。使用更先进的新一代200毫米设备可以显著提高工艺均匀性。增强的工艺能力使得芯片设计可以采用更激进的方案，并实现更窄的公差要求。

封装与模组

博世分立器件采用各种标准封装，与市场兼容，并考虑到更高电压等级的要求，包括：TO-247-4L、TO-263-7L、HV-CPAK。所有外壳均采用开尔文连接，以优化开关性能，并符合AEC-Q101认证要求。

除了分立器件外，博世也提供带散热器的功率模块，提供多样性的选择，灵活覆盖各种客户系统，并符合AQG324。该模块具有极高功率密度以及极为紧凑的模块布局，其特点包括：

• 可焊接功率端子
• 可选PinFin散热器或者封闭式铝散热器
• 碳化硅双面烧结技术
• 采用双面陶瓷衬底的三明治结构，可实现电流回路无键合功率路径，同时保证高可靠性
• 模块内三维布局以确保高对称性和极低开关损耗

图11. 博世新一代碳化硅功率模组PM6.1

来源：星辰工业电子简讯

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