最近，江西万年芯微电子有限公司推出了首款基于SiC MOSFET技术的PIM模块，实现了对硅基IGBT芯片的模块替代，在系统损耗方面降低了三分之一。
与此同时，这款产品在技术上突破传统PIM模块灌封封装模式，模块体积减少约57％，而且使用了万年芯自主研发的10项工艺创新，模块可靠性得到大幅提升，非常适用于新能源汽车、充电桩、储能等新兴领域。
万年芯首推SiC PIM 损耗减少三分之二
所谓功率集成模块（PIM）是一个行业标准外壳，内部通常会将功率器件（IGBT、SiC MOSFET）、二极管、检测电阻等其它元器件集成在一起，这种单个封装可大幅减少生产装配时间和器件数量，能够降低系统成本和尺寸。由于PIM模块还能够优化内部布线，减少寄生噪音，同时具有完全的自保护电路，为此PIM广受喜爱，已批量应用于汽车、充电桩、白色家电、工业变频、伺服驱动、商用空调等领域。例如，三花汽零在电子水泵上已经使用全桥PIM模块，出货给部分车型。
但是目前，业界普遍采用的PIM模块主要以高压IGBT为核心，IGBT因其动态损耗而仅限于低频，随着功率吞吐量的增加，这个缺点显然越来越大，已经难以满足大功率场景的小型化和高效率要求。
万年芯在首款PIM模块外形基础上进行了产品系列化升级，推出了搭载SiC MOSFET先进芯片的大功率PIM模块及平板散热器模块。相比之下，SiC MOSFET可以在数百千赫兹下以低动态损耗进行开关，能够大幅提升系统效率，据测算，在16KHz和95℃外壳温度下，SiC PIM的总损耗约为IGBT PIM的三分之一（输入500V、25A、输出800V DC）。
SiC的高效率的好处能够缩小系统尺寸和散热需求，同时在更高频率下运行，还可以将升压电感器尺寸缩小三倍左右，从而节省系统成本和减轻重量。
据介绍，这款SiC MOSFET PIM模块拥有非常多的自主创新，例如采用多种自主创新的封装结构和工艺，使用了热敏电阻芯片（NTC）的高效贴片工艺，优化了高性能AMB基板布线设计和面积，达到了更高的可靠性和更低成本，并优选了有压烧结银封装材料和水冷铜针座散热器。
据万年芯透露，这些创新技术的组合，使得这款SiC MOSFET PIM模块的最大连续工作结温可达到175℃，在模块封装尺寸不增加的情况下，整体的输出功率得到大幅提升，相比硅基IGBT PIM，这款碳化硅PIM的额定电流提升了50%。借助SiC MOSFET的优异性能，这款PIM模块也能实现小型化。
通过采用SiC MOSFET替代硅基IGBT，这款PIM模块的整体电路拓扑更为简单，模块体积减少约57％，同时热导率比硅基PIM封装提高30％。
据悉，这款PIM模块能够满足车规级AQG324可靠性要求，其主要应用包括新能源汽车、充电桩、储能等新兴领域，公司自主研发的电源模块功率达到120KW以上，输出电压高达1050V，输出电流最高达到350A。
碳化硅芯片供需失衡
电动汽车是碳化硅的最主要应用之一。根据 Yole 的统计，预计超过 70% 的收入（相当于 47 亿美元）将来自 EV/混合动力汽车市场。随着电动汽车的快速崛起，对SiC芯片的需求与日俱增。为保证可靠供货，一家代工厂签约多家SiC芯片厂商已是业内普遍现象。未来几年，SiC芯片供不应求将成为常态。
衬底作为SiC芯片发展的关键，占据着重要的地位。SiC衬底不仅在功率器件成本中所占比例很高，而且与产品质量密切相关。如果说前几年很多SiC器件厂商都是靠绑定Wolfspeed来保证SiC衬底的产能，那么现在一切都变了。全球领先的SiC器件供应商如Rohm、ON Semiconductor、STMicroelectronics等相继收购投资了不同的优质SiC衬底供应商，并开始建立内部衬底供应，从SiC衬底到设备制造的垂直整合。
不过，全球第一家发明商用SiC器件的厂商英飞凌，自家衬底供应依然不足。对于英飞凌来说，作为世界第一的硅基功率半导体制造商，自然希望将自己在硅基领域的优势延伸到化合物半导体领域，而且基础材料的短缺确实是英飞凌的隐患之一。根据Yole的数据，英飞凌2021年营收在全球SiC市场位居第二，在SiC这个发展潜力巨大、波涛汹涌的市场，英飞凌似乎越来越没有把握。
国内厂家积极布局
Wolfspeed公司、II-VI公司等全球碳化硅材料制造企业均安排了较大规模的产能扩张计划，并向8英寸迈进，但当前碳化硅材料仍呈现供不应求的局面，叠加缺芯影响，国内也同样出现碳化硅衬底产能供不应求的状况。
即便困难重重，国内碳化硅投资布局掀起了前所未有的高潮。根据 CASA Research披露，2018年至今，国内厂商在持续布局化合物半导体产业，2020年一共有24笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），增产投资金额超过 694亿元，同比增长 161%，其中碳化硅领域共 17 笔、投资 550亿元，超过氮化镓的投资规模。
布局碳化硅产业的玩家中， LED厂商凭借对化合物半导体材料的长期生产使用经验，表现尤为积极。三安光电作为LED芯片龙头公司，其碳化硅二极管已有2款产品通过车载认证并送样行业标杆客户，处于小批量生产阶段，碳化硅 MOSFET 工业级产品已送样客户验证，车规级产品正配合多家车企做流片设计及测试。
在半绝缘碳化硅衬底领域，山东天岳的产能在国内处于领先地位，在全球位居世界第三。2020年产能翻倍增至4.75万片/年，2020年相关业务适应营收3.47亿元。本次山东天岳IPO将募集20亿元投资“碳化硅半导体材料项目”计划于 2022 年试生产，预计 2026年全面达产。
碳化硅赛道还吸引着硅基功率模块厂商的纷纷横向拓展布局，这其中既包括采用IDM模式的中车时代电气、比亚迪、士兰微、华润微、华微电子等企业，也包括具备设计和模块封测的企业，比如斯达半导、宏微科技、台基股份等。同样，碳化硅衬底以及外延片资源也备受“抢夺”。
另外，露笑科技定增募资投资约6亿元加码6英寸碳化硅衬底，同时与碳化硅外延晶片厂商东莞天域签订战略合作协议，后者将优先选用露笑的6英寸碳化硅导电衬底，锁定露笑科技，为其2022年、2023年、2024年预留碳化硅衬底产能不少于15万片，绑定公司未来三年产能。
有车企厂商声称，预计到2023年用SiC车用功率半导体全面替代旗下汽车的硅基IGBT，但是更多电子领域人士认为，未来碳化硅等化合物半导体与硅共存将会是常态。
