除了碳化硅功率元件，芯片嵌入等周边技术的研发也在被大力推进（照片：日经XTECH）
在碳化硅（SiC）功率半导体领域，中国企业的存在感不断提高。一方面，日本和欧美企业正在运用封装及传感器等周边技术来实现差异化。这些企业正在通过推进小型化、降低成本、提高可靠性，寻求与中国企业拉开差距。对实现差异化起到关键作用的是5个技术领域。
在碳化硅功率元件领域，新结构方案被接连提出（资料来源：日经XTECH）
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通过芯片嵌入技术来实现小型化
在封装技术中，备受关注的是“芯片嵌入”技术。顾名思义，该技术是将功率元件（芯片）封装到基板内。在模块内部，一般将芯片封装在印刷电路板（绝缘基板）上。通过将芯片嵌入基板内，可以实现小型化。
由于布线缩短，电感变小，因此适合高速开关。碳化硅MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）本来就比硅（Si）基IGBT（绝缘栅双极型晶体管）更适合高速开关。也就是说，通过芯片嵌入技术，可以充分发挥碳化硅MOSFET的潜力。
高速开关还可以使被动元件变小，有望进一步实现小型化。由于将功率元件放进铜（Cu）外壳之后再嵌入基板，因此容易降低热阻。散热性出色，适合推进小型化。
在芯片嵌入技术方面处于领先地位的企业是全球最大的功率半导体企业德国英飞凌科技（Infineon Technologies）。该公司正在与德国印刷电路板厂商Schweizer Electronic合作，共同开发将碳化硅功率元件嵌入印刷电路板的技术。
英飞凌和Schweizer与马自达共同开发出了采用芯片嵌入技术、称为“±48V系列”的新型逆变器，并在2024年6月举办的全球最大规模的功率半导体行业展会“PCIM Europe 2024”上展出。虽然使用了硅（Si）功率元件，但实现了近50kW的输出功率，达到了可驱动小型纯电动汽车（EV）行驶的水平。对于英飞凌和Schweizer来说，这为应用于碳化硅模块增加了信心。
马自达和英飞凌在称为“±48V系列”的逆变器技术中采用了芯片嵌入技术（照片：日经XTECH）
多家汽车厂商对芯片嵌入技术显示出浓厚兴趣，在PCIM展会的Schweizer展区，汽车厂商的技术人员热情地询问了该技术的相关问题。据Schweizer介绍，许多汽车厂商都在设想将碳化硅功率元件与芯片嵌入技术结合起来使用。据称，最快“可能会配备在2026年的市售车上”（Schweizer展区解说员）。
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兼具可靠性和低成本的封装材料
能够发挥碳化硅高温工作特性的封装材料的研发也被广泛开展。目前，外围材料也需要适应高温，经常要在150～175摄氏度（与硅功率元件同等）的接合温度下工作。今后，要进一步实现小型化，可能需要在200摄氏度乃至225度的高温下工作。
在这种情况下，需要的是在高温下也能稳定封装功率元件的高可靠性材料。以取代传统焊锡为目标，业界一直在开发使用银（Ag）纳米粒子或铜（Cu）纳米粒子的烧结材料。不过，“无论是银还是铜，制作纳米粒子的工艺都需要成本，绝不便宜”（功率半导体技术人员）。
因此，可靠性高且成本低廉的封装材料受到关注。例如，日本化学材料企业Daicel（大赛璐）与大阪大学产业科学研究所柔性3D封装协同研究所开发出了银硅复合烧结材料。双方认为，与使用银纳米粒子的传统材料相比，材料成本可降至三分之一左右。据称，这里面已包含材料制造工艺成本。
可靠性也很高。从摄氏零下50度到摄氏250度的热冲击试验实施1000次后，接合强度维持率约为传统烧结银的两倍。银与硅的接合界面上硅表面形成氧化膜，有助于抑制裂纹等问题。
能在相对低温的摄氏200度下进行无加压烧结也是一大特点。这被认为有助于降低封装成本，并抑制导致破坏的应力。
正因为是具备高特性的复合烧结材料，DAICEL和大阪大学将进一步推进研究。DAICEL希望作为新业务尽早实现实用化。
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在测量上下功夫缩小元件面积
还出现了通过省去硅功率元件上的传感器区域来减小碳化硅功率元件面积、以降低成本的趋势。例如，三菱电机开发出了一种利用模块的寄生电感来检测短路电流的方法，并在小型车载模块产品“J3”系列中采用了该方法。采用这种方法，在没有电流传感器的情况下，也能保护2微秒左右，跟原来相当。
满足从功率元件上省去传感器区域的同时尽可能准确地进行测量这一要求的传感器方案也越来越多。
村田制作所开发出了一种可以封装在模块内高温功率元件附近的小型温度传感器，并在2024年7月举办的“人与车科技展2024 NAGOYA”上展出。由于可以封装在元件附近，因此能够更准确地测量元件温度。采用树脂封装，确保了绝缘性。工作温度范围广，从摄氏零下55度到摄氏175度。
德国赛米控丹佛斯(Semikron Danfoss)与瑞士传感器厂商LEM International共同试制出了新的电流传感器，并在PCIM Europe 2024上展出。其特点是安装在模块外部，同时能够高精度地推算电流值。
村田制作所开发出了可以封装在功率元件附近的小型温度传感器（照片：日经XTECH）
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利用新元件结构改善性能
除了这些周边技术外，还有很多企业在碳化硅功率元件本身投入新技术，以此与中国企业实现差异化。在产品层面，内置肖特基势垒二极管（SBD）的碳化硅MOSFET备受关注。因为与另外封装SBD相比，这种方法可以减小封装面积，并且更易于散热。三菱电机和东芝半导体&存储产品两家企业都在积极开发。
三菱电机主要针对耐压3.3kV以上的高耐压产品。而东芝半导体&存储产品则面向更广泛的耐压范围，还开发1.2kV产品等。
研究开发领域提出了超越传统平面型和沟槽型碳化硅MOSFET性能的新元件结构。其中，以超结（SJ）结构为代表。超结结构在硅MOSFET中常见，但在碳化硅MOSFET中尚属初步阶段。瑞士意法半导体正在开发。
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面向工业用途提高可靠性
在面向工业设备、可再生能源、电力基础设施、铁路等要求高耐压的领域的碳化硅功率元件方面，以高可靠性和业绩为卖点的日欧美企业有很多。这些企业专注于其中应用相对广泛、对技术实力要求也较高的3.3kV产品。
日本企业在这一领域处于领先地位。主要是因为日本在铁路领域率先实现了碳化硅功率元件的实用化。其次是欧美企业致力于3.3kV产品。欧洲企业中的英飞凌，美国企业中的微芯片科技（Microchip Technology）都在推广3.3kV产品。
不仅限于碳化硅，这些企业还开始研究提前预测功率元件故障的预测性维护。例如，三菱电机正在研究能够高精度预测主要故障原因——键合线剥离的技术。与传统技术相比，这种技术以适合实际使用环境的方式建模，从而实现。据说在可再生能源领域需求强劲。
英飞凌也针对数据中心特别是进行AI（人工智能）学习和推理的AI服务器，开发出了预测电源故障并提前建议维护的技术。例如，在AI模型学习过程中，如果电源故障导致运算停止，那么之前的计算可能都会作废。由于耗费了时间和成本，因此对提前预防这种故障的需求今后将进一步提高。
根津祯 日经XTECH
资料来源：
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/09597/?P=2
