博世正将其碳化硅(SIC)能力从一项面向高端电动汽车的性能技术，扩展为更广泛提升高效电力驱动系统的关键技术。博世推出了其第三代(Gen 3)碳化硅mosfet平台，该平台基于双通道垂直沟槽架构，旨在应对高压牵引环境中的特殊挑战——在这些环境中，效率、热稳定性和容错能力至关重要。

第三代碳化硅MOSFET通过一系列改进，提升了功率密度和成本效益。博世公布的关键性能指标包括：牵引逆变器运行中的比导通电阻降低20%，开关损耗降低10%。芯片厚度也减少了40%，目标是达到100微米。

博世功率半导体产品管理负责人Anne Bedacht表示：“第三代产品的升级值得关注，原因有两点：各项改进的综合效果，以及我们的工程师如何将这些改进融入成熟的生产流程。”

博世沟槽型碳化硅架构

第三代碳化硅MOSFET保留了公司现有的垂直沟槽架构，并以其双通道概念为基础——在该概念中，每个沟槽的两侧壁都用作导电通道。与单通道沟槽单元相比，双通道设计使通道电阻大约减半;同时，与平面型器件相比，沟槽结构本身允许更小的单元间距。这种组合使沟槽单元成为车规级碳化硅的优选架构。

第三代产品的主要架构变化是集成了一个位于沟槽正下方的额外P型屏蔽区。沟槽MOSFET容易在沟槽底部角落地带形成高电场集中。由于碳化硅能承受的击穿场强约为硅的十倍，必须在截止状态下保护沟槽底部的栅氧化层免受这些电场的影响，以防止介质击穿。P型屏蔽层的加入形成了一个势垒，用以整形电场线，从而提高了高压工作条件下的长期栅氧化层可靠性。

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博世优化了第三代平台的制造工艺，重复利用现有的沟槽刻蚀硬掩模来进行新的屏蔽注入。使用同一块光刻掩模，使博世避免了额外的光刻和对准步骤。在半导体制造中，每增加一个掩模步骤都可能引入对准偏差、降低良率并增加生产周期。

第三代架构还引入了一种改进的双区JFET结构。JFET区是相邻P体区之间的几何电流收缩区域，它定义了从沟道到漂移区的电流路径。该区域影响多个参数，如电流密度、电场分布、导通电阻和饱和电流。

在第三代设计中，每个导电通道对应各自独立的JFET区。这种双区配置能够更好地控制正常导通状态和短路等故障事件中的电场分布。

博世第三代碳化硅性能指标

牵引逆变器中功率半导体的首要性能指标是其总能量损耗，即导通损耗与开关损耗之和。博世第三代平台通过结构尺寸优化和寄生参数优化来同时降低这两部分损耗。比导通电阻降低20%是对导通效率最重要的改进。

在电力电子领域，RonA(导通电阻与芯片面积的乘积)是一个关键品质因数，其数值越低，意味着可以用更小的芯片处理相同的电流，或用相同尺寸的芯片实现更低的损耗。对于电动汽车逆变器设计者而言，这20%的提升可减少大电流工作时的发热量，有助于提高逆变器效率、增加续航里程或降低冷却需求。

开关损耗同样得到优化，博世声称在牵引逆变器工况下开关损耗降低了约10%。这些收益与米勒电容和输出电容的减小有关。在硬开关逆变器中，开关能量取决于器件在阻断状态和导通状态之间转换所需的电荷，以及栅极驱动条件和功率回路寄生参数。第三代架构的改变有助于降低与寄生电容相关的损耗，这些损耗是开关能耗的组成部分。

在牵引逆变器中，碳化硅平台必须具备足够的鲁棒性，能够在栅极驱动器和系统级保护逻辑做出反应之前承受短路事件。这通过短路耐受时间来衡量。

博世声称其短路耐受能力提高了约10%。博世将此改进归功于双区JFET区域和增强的栅氧化层设计。通过在不影响导通状态下电流的前提下限制峰值饱和电流，博世提高了器件在短路故障事件中的生存能力。鲁棒性对于汽车安全至关重要，因为它为退饱和检测电路关断逆变器提供了更多时间。

热管理也是电动汽车功率模块功率密度的重要制约因素。博世将芯片厚度减薄至100微米的决定，旨在降低结到壳的热阻。更薄的芯片减少了热量必须穿过的碳化硅材料的体电阻，使其到达模块基板。这使得器件能够在保持安全结温的同时，以更高的电流水平运行，从而支持更高的功率密度。

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虽然更薄的芯片改善了稳态热传导，但它也降低了芯片的热容。这意味着在短暂的高能量瞬变过程中，有源区的温度将比更厚的芯片上升得更快。这使得所宣称的短路耐量提升显得尤为重要，因为减薄芯片会降低快速瞬变期间的热质量。

转向200毫米(8英寸)晶圆制造是第三代产品路线图中关键的产业化方面。从150毫米过渡到200毫米，可用面积增加约1.8倍，使每片晶圆上的芯片数量更多。在保持衬底质量、缺陷密度和工艺良率的前提下，这种规模效应可以降低每颗芯片的成本。

双通道沟槽

博世在其经过验证的双通道沟槽架构的基础上，通过集成P型屏蔽层和双区JFET区域等改进，解决了沟槽栅设计在可靠性和性能之间的权衡问题。这些性能指标提升了牵引逆变器效率和功率密度的上限。