博世功率半導體方案：碳化硅功率模塊PM6

一、博世碳化硅功率半導體技術白皮書簡介

2025年6月博世發布了其碳化硅功率半導體技術白皮書，對其產品和技術發展做了介紹，值得學習。摘選分享如下：

憑借20余年SiC經驗，博世提供從裸片到集成解決方案的全套產品組合，涵蓋雙溝槽MOSFET技術、襯底創新及向200mm晶圓過渡，并強調全球制造能力與供應鏈安全。博世自2001年啟動SiC研發，2011年推出首顆MOSFET原型，2019年起對外銷售裸片、分立器件及功率模塊。博世自2021年底起已在德國羅伊特林根實現首代碳化硅芯片基于150毫米晶圓的量產。目前，博世正在將第二代產品轉產至200毫米晶圓，并自2024年6月起在羅伊特林根開始基于200毫米晶圓的第二代芯片樣品交付，供客戶驗證。目前，正在積極籌備第二代產品在200毫米晶圓上的量產工作。此外，博世計劃自2026年起，在美國加利福尼亞州的羅斯維爾工廠啟動基于200毫米晶圓的第二代碳化硅芯片樣品生產，并為后續的量產奠定基礎。博世已與比亞迪、長城、小米等合作，其中小米SU7車型采用Bosch 400V SiC電驅系統。

博世碳化硅功率半導體技術路線圖

博世750V與1,200V等級SiC技術路線圖旨在實現長期、成功的市場定位。博世堅持高速創新節奏，每2–2.5年推出新一代產品。每一代都在上一代基礎上顯著提升關鍵性能指標：

除了在SiC功率MOSFET胞元架構上的改進，博世還引入集成傳感功能、可選的功率器件金屬化表面等新特性，始終致力于為SiC客戶提供最高易用性與最大靈活性。

對于現代汽車功率應用中的 SiC-MOSFET，三大核心要素至關重要：

目前SiC MOSFET主要采用兩種結構：平面柵（planar）和溝槽柵（trench）。

平面柵：柵極電極與柵極氧化層位于芯片表面，溝道電流橫向流動。

溝槽柵：柵極結構置于垂直溝槽中，電流縱向流動，可顯著縮小胞元尺寸，減小芯片面積，從而提升功率密度——這是溝槽結構相較平面結構的關鍵優勢。

為將溝槽架構推向極致性能，博世開發出雙通道溝槽技術（dual-channel trench），在每個溝槽兩側形成兩條電子通道，可將占器件總阻值重要比例的溝道電阻減半，較單溝道結構大幅降低導通損耗。該設計在高靜態/動態性能與高可靠性/魯棒性之間實現平衡，特別適合長壽命應用需求。

圖4. 目前，博世在其位于羅伊特林根的150mm晶圓廠已實現SiC MOSFET的大規模量產。這些器件采用博世獨有的先進雙溝道溝槽柵MOSFET設計及制造工藝，相比傳統平面柵技術具有顯著優勢。

器件壽命與魯棒性提升

盡管SiC溝槽技術在性能方面的優勢已毋庸置疑，但對其可靠性與魯棒性必須給予特別關注。需要確保SiC功率器件在整個電動汽車生命周期內都能安全、穩定地運行。

柵極氧化層薄弱點防護

任何MOSFET技術的薄弱環節都在于柵極氧化層。借助雙通道溝槽結構，博世可在晶體管關斷狀態下高效屏蔽柵極氧化層免受高電場沖擊；同時，通過對柵極氧化層工藝的精細控制，在導通狀態下也能實現高可靠性。

顯著提升壽命與低失效率

得益于此，博世雙溝道溝槽技術將功率器件的實際壽命大幅延長至遠超典型工況，并留出足夠裕度，實現極低的FIT（時基失效率）。

超低閾值電壓漂移（Vth drift）

博世SiC MOSFET的柵極還具有極低的閾值電壓漂移。漂移量極小，使得即使在超長壽命應用需求下，器件的開關行為以及導通/開關損耗仍保持在功率模塊設計窗口之內。低漂移特性也為更高性能的模塊設計提供了可能。在牽引逆變器等通常采用負柵壓關斷的應用中，低漂移特性進一步得到保障。

圖5. 博世SiC MOSFET柵極氧化物的典型壽命、漏電流與閾值電壓（Vth）漂移數據

博世通過雙溝道溝槽技術對柵極氧化層進行電場屏蔽與工藝優化，實現了“零缺陷”級的柵氧可靠性，滿足汽車級長壽命、低漂移的嚴苛要求。

性能與短路魯棒性的平衡與優化

器件性能與魯棒性之間始終存在權衡。博世通過逐代技術演進，顯著改善了比導通電阻（RonA，直接關聯芯片面積與電流能力）與飽和電流（Isat，決定短路耐受能力）之間的折中關系。

汽車牽引逆變器需要低RonA（小芯片通大電流）同時保持低Isat（足夠短路承受時間）。短路發生時，芯片需在高電流下維持“短路耐受時間”（Tscwt），該時間必須大于“檢測+驅動反應+關斷”總延遲，才能避免芯片損壞。

博世通過優化SiC MOSFET設計，在降低RonA的同時不犧牲Isat，實現兩者“解耦”（見圖6）。在模塊級通過低雜散電感封裝+專用SiC柵極驅動（如博世EG120），縮短檢測與關斷時間，進一步降低對芯片Tscwt 的要求，將權衡推向更高性能。

圖6：博世各代SiC MOSFET在飽和電流（Isat）與比導通電阻（RonA）*之間的折中關系示意圖

作為同時開發、制造并使用SiC器件的系統供應商，博世針對汽車牽引逆變器特別優化了內部體二極管的反向恢復特性（全溫度范圍軟恢復），并抑制高dV/dt下的寄生導通效應，確保開關可控、損耗最低。

圖7：博世第3代SiC MOSFET工程樣品在功率模塊中的開關波形（工況：1000A/920V）

博世通過技術定制實現了器件特性與應用場景的深度適配，對于汽車牽引逆變器，可實現軟恢復，在整個溫度范圍內展現出優異的反向恢復特性，并具備對最大dV/dt的良好可控性。最新一代的博世的雙通道溝槽技術即使在高dV/dt下也能消除不必要的寄生導通效應，有效抑制了柵源極間的容性耦合干擾。

失效率（FIT）

高空中宇宙射線產生的中子在大氣層內不可避免，可穿透關斷狀態下的高壓器件并誘發單粒子燒毀（SEB）。博世把SEB作為限制功率器件FIT率的首要失效模式來設定擊穿電壓，確保在實際運行任務剖面下仍保持極低失效率。博世SiC器件被設計成在額定電壓之上仍具備足夠的瞬態耐壓能力，這不僅提升了抗宇宙射線魯棒性，也允許在快速開關過程中主動利用短時過壓，從而進一步優化開關特性，而性能幾乎不受影響。

圖8. 展示了在宇宙射線照射下，Gen1與Gen2架構的1200V SiC MOSFET在不同漏極電壓下的典型FIT率（Failure-In-Time）對比。

僅憑SiC MOSFET的標稱電壓等級（750V、1200V）并不足以判斷其是否適用于某個具體場景。必須深入理解各種失效機理，才能在正常使用乃至極端工況下依舊保證器件魯棒性。唯有如此，才能在把性能推向極限的同時，不犧牲可靠性。

襯底

襯底是碳化硅半導體器件的基礎。該原材料對芯片的良率和整體成本具有顯著的影響。其缺陷可能會在器件電氣測試或電氣應力期間導致致命故障。

博世對所有主流供應商的襯底質量和成熟度都有著深入的了解。為了分析這些參數，博世在其工廠中安裝了專用的計量工具，例如非常強大的X射線拓撲成像(XRT)，該分析儀配有專用軟件來分析襯底的缺陷密度。圖9顯示了來自不同供應商的200毫米材料的XRT分析結果。圖中顯示了10多家不同200毫米襯底供應商的材料的兩種典型缺陷類型，即螺旋位錯(TSD)和基底面位錯(BPD)，不同供應商缺陷程度有顯著的差異。對襯底質量和供應商成熟度的深入了解使博世能夠從大量潛在供應商中戰略性地選擇最佳供應商。

圖9. 2022年和2023年對10多家不同的200毫米碳化硅晶圓供應商進行缺陷分析。

面向未來的200毫米碳化硅晶圓

碳化硅生產技術從150毫米晶圓尺寸過渡到200毫米晶圓尺寸，對于降低SiC功率芯片成本和持續提高器件性能至關重要。博世的雙通道碳化硅溝槽技術促成了在200毫米晶圓上生產出首款碳化硅溝槽MOSFET，首批樣品用于批量生產的電動汽車中的客戶認證和評估。這凸顯了博世作為200毫米碳化硅技術早期應用的強勢地位及其在碳化硅溝槽技術方面的高水平工藝控制。

材料質量控制對于成功過渡到更大的晶圓至關重要。通過在襯底和外延(epi)上廣泛使用的缺陷表征工具 ，可以實現精確的良率預測。致命缺陷(killer defects)及其可能導致的芯片失效可被提前識別，從而可以在早期階段評估和監控襯底以及外延質量。這些措施使博世能夠提高200毫米襯底質量，甚至超過150毫米碳化硅襯底質量。因此，過渡到200毫米可以充分利用每個晶圓上更多碳化硅芯片的優勢。

圖10. 對150毫米和200毫米碳化硅晶片進行缺陷分析后，進行示范性的外延產量預測。

除了每片晶圓上良品芯片數量增加外，向200毫米技術的過渡還為工藝改進和設備設計帶來了好處。使用更先進的新一代200毫米設備可以顯著提高工藝均勻性。增強的工藝能力使得芯片設計可以采用更激進的方案，并實現更窄的公差要求。

封裝與模組

博世分立器件采用各種標準封裝，與市場兼容，并考慮到更高電壓等級的要求，包括：TO-247-4L、TO-263-7L、HV-CPAK。所有外殼均采用開爾文連接，以優化開關性能，并符合AEC-Q101認證要求。

除了分立器件外，博世也提供帶散熱器的功率模塊，提供多樣性的選擇，靈活覆蓋各種客戶系統，并符合AQG324。該模塊具有極高功率密度以及極為緊湊的模塊布局，其特點包括：

二、博世碳化硅半導體解決方案PM6

博世為智能出行領域提供全面的碳化硅功率半導體產品組合，包括用于逆變器、車載充電器和直流/直流轉換器的碳化硅功率MOSFET和碳化硅功率模塊。這些解決方案已面向全球整車廠、一級供應商以及分銷商，產品形式包括裸片和多種標準封裝的分立器件。此外，博世能夠為客戶提供高度靈活的方案，能夠根據其在芯片布局、電氣性能和工藝等方面的具體需求，定制碳化硅芯片解決方案。

歡迎探索博世的碳化硅功率半導體產品，體驗我們的創新技術賦能高功率應用、實現卓越性能。

博世碳化硅明星產品

裸片

博世碳化硅功率裸片包含750V，1200V，1500V，1700V電壓等級的產品，分別適用于400V，800V，1000V，1300V系統電壓的應用場景，如逆變器。無論是裸片版本還是封裝版本，均具備較低的導通損耗與開關損耗，支持更高的開關頻率，助力系統實現更高效率和更緊湊的設計。同時，博世積極布局新產品：鍍銅芯片逐步進入客戶送樣階段，嵌入式PCB模塊預研進行中。

分立器件

博世碳化硅功率分立器件包含750V和1200V電壓等級的產品，適用于分別為400V和800V系統電壓的應用場景，封裝版本專為車載充電機、DC/DC轉換器以及（混合）電動汽車的逆變器等高功率應用而設計。其堅固可靠的特性可有效降低導通和開關損耗，并支持更高的開關頻率。

博世DSL分立器件采用了先進的基板技術，包括AMB和Si3N4，以提供卓越的性能。封裝尺寸經過設計，確保兼容性，采用背面裸露焊盤以及與準標準規格對齊的電源和信號連接。信號連接器采用共柵控制（邏輯開關）進行簡易集成，且通過選擇性焊接引腳和鍍層實現。除此之外，電源連接器配備了改進的焊接端子，減少模塊的寄生電感并支持更高的電流。

   

  

    

  

                                                                                                                                                

功率模塊

01

緊湊型碳化硅功率模塊CSL

博世碳化硅功率模塊CSL涵蓋了電動汽車大眾市場的主要需求。憑借可擴展的功率范圍，博世CSL功率模塊提供了最大的靈活性：800V母線電壓下，電流范圍可以覆蓋410Arms-500Arms；400V母線電壓下，電流范圍可覆蓋640Arms-800Arms。該產品具備較小的雜散電感（<6nH），以及較好的均流能力（一個橋臂上不同芯片溫度差可控制在3℃以內），性能領先市場。同時，模塊內部搭載的博世碳化硅MOSFET可有效降低導通損耗和開關損耗，并支持更高的開關頻率。

02

碳化硅功率模塊PM6

博世碳化硅功率模塊PM6在最小體積下實現了最大功率密度。該多功能平臺支持多種性能變種，具備出色的可靠性。該模塊采用博世第二代碳化硅芯片，顯著降低導通和開關損耗，提升RDS(on)性能。通過創新的無鍵合、無焊接AIT設計，位于主電流路徑中，具備低電阻和可靠的夾層結構，陶瓷基板覆蓋上下兩面。AMB直接焊接至散熱器，具有低熱阻并兼容標準門驅動器。通過CTE2匹配的AIT結構，PM6支持更大溫度變化范圍，進一步提升整體可靠性與功率密度。產品尺寸小，重量輕，除了汽車端客戶，目前此產品也深受低空經濟客戶喜愛。

博世已深耕碳化硅領域二十余年，憑借深厚的研發積淀與系統級優勢，持續引領碳化硅技術的創新與規模化落地。我們深耕中國市場，攜手本地伙伴共建安全高效的合作網絡，以前沿科技推動新能源汽車產業的綠色發展。

PM6：以冷卻器為核心的 SiC 模塊平臺

PM6.0 平臺開蓋模塊示意

在博世現有產品體系中，PM6 平臺是一套以冷卻器為結構核心的 SiC 功率模塊方案。其設計將 SiC 器件與三維結構布局相結合，在緊湊體積內兼顧低寄生參數與高功率輸出能力。

通過在基板與冷卻路徑中引入銅層實現更均勻的熱擴散，該平臺在高熱負載工況下仍可維持穩定的熱阻表現。同時，模塊結構在設計階段就考慮了不同材料之間的熱膨脹匹配，以降低長期運行中的機械應力累積。

在配置層面，PM6 支持 4 至 12 顆不同尺寸芯片的組合，覆蓋多個功率等級區間，為不同電驅平臺提供了可擴展的模塊化基礎。

來源：電驅動Benchmarker