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碳化硅（SiC）半导体具有体积小、效率高、功率密度大的显著优势。经过多年的研发，博世目前准备开始大规模量产由碳化硅这一创新材料制成的功率半导体，以提供给全球各大汽车生产商。未来，越来越多的量产车将搭载博世生产的碳化硅芯片。“碳化硅半导体拥有广阔的发展前景，博世希望成为全球领先的电动出行碳化硅芯片生产供应商。”博世集团董事会成员Harald Kroeger表示。作为全球领先的技术和服务供应商，博世于两年前宣布将继续推进碳化硅芯片研发并实现量产。为实现这一目标，博世自主开发了极为复杂的制造工艺流程，并于2021年初开始生产用于客户验证的样品。“得益于电动出行领域的蓬勃发展，博世接到了相当多的碳化硅半导体订单。”Kroeger说道。未来，博世还将继续扩大碳化硅功率半导体的产能，旨在将产出提高至上亿颗的水平。为此，博世已经开始扩建罗伊特林根工厂的无尘车间，同时着手研发功率密度更高的第二代碳化硅芯片，预计将于2022年投入大规模量产。博世在碳化硅半导体制造工艺上的研发创新也得到了德国联邦经济事务和能源部（BMWi）的支持，成为“欧洲共同利益重大项目（IPCEI）”中微电子领域的一部分。“多年来，我们一直为企业提供支持，发展德国半导体制造产业。博世在半导体生产领域的高度创新，不仅强化了欧洲微电子的生态系统，也进一步提高了微电子行业在数字化发展关键领域的独立性。”德国联邦经济事务和能源部部长Peter Altmaier表示。
提高行驶里程的关键
在全球，碳化硅功率半导体的需求量不断攀升。由市场调研咨询公司Yole发布的预测显示，从现在到2025年，碳化硅市场每年的增速将达到30%，市场规模将超过25亿美元。当规模达到15亿美元时，搭载碳化硅器件的汽车将占据市场主导地位。“碳化硅功率半导体的效率极高，其优势在电动出行等能源密集型应用中愈发明显。”Kroeger说道。在电动汽车动力电子设备领域，碳化硅芯片的配置能有效延长单次充电的行驶距离。与使用纯硅芯片的电动汽车相比，搭载碳化硅芯片的电动汽车行驶距离平均延长了6%。为满足日益增长的碳化硅功率半导体需求，2021年，博世已在罗伊特林根晶圆工厂增建了1000平方米无尘车间。到2023年底，博世还将新建3000平方米无尘车间。新建的无尘车间将配备最先进的生产设施，并使用自主开发的制造工艺生产碳化硅半导体。为此，博世的半导体专家们充分利用了博世长达几十年的芯片制造专业经验。在未来，博世作为唯一一家自主生产碳化硅芯片的汽车零部件供应商，计划使用200毫米晶圆制造碳化硅半导体。相比于如今使用的150毫米晶圆，使用200毫米晶圆能够带来可观的规模效益。毕竟，单个晶圆需花费数月时间才能在无数机器设备中完成上百个工艺步骤。“使用大尺寸晶圆进行生产能在一个生产周期内制造更多芯片，进而满足更多客户的需求。”Kroeger表示。
小原子，大能量
碳化硅芯片的强大的性能，要归功于小小的碳原子。把这种碳原子加入用于制造半导体的高纯硅晶体结构，能让原材料拥有特殊的物理性质，例如支持更高的切换频率。此外，碳化硅半导体热能损失仅有纯硅芯片的一半，因此能够提高电动汽车的行驶里程。碳化硅芯片对800伏电压系统也至关重要，它能加快充电速度、提升产品性能。由于碳化硅芯片散发的热量显著减少，能节约动力电子设备冷却成本、减轻电动汽车自身的重量，同时降低整车的成本。未来，博世将向全球客户提供碳化硅功率半导体，产品形式可以是单个芯片，也可以内置在动力电子设备或电桥这类整体解决方案中。得益于更高效的整体系统设计，把电机、逆变器和减速器合为一体的电桥最高效率能达到96%，为动力总成系统提供了更多能量冗余，从而进一步提高行驶里程。
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