碳化硅功率器件的需求正在从新能源汽车扩展到AI数据中心。
过去几年，SiC MOSFET的增长主要来自新能源汽车800V至1000V以上的高压平台和超快充；现在，AI数据中心的供电系统开始转向高压直流，服务器电源同样需要高压、高频、低损耗的开关器件。
两类应用的需求来自碳化硅的材料特性。与硅相比，碳化硅的禁带更宽、击穿电场更高、热导率更高。在相同耐压下，碳化硅器件的漂移层可以做得更薄，导通电阻因此更低，并且能在更高温度和频率下工作。
然而，需求扩大之后，行业对器件的要求也在变化。
器件厂商主要关注四个指标：比导通电阻（Rsp）、长期可靠性、鲁棒性和功率等级。
其中，Rsp是单位芯片面积上的导通电阻，数值越低，同样电流所需的芯片越小、成本越低；鲁棒性则指器件承受短路、雪崩等异常工况的能力。甚至，单颗器件的指标已经不足以决定系统表现，高功率密度电驱的设计重点，正在从用SiC器件替换硅器件，转向芯片、封装与电路拓扑的协同设计。
长飞先进此次推出的产品同时覆盖了这两方面：一是改进单颗芯片的Rsp、可靠性和鲁棒性，二是改进功率模块的封装和电路拓扑。
这家碳化硅功率半导体企业具备从外延生长、器件设计、晶圆制造到模块封测的全产业链能力。近期，其面向车规主驱发布了高性能SiC MOSFET系列芯片和DeepXE™嵌入式PCB功率模块，面向AI数据中心发布了PG4E单管系列和EZ2C/3C模块家族，并推出了高性能沟槽技术平台。
长飞先进ExcelSiC系列平面栅芯片晶圆，依次为PG4E、PG5N、PG5E、PG6N、PG7N（图源：长飞先进）
01 三代芯片，逐个突破
长飞先进的平面栅SiC MOSFET按代际迭代。其1200V路线图显示，常温Rsp计划从2025年的2.2 mΩ.cm²降至2027年的1.7 mΩ.cm²。三代产品分别对应可靠性、开关特性和功率密度三类问题。在此之外，长飞先进还基于PG4E平台拓展了中高压系列，并发布了沟槽技术平台。
具体而言：
1、第四代PG4E：先解决栅氧可靠性和短路耐受
SiC MOSFET的栅氧化层是薄弱环节。器件阻断高压时，电场会延伸到栅氧附近；同时，MOSFET内部存在一个由N+源区、P型体区和N型漂移区构成的寄生三极管，短路或雪崩时一旦被触发，器件就会失控。
PG4E采用多级P阱注入技术，在不影响沟道表面浓度的前提下，提高N+源区下方的P型掺杂。更高的掺杂一方面增强了体区对栅氧的电场屏蔽，提高长期可靠性；另一方面降低了体区横向电阻，抑制寄生三极管开启，提高短路耐量和雪崩耐量。
以1200V首发规格为例，PG4E的常温和175°C Rsp分别为2.2 mΩ.cm²和4.4 mΩ.cm²。可靠性验证中，反向偏置电压提高到1400V，经过3000小时考核，阈值电压变化小于3.5%，击穿电压和导通电阻变化均小于1%。
鲁棒性方面，短路耐受时间达到2.1μs，较对比产品提升27%；雪崩能量为2711mJ，提升11.2%。
2、第五代PG5E：导通电阻降低13.5%，开关振荡同步抑制
SiC MOSFET开关速度快，器件损耗会带来温升，快速开关还会引起信号串扰和环路振荡等EMI问题。PG5E从两个方向处理这些问题：
第一，元胞尺寸较前代缩小超过15%，沟道长度缩短10%，并优化了JFET区和体区的宽度、深度与掺杂。常温和175°C Rsp因此降至1.9 mΩ.cm²和3.7 mΩ.cm²，较上一代降低约13.5%；衡量耐压与导通电阻折中关系的Baliga优值（BFOM）超过1300 MW/cm²。
第二，通过高能离子注入，在源极P+区下方引入N型掺杂区域。体二极管导通时，漏极一侧的载流子浓度因此远高于源极一侧。反向恢复开始时，源极侧载流子少，反向恢复电流峰值Irrm降低；换流末段，漏极侧仍有足够载流子，电流以平缓拖尾结束，从而抑制寄生电感引起的电压振荡。实测Irrm较主流水平降低5.7%，软度因子提升27%。
3、第六代PG6N：更小的元胞，更薄的晶圆
为了提高续航，电动车要求功率模块在更小的体积内输出更大的功率，发热也随之更加集中。PG6N引入集成电路制程的迭代思路缩小元胞，沟道密度提升约15%，沟道电阻降低20%；采用高能量注入和局部半超结概念，改善掺杂与电场分布；晶圆最终厚度减少超过30%，缩短散热路径。实测常温和175°C Rsp分别为1.7 mΩ.cm²和3.2 mΩ.cm²，按5mm×5mm芯片计算，175°C导通电阻低至16 mΩ。
耐温方面，PG6N采用新的终端结构，把体内和表面电场强度分别控制在2.5 MV/cm和1.0 MV/cm以下，并重新匹配场氧化层、层间介质层和钝化层的组分与应力，使器件在200°C甚至225°C环境下保持可靠性。
三代平面栅产品均为1200V规格，主要适配700V至900V的高压系统。
然而，1000V以上的主驱平台和固态变压器等中高压应用，需要更高的耐压。电压规格越高，系统需要串联的模块单元越少，结构也越简单。为此，长飞先进在成熟的PG4E平台基础上，开发了1500V至3300V的中高压系列。1500V和1700V规格面向1000V以上主驱，采用短路增强设计，Rsp分别为2.7和3.6 mΩ.cm²，BFOM较市场主流水平提升约20.1%和27.3%；2300V和3300V规格面向固态变压器等中高压应用，Rsp分别为5和12.5 mΩ.cm²。
另外，PG5E和PG6N降低Rsp的主要手段是缩小元胞，但平面结构的微缩空间有限。为此，长飞先进同步发布了沟槽技术平台。沟槽栅把沟道做在刻蚀出的槽壁上，元胞可以更密，但槽底和槽口的尖角会造成电场集中。
02 去掉键合线：把芯片嵌入多层PCB
除了芯片性能，限制系统表现的还有封装。传统框架式或塑封式模块主要依靠键合线连接芯片，键合线拉长了功率回路，由此带来的杂散电感会在高速开关时产生电压过冲。
同时，芯片热量需要穿过焊层、基板等多层材料才能到达散热器，散热路径同样更长。
嵌入式PCB方案可以同时缩短这两条路径。它把芯片封装在多层PCB的内部层间，用PCB内部的铜层和铜孔代替键合线，功率回路因此大幅缩短。并且，主要制造环节可以转移到成熟的PCB供应商，客制化无需重复开模，产线改造投资也较少。
然而，该方案此前主要在消费电子、工业和48V及以下的车载低压场景得到了验证。若用于高压主驱逆变器，它还需要解决机械防护、散热、电气互联、绝缘和芯片表面处理等问题。
针对这些问题，长飞先进的DeepXE™选择以AMB陶瓷内嵌单元为基础。AMB即活性金属钎焊陶瓷基板，其中陶瓷负责高压绝缘，铜层负责导电导热。在此基础上，方案形成了三项关键技术：一是基于Cavity-Free AMB内嵌单元的PCB叠构，兼顾绝缘耐压与热管理；二是自主开发的芯片上表面镀铜工艺，使芯片电极能够与PCB铜孔直接互联；三是在电、热、磁、力多物理场约束下，比较数十种方案后确定的芯片排布与三维功率路径。
该设计首先降低了杂散电感，降幅达75%，降至0.9nH。同时，在相同SiC用量下，电流密度提升20%，热阻降低15%，模块体积和重量同时降低50%，开关损耗降低20%。
长飞先进方面强调，在一张扑克牌大小的面积内，24颗SiC MOSFET即可实现峰值250kW的能量转换。
据悉，目前DeepXE™已完成性能与方案验证和初步可靠性测试，预计2027年上半年完成完整可靠性测试、一致性与稳定性提升以及工业化验证。应用上，DeepXE™当前主要适配新能源车主驱和飞行汽车电驱，后续将拓展至固态变压器和AI数据中心800V至48V电源。
DeepXE从镀铜芯片、内嵌单元到嵌入式PCB与功率模块的产品组合（图源：长飞先进）
03 解决数据中心电源焊层寿命问题
算力需求持续增长，服务器电源因此需要更高的效率和功率密度。与此同时，数据中心电源全天候不间断运行，一旦器件失效就会影响算力供给，因此对器件可靠性的要求已经接近车规。
针对这一场景，长飞先进推出了基于量产芯片PG4E的单管系列，覆盖750V和1200V两个电压等级。为了验证长期可靠性，单管的内部验证采用加严版AEC-Q101方式，通过了3000小时考核，满足200°C HTRB/HTGB和100% HV-H3TRB的要求。
单管之外，模块的寿命还取决于芯片与基板之间的焊层。传统模块使用锡焊片，熔点约230°C，在长期热循环下容易疲劳开裂。为此，长飞先进在基于PG4E的EZ2C/3C模块中改用扩散焊工艺，并称这是国内首个采用该工艺的功率模块。扩散焊层的熔点约500°C，热导率为锡基焊料的2至3倍。因此，相比锡焊片工艺，EZ2C的结壳热阻降低18%，满载结温降低25°C以上。在此基础上，EZ家族全系采用耐高温材料，支持SiC在200°C以上工作。
在系统层面，EZ3C面向固态变压器（SST）。SST用电力电子变换替代工频变压器，可以把10kV中压直接变换为数据中心所需的直流电。
然而，单个器件无法承受10kV电压，SST需要把多个功率单元串联级联，共同分担电压。EZ3C集成了SHB三电平拓扑，每个器件只承受部分母线电压，单个模块因此能够处理更高的功率。
长飞先进表示，EZ3C可将单个SST模块的功率从70kW提升到100kW以上，并将10kV AI SST的级联级数从16级降至8级。级数减少后，系统复杂度随之降低，长期运行的可靠性也得到提升。
04 写在最后
回头看长飞先进本身，此次推出的产品集中在三个层面。
芯片上，PG4E、PG5E、PG6N三代平面栅分别解决可靠性、开关特性和功率密度问题，中高压系列和沟槽平台则把产品线扩展到更高电压和更小元胞；模块上，DeepXE用PCB嵌入降低杂散电感，EZ2C/3C用扩散焊降低热阻；电路拓扑上，EZ3C的三电平设计把10kV固态变压器的级联级数减少一半。
这三个层面能够同步推进，依托的是长飞先进从外延生长、器件设计、晶圆制造到模块封测的全产业链能力。
对长飞先进而言，验证完成后，这些产品若进入整车和数据中心客户的量产项目，将直接改变两类系统的设计：在电动车上，主驱逆变器可以做得更小、更轻、损耗更低；在数据中心，固态变压器需要串联的功率单元更少，功率模块在长期不间断运行下的寿命更长。