根据市场研究机构 Yole Développement 的数据,全球 SiC 功率半导体市场将从 2017 年的 3.02 亿美元,快速成长至 2023 年的 13.99 亿美元,2017~2023 年的市场规模年复合成长率(CAGR)为 29%,推动力来自混合动力及电动汽车、电力和光伏(PV)逆变器等方面的需求,市场潜力巨大。

近日,科锐(Cree)与安森美半导体签署 SiC 晶圆片多年期供应协议,科锐将向安森美半导体供应价值 8500 万美元的先进 150mm 碳化硅(SiC)裸片和外延片,用于 EV 电动汽车和工业应用等高速增长的市场。过去一年半时间内,Cree 还与英飞凌、ST 等厂商签署了 SiC 晶圆片长期供应协议,成为大众汽车集团 FAST 项目 SiC 碳化硅独家合作伙伴,为什么这么多 SiC 厂商都要与科锐绑定呢?Cree 在 SiC 领域优势在哪里呢?


厂商纷至沓来

今年 3 月 15 日,美国 Cree 公司宣布将旗下 LED 照明部门以 3.1 亿美元出售给美国 Ideal Industries 公司。Cree 出售的业务包括用于商业的 LED 照明灯具和企业照明解决方案。通过此次业务剥离,Cree 公司继续专注化合物半导体射频和功率应用市场,满足 5G 通信和新能源汽车的市场需求。


可以看出,Cree 一直在稳步减少对竞争和商品化照明市场的依赖,同时转向其 Wolfspeed 部门的电源和 RF 产品。


2018 年 2 月,科锐宣布与英飞凌签署长期协议,为英飞凌生产和供应 Wolfspeed SiC 晶圆片。该协议表明,科锐将向英飞凌供应 150 mm SiC 碳化硅晶圆片,将帮助英飞凌在包括光伏逆变器和电动汽车等高增长市场扩展产品供应。


英飞凌首席执行官 Reinhard Ploss 表示:“我们与科锐合作多年,科锐在行业内具有很高的知名度,是我们强有力的可靠伙伴。基于 SiC 碳化硅晶圆片长期供应的保障,我们将增强在汽车和工业电源控制等战略性增长领域的优势。从而,帮助我们为客户创造出更多的价值。”


2019 年 1 月,科锐宣布与意法半导体签署多年协议,将为意法半导体生产和供应 Wolfspeed 碳化硅晶圆片。该协议显示,在目前这一碳化硅功率器件非同寻常的增长和需求时期,科锐将向意法半导体供应价值 2.5 亿美元的先进 150mm 碳化硅裸片和外延片。


意法半导体总裁兼 CEO Jean-Marc Chery 表示:“意法半导体是目前唯一一家能够实现汽车级别 SiC 量产的半导体公司。我们期望能够推动公司 SiC 业务的进一步增长,不论是在体量上,还是在所服务的应用领域上。我们的目标是要在这个预计 2025 年超过 30 亿美元的市场实现领先地位。与科锐签署这项协议,将提升我们的灵活度,支持我们的雄心壮志和计划,并帮助提升 SiC 在汽车应用和工业应用中的渗透。”


2019 年 5 月 10 日,Cree 成为大众汽车集团 FAST(Future Automotive Supply Tracks, 未来汽车供应链)项目 SiC 碳化硅独家合作伙伴。FAST 的目标旨在推进共同合作,比以往更为快速地实施技术创新,并且更有效率地、更有效果地实现全球汽车项目。

 

 

Cree 首席执行官 Gregg Lowe 与大众汽车集团在德国沃尔夫斯堡总部内举行的 FAST 合作伙伴选拔仪式上的大众汽车采购连接主管 Michael Baecker 先生站在一起。


这项协议将两场同时进行的产业变革联结在了一起:汽车产业正在经历从内燃机向 EV 电动汽车的转型,而在半导体产业,SiC 碳化硅的采用正在不断增长。这项协议同时也将推动双方的创新,有助于大众汽车集团更好地服务他们的客户。SiC 碳化硅的采用将加速汽车产业向 EV 电动汽车的转型,帮助实现更高的系统效率,从而为 EV 电动汽车带来更长的行驶里程、更快的充电,同时降低成本、降低重量和节约空间。


大众汽车集团采购负责人 Michael Baecker 先生表示:“大众汽车集团计划在未来 10 年发布近 70 款新电动车型,而此前只是计划 50 款。预计在未来 10 年,基于大众汽车集团电动汽车平台生产的汽车数量将从 1500 万辆增加至 2200 万辆。一个有效的(产业生态)网络是我们取得成功的关键。我们的 FAST 合作伙伴都是我们的战略伙伴,每个合作伙伴都是其各自领域的佼佼者。我们希望一起塑造汽车的未来。”


2019 年 8 月,科锐宣布与安森美半导体签署多年期协议,将为安森美半导体生产和供应 Wolfspeed 碳化硅(SiC)晶圆片。Wolfspeed 是科锐旗下公司,是生产碳化硅产品和外延片的全球领先企业。


SiC 时代的先驱者

1983 年,几位满怀热情和梦想的年轻人在美国高等学府北卡州立大学相遇,从此展开了他们数十年的友谊和梦想征途。北卡州立大学材料科学与工程实验室研究生在读的 John Edmond、John Palmour、Eric Hunter 以及他们的实验室研究助理教授 Calvin Carter,他们组成了一个研究小组,共同参与由美国海军办公室(ONR)资助的一个研究课题,旨在通过开发出采用 SiC 材料的微波晶体管的生产制程,从而能够为军用飞机的更高功率电子系统提供支持。

 

1987 年 7 月,Eric Hunter 和 Neal Hunter 两兄弟创立 Cree Research ,并以 Neal Hunter 与 Eric Hunter 的父亲 Charles Cree Hunter 命名。

 

SiC 技术的研发


Cree 于 1991 年发布了第一片商用的 SiC 衬底材料,1995 年 6 月,研发的方向转为发展 GaN,不同的是 Cree 仍坚持采用以 SiC 为基板,将 GaN 成长于 SiC 上。


1998 年推出了首个工业用的 GaN-on-SiC 射频器件。


2002 年发布全球首个商用的 SiC 功率器件。


2006 年 Cree 收购 SiC 衬底企业 Intrinsic Semiconductor。


2011 年,Cree 推出了业界首款商用碳化硅功率 MOSFET,这为节能电源开关建立了新的基准,并使设计工程师能够开发具有极快开关速度和超低开关损耗的高压电路。然后在 2013 年大幅改进第二代 SiC MOSFET。


2013 年 4 月,Cree 和 Delta Energy Systems 宣布推出 Delta 新一代太阳能逆变器,在光伏(PV)逆变器行业取得突破,该逆变器采用 SiC 功率 MOSFET。在下一代光伏逆变器中使用 SiC MOSFET 可以在功率密度,效率和重量方面实现重要的新里程碑。


2013 年 10 月,Cree 宣布,Shinry Technologies 采用 Cree 的 1200-V C2M 系列 SiC MOSFET,实现了新的高效率,混合动力电动和电动汽车(HEV / EV)的电源转换器实现业界领先的 96%效率。


2014 年 3 月,Cree 推出业界最强大的 CPW5 Z-Rec 高功率 SiC 肖特基二极管,这是业界首款商用 50 A SiC 整流器系列。


2014 年 9 月,C2M 系列 1200V / 80mΩ SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)被日本 Sanix 公司采用,应用在其最新 9.9kW 三相太阳能逆变器的设计之中,实现系统性能、高可靠性及性价比更佳组合,以用于日本快速增长的太阳能市场商业光伏系统建设。


2014 年 9 月,科锐在继今年 5 月份推出全 SiC 1.2kV 半桥式功率模块之后,推出了全 SiC 1.7KV/ 8mΩ功率模块,采用 62mm 封装,继续保持在 SiC 功率器件技术领域的领先地位。同月,科锐还推出了 1.2kV 全 SiC 六单元功率模块系列,该系列使得发电系统逆变器降低 50%功率损耗并提升 40%电力输出。


2015 年 5 月,科锐最新 SiC 功率器件实现技术突破,推出业界首款 900V MOSFET 平台。这一新型 900V MOSFET 平台扩展了产品组合,可应对新型且不断演变的应用市场中的设计挑战,适用更高直流母线电压。新型器件令现有 Si 基方案黯然,在高频化电力电子应用中,提供显著系统级性能和成本优势。Cree 采用业界首款 900V SiC MOSFET 重新定义了离散功率 MOSFET 的特性。


2015 年 9 月,Cree 公司将旗下功率和射频部门分拆为独立的“Wolfspeed”公司。


2016 年 5 月,Wolfspeed 推出高性能电源模块 CAS325M12HM2,采用半桥式拓扑结构,由 7 个 1.2kV 25m C2M ™碳化硅场效应晶体管和六个 1.2KV 50A Z-Rec 肖特基二极管。Cree 通过该全 SiC 高性能半桥功率模块和栅极驱动器组合为电力电子设备树立了新标准。


2016 年 10 月,Wolfspeed 推出业界首款 1000V SiC MOSFET,可以降低整体系统成本,同时提高系统效率并缩小系统尺寸。随着 1000V SiC MOSFET 的推出,Wolfspeed 凭借业界最完整的器件组合引领市场。


在偏压下承受潮湿的影响是所有电子产品长期面临的问题。对此,2018 年 2 月,Wolfspeed 推出了 WAS300M12BM2,它是由全新 MOSFET(CPM2-1200-0025A)和第 5 代肖特基二极管构成,可在芯片级别满足恶劣环境标准。这也是第一款通过 HV-H3TRB 测试验证具有长期使用寿命的,且在后应力物理分析中没有发现任何潜在缺陷的,并针对恶劣环境应用的全 SiC 功率器件,这些结果都为 Wolfspeed W 系列 SiC 功率模块在可再生能源和交通运输等户外功率转换应用中的使用打开了大门。


2018 年 8 月,科锐旗下 Wolfspeed 推出了 E- 系列碳化硅半导体器件。Wolfspeed E- 系列是首个实现商业化量产且通过 AEC-Q101 认证和符合 PPAP 要求的 SiC MOSFET 与二极管产品家族,满足高湿度环境和汽车认证要求,提供目前功率市场上最具可靠性和耐蚀性的器件。随着符合汽车相关认证的新型 SiC MOSFET 推出,Wolfspeed 成为首个且唯一一个 SiC 半导体厂商拥有全系列汽车级产品组合,适配电动汽车 EV 市场的需求。


作为公司长期增长战略的一部分,2019 年 5 月,Cree 宣布将投资 10 亿美元用于扩大 SiC 碳化硅产能,在公司美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市建造一座采用最先进技术的自动化 200mm SiC 碳化硅生产工厂和一座材料超级工厂,这也是科锐公司迄今为止最大的投资。


通过增建现有的建筑设施,作为面积 253,000 平方英尺的 200mm 功率和 RF 射频晶圆制造工厂,将迈出满足预期市场需求的第一步。新的 North Fab 将被设计成能够全面满足汽车认证的工厂,其生产提供的晶圆表面积将会是今天现有的 18 倍,开始阶段将进行 150mm 晶圆的生产。另外,Cree 将把现有在达勒姆的生产和材料工厂转变为一座材料超级工厂。这两座工厂的建立将为 Wolfspeed SiC 碳化硅和 GaN-on-SiC 碳化硅基氮化镓业务提供动能。


结语

由于电动汽车等新兴产业的快速发展,SiC 的需求也在日益增长,30 多年来,Cree 基于第三代半导体 SiC 技术,在晶圆、芯片、器件领域不断取得突破,始终引领新科技向市场化产品的转化,驱动产业变革,可能这也是众多厂商都选择 Cree 的原因!