在功率元器件领域中,SiC 作为新一代材料备受瞩目,与传统使用的 Si 相比,SiC 元器件实现低导通电阻、高速开关、高温工作。且使用 SiC 元器件能让设备变得更小、功耗更低。因具备高耐压、高耐热性,使得之前不能使用的小空间和严酷环境下的安装成为可能。以汽车为例,应用于混合动力汽车、电动汽车,可大幅度降低油耗,扩大室内空间。用于太阳能发电时,功率损耗率能减少 50%,有望为地球环境问题的缓解做出巨大贡献。这就使得这个新型材料器件非常适合于在电源、汽车、铁路、工业设备、家用消费电子设备等各个领域。尤其是今年来随着电动车等产业的发展要求,市场对 SiC 的需求大增。

据麦姆斯咨询分析,2018 年全球有超过 20 家的汽车业者,在 OBC 中使用 SiC 肖特基二极管(Schottky Diodes)或 SiC MOSFET;未来 SiC 功率半导体在 OBC 市场中有望以 CAGR 44%的速度成长至 2023 年。麦姆斯也指出,未来将有愈来愈多的汽车制造商会在主逆变器中采用 SiC 功率半导体,特别是中国车商,近几年更是纷纷考虑使用 SiC 功率元件,因此,2017~2023 年,SiC 功率元件在主逆变器市场的 CAGR,更可能高达 108%。这就推动市场的爆发性进展。


面对这样的成长态势,SiC 功率器件厂商正在积极布局。

 

ST 公司总裁兼首席执行官 Jean-Marc Chery


“此前,电力设备被认为是智能基础设施和智能家居的推动者,但 ST 的管理团队已经意识到,能源管理将是宽禁带材料未来的关键驱动力,”近日,在 ST 一场关于 SiC 功率器件的发布会上,ST 公司总裁兼首席执行官 Jean-Marc Chery 向与非网记者表示,“在高压电力设备领域 SiC 功率器件将成为游戏规则改变者,ST 作为这项技术的先驱,希望能快速取得领先地位,让市场占有率达到 30%以上。”在他眼里,“ST 一定要成为高压设备的领导者。”


Jean-Marc Chery 于 2018 年 5 月就任 ST 新一任首席执行官,就内部人士介绍,Jean-Marc 在帮助 ST 摆脱 ST-E 造成的巨额亏空阶段立下汗马功劳,在他的努力下,大概 3 年前 ST 终于扭亏为盈,进入了快速增长期,Jean-Marc 也因此得到董事会的信任得以接任首席执行官。Jean-Marc 提到,“去年管理层更换后,我们重新审视了 ST 的战略,决定将重点放在物联网和智能驾驶上,并决定在物联网和智能驾驶上增加对电源管理的投入。”


从这场发布会看来,显然,ST 制定了一份野心勃勃的计划,以期控制电动汽车和其他高压应用的碳化硅电力市场。


要实现这一目标,SiC 功率器件技术、产品和生产上的瓶颈就成为 ST 必需克服的难关。而众所周知,目前限制 SiC 功率器件产能的最关键因素是 SiC 晶圆的生产周期过长、产能受限。由于碳化硅需要在 2000°C 以上高温(硅晶仅需在 1500°C),以及 350MPa 以上才能达成。若透过添加一些特殊的助烧剂,或者气体沉积的方式,则可使碳化硅烧成温度降到 2000°C 左右,且在常压就能进行。依据目前的硅晶圆产业的生产情况,一般而言,生产 8 寸的硅晶棒,需要约 2 天半的时间来拉晶,6 寸的硅晶棒则需要约一天。接着,待晶棒冷却之后,再进行晶圆的切片和研磨。至于碳化硅晶圆,光长晶的时间,就约需要 7 至 10 天,而且生成的高度可能只有几寸而已(硅晶棒可达 1 至 2 米以上),再加上后续的加工制程也因为硬度的影响而相对困难,因此其产能十分有限,品质也不稳定。


而 SiC 晶圆供应商,目前全球仅约有三、四家(Cree、Norstel、新日铁住金等)能提供稳定的产量。这就可以理解,近日 ST 的几个市场动作,包括意向收购 Norstel AB 55%的股权,以及与 Cree 签订多年 SiC 晶圆供货协议,都旨在保持稳定的上游供货渠道,从而保证 SiC 功率器件的产能。

 

ST 公司汽车和分立器件部门总裁 Marco Monti


此次发布会所在的意大利西西里岛卡塔尼亚市,就坐落着 ST 最重要的 SiC 晶圆和芯片生产厂。ST 公司汽车和分立器件部门总裁 Marco Monti 介绍,卡塔尼亚工厂自 2003 年以来开始生产碳化硅,从 2 英寸的晶圆开始,现在可处理 6 种由包括 Cree 在内的许多供应商生产的碳化硅晶圆。除了正在讨论收购的挪威 Norstel 的大部分股份,Marco 也表示 ST 正推动供应商合作伙伴生产 8 英寸 SiC 晶圆,用于大批量生产。“这样做的目的是要满足多供应商原则,实现垂直整合,在内部保证 SiC 功率器件的产能目标。”

 

ST 公司位于卡塔尼亚的工厂的生产路线图

ST 公司 SiC MOSFET 产品路线图


而在 Marco 看来,除了晶圆产能的限制,SiC 功率器件的生产过程也有很大难度,包括前道工序的衬底缺陷、衬底透明度、掺杂剂活化,以及后道工序的硅片减薄、镀金属、晶圆完成度等方面都需要精细的工艺技术支持。“ST 是 SiC 工艺方面的专家,与供应商有良好的合作伙伴关系,同时保证研发和生产之间的紧密协作,这些都为我们成为 SiC 功率器件的领导者提供了保障。”

 

ST 公司销售、市场、沟通和战略发展总裁 Marco Cassis


ST 公司销售、市场、沟通和战略发展总裁 Marco Cassis 从市场和应用的角度表示,根据 iHS Markit 的预测,SiC 功率器件的市场容量将在 2025 年达到 37 亿美元以上,在汽车和工业市场上都将得到广泛应用,其中电动和混合动力汽车占比将接近 70%,传统的 IGBT 正被 SiC MOSFET 取代,“ST 目前在汽车市场是全球最大的 SiC 功率器件供应商,2018 年营收超过 1 亿美元,预计 2019 年营收将超过 2 亿美元。”支持其作出这一乐观估计的是这样一组数据,“全球超过 20 家汽车制造商已经采用 ST 的产品,包括 8 家欧洲车企将在 2019-2020 年上量,与雷诺 - 日产 - 三菱联盟在多个 SiC FET/ 二极管项目上开展合作,与现代起亚共同开发多个项目。”

 

SiC 器件市场容量预测(来源 iHS Markit)


而透过 ST 这场 SiC 功率器件的媒体沟通会,以及众多芯片厂商对 SiC 功率器件的竞逐,笔者看到的是汽车电子市场的竞争正日益白热化。一方面随着汽车的电动化,电源和功率器件在整车成本中的比重在不断增加,让芯片厂商把竞争焦点集中在此,另一方面,汽车级电源和功率器件对工艺、新材料等的高要求也让这块市场的门槛不断提高,芯片厂商之间也出现越来越明显的成本和资源对抗。

相信未来,围绕汽车电子,尤其电源和功率器件领域,芯片厂商之间的这场争夺战会越来越热闹。

 

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