大规模量产,有望让SiC迈向“平民”价格

2019-07-11 11:49:06 来源:EEFOCUS
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罗姆   SiC

新能源汽车、智能电网等产业的发展,对功率半导体器件的性能提出更高的要求,由于硅材料的半导体器件性能已经接近物理极限,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料开始受到更高的关注。

 

其中,SiC最突出的特点就是硬,其硬度高达13,仅次于硬度15的钻石。除此之外,SiC还具有耐高压、耐高温、低损耗的特点。和Si材料对比,SiC的击穿场强是Si的近10倍,可达几千伏特的高耐压;采用SiC衬底比采用Si衬底半导体层更薄、阻值更低,SiC-MOSFET的漂移区阻值降低到原来的1/300,从而降低导通损耗;同时,SiC具有优异的高速开关性能。因此,SiC被看作电力电子领域最具前景的材料。

 

以5kW DC/DC转换器为例,采用Si IGBT电源控制板的体积位8775cc,重量是7kg,而采用SiC MOS器件及相关电路,电源控制板的体积为1350cc,重量只有0.9kg;从效率来看,Si-IGBT频率为25kHz,而采用SiC器件频率可达160kHz,损耗降低60%。

 

在近期的媒体会上,罗姆半导体(北京)有限公司华北设计中心所长水原德健表示,“SiC具有更高的击穿电压强度、更低的损耗、更高的热导率,意味着SiC器件可以用在高电压、高开关频率、高功率密度的场合,非常适用于光伏储能、xEV、数据中心服务器、风电、智能电网充电站、FA驱动电源以及家电等应用。”

 


罗姆半导体(北京)有限公司华北设计中心所长水原德健

 

性能的大幅度提升,以及政策层面的需求,拉动了SiC器件的用量在不断增长。Yole公司预测,2017~2020年,SiC器件的复合年均增长率超过28 %,到2020年市场规模达到35亿元人民币,并以超过40 %的复合年均增长率继续快速增长。

 

早期投入研发SiC,已经形成一条龙生产体制
对于SiC技术的研发,罗姆早在2000年就开始投入研发,于2009年收购了SiC晶圆供应商SiCrystal,从此罗姆的SiC功率器件形成一条龙的生产体制。并于2010年推出SiC SBD/MOS,2012年实现全SiC模块的量产,2015年全球首发沟槽型SiC MOS,2017年量产6英寸SiC SBD。

 


罗姆SiC产品发展史


SiC芯片6英寸晶圆

如今,罗姆的SiC分立器件已经有第二代SBD、第三代SBD JBS、第二代MOS平面型和第三代MOS平面型,电压最高可以做到1700V。全SiC功率模组第二代平面型和第三代沟槽型均已经量产,其中第二代平面型E型新品电压可以达到1700V。

 

为了应对旺盛的需求,保证长期稳定供应,罗姆开发了完全垂直整合的制造工艺,从晶棒的生产,到晶圆工艺,以及封装组装,全部自行完成。2018年4月公布了日本国内的Apollo新工厂,决定新建20000平米,将SiC和Gate Driver的生产能力都提高十几倍。

 

随着SiC大规模量产,价格有望降低
随着SiC模块功率制造水平的提高,SiC将会是越来越适合电动汽车驱动器的半导体器件,采用SiC器件是实现电动汽车驱动器高功率密度的有效手段。罗姆预计,到2020年,其汽车电子和工业市场将增长到51%,其中SiC主要用于电动汽车,市场足够大,虽然燃油汽车的销量出现了下滑,但是电动汽车的销量还在持续增长,这就是未来的机会。

 

搭载ROHM SiC芯片的SiC MOSFET功率模块(1200V/500V 6合1封装)

 

目前SiC无法大面积普及主要是受困于价格太贵,大部分用户追求更高的性价比,从而造成SiC模块的销量远远低于Si模块。

 

SiC之所以一直价格高昂,就是因为生产制造的瓶颈,从硅晶制造来看,生产8英寸的硅晶棒,需要约2天半的时间来拉晶,6英寸的硅晶棒则需要约一天。而对于SiC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厘米(硅晶棒可达1.2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。因此,SiC目前只做到了6英寸,相对于Si器件可以做到12英寸成本会高很多。

 

另一方看还取决于SiC材料的发展,SiC技术的竞争也是背后材料的竞争。2016年,英飞凌斥资8.5亿美金收购了Ceer旗下的Wolfspeed,加强了自身在SiC器件方面的供应能力,罗姆则在2009年收购了SiC晶圆供应商SiCrystal。

 

任何一种新材料都要经历一个优化到成熟的过程,随着SiC工艺逐渐成熟,特别在车载领域用量不断增加,可靠性得到了很好的验证,可以减少电动汽车重量,提高电源效率。水原德健表示,“更重要的是,随着使用量的增加,SiC价格会进一步降低,未来有望成为一种成熟的主流功率器件材料。”

 

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作者简介
郭云云
郭云云

与非网副主编,网名:咖啡不解困。在电子产业圈混迹8载,喜欢听大咖讲产业故事,喜欢听牛人分析产业趋势,也喜欢发表自己的“正理邪说”,时刻保持对所见所得的思考。

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