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。”

 

与非网原创内容,未经允许,不得转载!