近年来,SiC 功率器件的出现大大提升了半导体器件的性能,这对电力电子行业的发展意义重大。据 Yole 预测,到 2023 年 SiC 功率器件市场规模预计将达 14 亿美元,其主要的市场增长机会在汽车领域,特别是 EV、混合动力车和燃料电池车等电动车应用市场。

 

与 Si 器件相比,SiC 功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。据了解,SiC 功率器件的能量损耗只有 Si 器件的 50%,发热量只有 Si 器件的 50%,且有更高的电流密度。在相同功率等级下,SiC 功率模块的体积显著小于 Si 功率模块,以智能功率模块 IPM 为例,利用 SiC 功率器件,其模块体积可缩小至 Si 功率模块的 1/3~2/3。

 

目前越来越多的厂商对碳化硅(SiC)器件加大投入,国外知名厂商有 ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、InfineonTechnologies、Littelfuse、Ascatron 等,国内也有不少厂商陆续推出 SiC 功率器件产品,如泰科天润、基本半导体、上海瞻芯电子、杨杰科技、芯光润泽、瑞能半导体等。

 

SiC 功率半导体器件技术发展近况

 

1、SiC 功率二极管

SiC 功率二极管有 3 种类型:肖特基二极管(SBD),PIN 二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD 具有较低的结势垒高度。因此,SBD 具有低正向电压的优势。SiCSBD 的出现将 SBD 的应用范围从 250V 提高到 1200V。同时,其高温特性好,从室温到由管壳限定的 175℃,反向漏电流几乎没有增加。在 3kV 以上的整流器应用领域,SiCPiN 和 SiCJBS 二极管由于比 Si 整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。

 

2、SiC MOSFET 器件

Si 功率 MOSFET 器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在 300V 以下的功率器件领域,是首选的器件。有报道称,已成功研制出阻断电压 10kV 的 SiCMOSFET。研究人员认为,SiC MOSFET 在 3kV~5kV 领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难,具有较大的电压电流能力的 SiCMOSFET 的研发还是取得了显著进展。

 

另外,有报道介绍,SiC MOSFET 栅氧层的可靠性已得到明显提高。在 350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是 SiCMOSFET 的一个显著的问题。

 

3、碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC BJT、SiC IGBT)和碳化硅晶闸管(SiC Thyristor)

之前报道了阻断电压 12kV 的碳化硅 P 型 IGBT 器件,并具有良好的正向电流能力。SiC IGBT 器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与 Si 双极型晶体管相比,SiC 双极型晶体管具有低 20~50 倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiCBJT 主要分为外延发射极和离子注入发射极 BJT,典型的电流增益在 10-50 之间。

 

关于碳化硅晶闸管,有报道介绍了 1 平方厘米的晶闸管芯片,阻断电压 5kV,在室温下电流 100A(电压 4.1V),开启和关断时间在几十到几百纳秒。

 

国内厂商 SiC 功率器件发展现状

1、泰科天润

泰科天润成立于 2011 年,是一家致力于碳化硅(SiC)功率器件研发和生产的企业。总部位于北京中关村,在北京拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂,可在 4 英寸 SiC 晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。产品线涉及基础核心技术产品、碳化硅成型产品以及多套行业解决方案,基础核心产品以碳化硅肖特基二极管为代表。

 

早在 2015 年,泰科天润就宣布推出了一款 3300V/50A 高功率碳化硅肖特基二极管产品。据报道,该产品具有低正向电压降、快开关速度、卓越的导热性能等特性,适用于轨道交通、智能电网等高端领域。

 

据介绍,3300V/50A 高功率碳化硅肖特基二极管工作时的正向压降的典型值为 2.22V(IF=50A,Tj=25℃)、4.75V(IF=50A,Tj=175℃);反向漏电流的典型值为 120uA(VR=3300V,Tj=25℃)、200uA(VR=3300V,Tj=175℃);在恶劣的电气环境下最大限度地提高可靠性;可在 -55℃到 175℃温度范围内正常工作。产品可提供未封装的裸芯片,器件封装类型可根据客户要求定制。

 

2018 年 10 月,泰科天润与高温长寿半导体解决方案领先供应商 CISSOID 达成战略合作,共同推进碳化硅功率器件在工业各领域,尤其是新能源汽车领域实现广泛应用,如上文介绍,新能源汽车将会是碳化硅功率器件市场规模的主要增长领域。

 

汽车中用量最多的半导体器件主要是三大类,传感器、MCU 和功率器件。其中功率器件主要应用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全等系统中。与传统汽车相比,新能源汽车新增大量功率器件用量,为什么呢?由于新能源汽车普遍采用高压电路,当电池输出高电压时,需要频繁进行电压变换,这时电压转换电路(DC-DC)用量大幅提升,此外,还需要大量的 DC-AC 逆变器、变压器、换流器等,这些对 IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量也大幅增加。

 

据泰科天润官微介绍,公司当前的产品主要以 SiC 肖特基二极管为主,可以提供反向电压为 600V、1200V、1700V、3300V 等级别的器件,包括击穿电压为 600V,工作电流为 1A、2A、3A、4A、5A、6A、8A、10A、20A 的器件,以及击穿电压为 1200V,工作电流为 2A、5A、10A、20A、30A、40A、50A 的器件,此外,器件的封装类型主要为 TO-220、TO-247(可根据客户要求定制)。

 

2、深圳基本半导体

深圳基本半导体成立于 2016 年,由清华大学、浙江大学、剑桥大学、瑞典皇家理工学院等国内外知名高校博士团队创立,专注于碳化硅功率器件的研发与产业化,是深圳第三代半导体研究院发起单位之一。

 

深圳基本半导体有限公司长期专注 SiC 功率器件研发,主要产品包括 SiC 二极管、SiC?MOSFET 及车规级全 SiCMOSFET 模块,广泛应用于新能源发电、新能源汽车、轨道交通和智能电网等领域。

 

以 SiC 二极管为例,通过采用国际领先的碳化硅设计生产工艺,基本半导体旗下 SiC 二极管的性能对标国际知名厂商同类产品,甚至在某些产品参数上更优于国际厂商,实现光伏逆变器、车载电源、新能源汽车充电电源、通讯电源、服务器电源等行业的大规模应用。

 

同时,基本半导体在 2018 年 10 月正式发布的 1200V 碳化硅 MOSFET,是第一款由中国企业自主设计并通过可靠性测试的工业级产品,各项性能达到国际领先水平,其中短路耐受时间更是长达 6μs。

 

SiC 功率模块对于器件芯片本身要求很高、对封装要求很高。前不久,深圳基本半导体营销总监蔡雄飞先生在接受媒体采访的时候透露,基本半导体目前正在研发一款对标“用于特斯拉 Model3 的 ST 全 SiCMOSFET 模块”的车规级产品,2019 年已经能提供工程样品,将会跟国内知名汽车整车厂进行联合开发以及样机研发,预期该产品将于 2021-2022 年上市。

 

3、扬杰科技

扬杰科技成立于 2006 年 8 月 2 日,2014 年 1 月在深交所创业板挂牌上市,公司专业致力于功率半导体芯片及器件制造、集成电路封装测试等领域的产业发展,主营产品为各类电力电子器件芯片、功率二极管、整流桥、大功率模块、DFN/QFN 产品、SGTMOS 及碳化硅 SBD、碳化硅 JBS 等。产品广泛应用于消费类电子、安防、工控、汽车电子、新能源等诸多领域。

 

从扬杰科技 2018 年半年度报告中了解到,公司正在积极推进 SiC 芯片、器件研发及产业化项目,加强碳化硅领域的专利布局,重点研发拥有自主知识产权的碳化硅芯片量产工艺,针对电动汽车、充电桩、光伏逆变等应用领域。

 

扬杰科技官网显示,目前已有的 4 个碳化硅碳化硅肖特基模块,型号分别是 MB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ、MB40DU12FJ,如查看 Datasheet 可以知道,MB200DU01FJ 这个型号,可以应用在电镀电源、高频电源、大电流开关电源、反向电池保护、焊机等场景中。

 

3、芯光润泽

芯光润泽成立于 2016 年 3 月,是一家专业从事第三代半导体 SiC 功率器件与模块研发和制造的高科技企业。目前已与西安交大、西安电子科技大学、华南理工等院校成立联合研发中心,与美的集团、爱发科集团和强茂集团等企业签署合作。

 

2018 年 9 月 18 日,芯光润泽国内首条碳化硅智能功率模块(SiCIPM)生产线正式投产,该项目于 2016 年 12 月正式开工建设,据了解,该产线投产稳定后,每月生产规模可达 30 万、每年可达 360 万颗。

 

从芯光润泽官网获悉,公司目前拥有碳化硅产品为碳化硅 SBD 和碳化硅 MOSFET,如 XGSCS1230SWA 是碳化硅 SBD 其中一个型号,可以满足电压为 1200V 的电压需求,适用场景为开关电源、功率因数校正、电力逆变器、不间断电源(UPS)、电机驱动等等。

 

4、瑞能半导体

瑞能半导体有限公司是由恩智浦半导体与北京建广资产管理有限公司共同投资建立的高科技合资企业,于 2016 年 1 月 19 日宣布正式开业,运营中心落户上海。瑞能半导体一直专注于研发行业领先的、广泛且深入的双击功率半导体产品组合,包括可控硅整流器和三端双向可控硅、硅功率二极管、高压晶体管和碳化硅二极管等。

 

公司的碳化硅二极管主要应用在工业、服务器、空调等领域,从官网了解到,瑞能半导体碳化硅二极管型号共有 25 个,都可以满足电压为 650V 的需求,如型号 NXPSC16650B,可以应用在功率因数校正、开关模式电源、不间断电源(UPS)、光伏逆变器、LED/OLED 电视、电机驱动等场景中。

 

5、上海瞻芯电子

上海瞻芯电子成立于 2017 年 7 月 17 日,是一家由海归博士领衔的 Fabless 半导体初创公司,齐集了海内外一支经验丰富的工艺、器件、电路设计、系统应用、市场推广和商务管理的高素质核心团队。公司致力于开发以碳化硅功率器件为核心的高性价比功率芯片和模块产品,为电源和电驱动系统的小型化、高效化和轻量化提供完整的半导体解决方案。

 

2017 年 10 月上旬,公司完成工艺流程、器件和版图设计,在 10 月到 12 月间完成初步工艺试验;并且从 2017 年 12 月开始正式流片,在短短不到 5 个月内克服种种困难,成功地在一条成熟量产的 6 英寸工艺生产线上完成碳化硅(SiC)MOSFET 的制造流程。晶圆级测试结果表明,各项电学参数达到预期,为进一步完成工艺和器件设计的优化奠定了坚实基础。2018 年 5 月 1 日,第一片国产 6 英寸 SiCMOSFET 晶圆正式诞生。

 

总结

新能源汽车是 SiC 功率器件的主要增长点,充电桩也是,以直流充电桩为例,据 CASA 测算,电动汽车充电桩中的 SiC 器件的平均渗透率达到 10%,2018 年整个直流充电桩 SiC 电力电子器件的市场规模约为 1.3 亿,较 2017 年增加了一倍多。

 

SiC 功率器件存在很多优势,未来发展空间也在逐渐增大,不过在发展 SiC 器件的过程中,还是存在不少问题,从近几年的发展来看,国内外厂商还是研究机构,都在加大投入发展更有的技术和产品,相信未来 SiC 器件不管在性能还是价格等多方面都会更适应市场需求。