9 月 18 日,国内首条碳化硅智能功率模块(SiC IPM)生产线在厦门芯光润泽科技有限公司正式投产,标志着我国在碳化硅芯片这个战略新兴行业又实现了一次重要的突破。
 
芯光润泽实现“从 0 到 1”的突破,是我市半导体和集成电路产业高质量发展的一个缩影。半导体和集成电路产业是我市重点发展的千亿产业链群之一。今年以来,立足市委市政府“双千亿”工作部署,我市深耕半导体和集成电路全产业链布局,施行精准招商,抓住行业内“领头雁”,吸引知名企业和研发技术转移,以项目带动,提升“话语权”。
 
芯光润泽的专家团队介绍,碳化硅产品广泛应用于港口重机、白色家电、高铁、数据机房、新能源汽车充电桩等领域,可以为这些行业器件提供高端核心功率部件,且拥有部件节能增效的显著优势。近年来,国际半导体市场持续保持高速增长的态势,其中智能功率模块全球市场规模超 100 亿美元,中国市场需求总量占比超 70%,但自给率不足 7%。
 
“如何打破受制于人的现状,找到我国芯片产业健康发展的突破口,成为中国半导体行业和企业的前进方向。这也是我们建设我国首条‘SiC IPM 生产线项目’的初衷。”厦门芯光润泽科技有限公司董事长卓廷厚表示,公司将致力于成为新兴半导体行业的独角兽。
 
全球的碳化硅市场格局
碳化硅(SIC)是半导体界公认的“一种未来的材料”,是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后 5~10 年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅(SI)材料的负载量已到达极限,以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。 
 
根据数据显示,碳化硅 (SiC)电力电子市场是具体而实在,且发展前景良好。这种趋势非但不会改变,碳化硅行业还会进一步向前发展。用户正在尝试碳化硅技术,以应用于具体且具有发展前景的项目。
 
如今,碳化硅技术的附加值已被电力电子领域所普遍了解与认可。
 
2016 至 2022 年间,有望实现 6% 的复合年增长率 (CAGR)。而且,新应用的出现也将推动碳化硅电力电子器件市场的发展。
 
也就是说,2022 年,碳化硅器件市场总值将超过 10 亿美元。
 
事实上,2020 年之后,市场发展的脚步将进一步加快,2020 至 2022 年间,有望实现 40% 的复合年增长率 (CAGR)。
 
目前谁是主要的 SiC 供应商呢?
 
目前行业的龙头,Infineon 和 Cree 两家公司研发出新的 RF 功率系统 Wolfspeed,已经占据了整个 SiC 市场份额 68%。
 
不仅如此,Cree 公司最近还收获了功率组件和电子应用上先驱新产品—APEI 的订单,这款产品有可能对 SiC 市场造成很大的冲击。
 
目前这两家公司都把目光放在如何实现将 SiC 器件集成到功率组件和转换器上的工业化应用问题,同时也能为这些 SiC 器件系统提供经特别设计的封装。
 
Infineon 公司已经具备了开发用于 SiC 器件功率组件所需的技术基础,而 Cree 公司正在发展它的 SiC 功率业务的供应链,如同它们之前在发展 LED 业务时所做的那样。
 
尽管这两家大公司都打算加速其在 SiC 应用上的进程,但是它们并不企图在未来继续统治这个领域的市场。
 
Infineon 和 Cree 公司从一开始进入这个市场时就占据了大量的市场份额,但是 Rohm、STMicroelctronics 等公司也正在对这个市场虎视眈眈。
 
回顾供应链发展开始的 16 年前,首批 SiC 功率器件开始商业化,当时只有德国英飞凌和美国科瑞两家企业能够提供 SiC 产品,后者的功率和设备器件业务已经独立为 Wolfspeed。
 
在随后的 10 年,器件的市场范围并没有真正地扩展,SiC 器件在努力在向产业界证明自己。
 
2009-2010 年,情况发生突变,更多器件供应商开始供应 SiC 二极管。
 
如到 2017 年 7 月份,二极管供应商的数量达到 23 家。SiC 晶体管供应商的总数也同样在增加。
 
特别值得一提的是,从 2016 年到 2017 年,SiC MOSFET 供应商的数量已经翻倍。该数量在接下来的几年内还将继续增加。
 
供应链现状随着器件市场的发展,SiC 产业供应链已经建立并将继续不断发展,从晶圆到外延层、芯片制造、模块封装到采用不同商业模式的系统终端用户,例如:
 
Wolfspeed 和 Rohm 半导体是从衬底到模块的垂直集成;
 
三菱电子和富士电子是从芯片到终端用户的垂直集成
 
其他很多供应商占据供应链的一部分。
 
在晶圆级,道康宁(Dow Corning)在被 Dow 收购后已经重组。
 
Dow 和 Dupont 的合并对于未来道康宁的 SiC 晶圆业务划上了一个问号,道康宁是 SiC 主要供应商之一。
 
同样值得一提的是,北电(Norstel)被我国资本收购:在公司在我国的福建建了新厂来拓展产能。
 
尽管雷神(Raytheon)公司在 2017 年停止了 SiC 代工厂业务,但其代工厂模式在运营层面已清晰,这有助于无代工 / 轻代工 SiC 企业来推出其产品和使得 SiC 技术对于产业更容易获得。该模式现在由 X-Fab 来驱动,并获得“电子美国”的支持。
 
预期其他代工厂也将进入该市场。
 
期待国内自主研发的相关企业能够打破技术垄断,促进国内碳化硅产业的进步与突破。
 
有关碳化硅产品的一些看法
SiC 材料本身的宽禁带、高击穿电场、高热导率、电子迁移率以及抗辐射特性使得碳化硅基的 SBD 以及 MOSFET 在高频、高温、高压、高功率以及耐辐射的应用场合相比硅基器件优势巨大,优势不单是体现在单个器件上,而是碳化硅基的功率器件作为电力电子的功率转换中的核心部件,工作频率、效率及耐温的提升使得功率转换(即整流或者逆变)模块中对电容电感等被动元件以及散热片的要求大大降低,核心元件带动整个模块系统的优化才是最重要的。
 
当前整个 SiC 功率器件行业尚在起步阶段,整个国内市场规模甚至全球市场都很小,2016 年貌似也就 2 亿多美元(如果没记错的话)。当前成熟量产的器件更多是 SBD,国内也有一两家厂商据说是初步量产。商用的碳化硅基 MOSFET 国际几大厂如 Cree、Infineon、RoHM 等厂家也有量产器件,国内应该尚未走通整个 SiC MOSFET 的量产工艺,拍脑袋估计一下可能至少再需要三年时间。
 
国际厂商目前已经在宣传全 SiC 功率模块,用于 PFC/UPS/PV/EV 等应用场景,国内厂家由于仅有少数能量产碳化硅器件,而且还仅仅是 SBD,开关器件国内尚无人能量产,所以国内的全 SiC 功率模块目前大部分是采用国外的功率器件,或者至少是 MOSFET 采用的是国外产品。
 
碳化硅的电力电子应用我觉得当前关键还是要综合成本能够与硅基相近且能够兼容原来的体系才有机会,毕竟当前整个电力电子是在硅基器件上建立起来的。目前来看我觉得还是有机会的,虽说碳化硅基器件仍不便宜,但是被动元件的节省以及散热压力的减小是的碳化硅基的功率模块已然能做到接近两毛五一瓦的价格,而且是在当前终端市场很不成熟的条件下做到的,SiC 外延片的尺寸的突破以及位错密度的持续降低,将会促进成本的进一步降低。
 
运载工具(车船飞机等)上的功率转换模块的轻量化要求将会为碳化硅基功率模块提供机会,只不过可靠性的验证需要时间,且部分领域需要相当的时间,而且无法跳过。对于从业者来说,我觉得乘着终端市场仍未起来前做积累并在博士期间多做些企业项目是很有价值的。