电动汽车推动了 SiC 功率半导体市场,但成本仍然是个问题。
 
随着电动汽车以及其他系统的增长,碳化硅(SiC)功率半导体市场正在经历需求的突然激增。
 
但需求也导致市场上基于 SiC 的器件供应紧张,促使一些供应商在棘手的晶圆尺寸过渡期间增加晶圆厂产能。一些 SiC 器件制造商正从 4 英寸晶圆过渡到 6 英寸晶圆。
 
SiC 是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中,专门的 SiC 衬底被开发出来,然后在晶圆厂中进行加工,得到基于 SiC 的功率半导体。许多基于 SiC 的功率半导体和竞争技术都是专用晶体管,它们可以在高电压下开关器件的电流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。
 
SiC 因其宽带隙技术脱颖而出。与传统硅基器件相比,SiC 的击穿场强是传统硅基器件的 10 倍,导热系数是传统硅基器件的 3 倍,非常适合于高压应用,如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。另外,SiC 还用于制造 LED。
 
最大的增长机会在汽车领域,尤其是电动汽车。基于 SiC 的功率半导体用于电动汽车的车载充电装置,而这项技术正在进入系统的关键部分——牵引逆变器。 牵引逆变器为电动机提供牵引力,以推动车辆前进。
 
对于这一应用,特斯拉在一些车型中使用了 SiC 功率器件,而其他电动汽车制造商则在评估这项技术。Yole Développement 的分析师 Hong Lin 表示:“当人们讨论 SiC 功率器件时,汽车市场无疑是焦点。丰田和特斯拉等先驱企业的 SiC 活动给市场带来了许多刺激和喧嚣。SiC MOSFET 在汽车市场具有潜力。但仍存在一些挑战,比如成本、长期可靠性和模块设计。”
 
据 Yole 称,在汽车和其他市场的推动下,2017 年 SiC 功率器件业务达到 3.02 亿美元,较 2016 年的 2.48 亿美元增长 22%。Lin 表示:“由于采用了 SiC MOSFET 模块的特斯拉 Model 3 产能增长,在汽车行业的推动下,我们预计 2018 年会实现飞跃。”
 
据 Yole 称,到 2023 年,SiC 功率半导体市场预计将达到 15 亿美元。SiC 器件的供应商包括 Fuji、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、Rohm、东芝和 Wolfspeed。 Wolfspeed 是 Cree 的一部分。X-Fab 是 SiC 的唯一代工厂商。
 
制造 SiC
电力电子技术在全球电力基础设施中发挥着关键作用。这项技术用于工业(电机驱动)、交通运输(汽车,火车)、计算(电源)和可再生能源(太阳能、风能)。电力电子技术在系统中实现交流电和直流电(AC&DC)的转换。
 
对于这些应用,行业使用的是各种功率半导体。一些功率半导体是专用晶体管,在系统中充当开关。它们允许电源在“开”状态下流动,在“关”状态下停止。
 
功率半导体是在成熟节点上制造的。这些器件旨在提高效率并最大限度地降低系统中的能量损失。通常,它们是根据电压和其他规格来评定的,而不是根据工艺尺寸评定。
 
多年来,主流的功率半导体技术一直(现在仍然)是硅基,即功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率 MOSFET 被认为是最便宜、最流行的器件,用于适配器、电源和其他产品。它们用于高达 900 伏的应用中。
 
在传统的 MOSFET 器件中,源极和漏极位于器件的顶部。相比之下,功率 MOSFET 具有垂直结构,其中源极和漏极分别位于器件的相对侧。垂直结构使器件能够处理更高的电压。
 
最主要的中端功率半导体器件是 IGBT,它结合了 MOSFET 和双极晶体管的特性。IGBT 用于 400 伏~10 千伏的应用。
 
问题在于,功率 MOSFET 和 IGBT 正在达到其理论极限,并且存在不必要的能量损失。器件因传导和开关而产生能量损失。传导损耗是由器件中的电阻引起的,而开关损耗是在开关状态期间发生的。
 
Wolfspeed 公司电力营销和应用高级总监 Guy Moxey 表示:“从 5 伏到几百伏,硅 MOSFET 一直都是一种很好的技术。当电压达到 600 伏到 900 伏时,硅 MOSFET 很好,但它开始出现能量损失。IGBT 是很好的举重运动员,但它既不快速也不高效。”
 
这便是 SiC 的用武之地。基于氮化镓(GaN)的功率半导体也正在出现。GaN 和 SiC 都是宽带隙技术。硅的带隙为 1.1 eV。 相比之下,SiC 的带隙为 3.3 eV,GaN 的带隙为 3.4 eV。
 
贸泽电子(Mouser Electronics)在一篇博客中表示:“电子带隙是固体材料中价带顶部和导带底部之间的能量间隔。正是这种带隙使半导体能够根据需要开关电流,以实现特定的电气功能。”
 
宽带隙器件具有几个优点。例如,电动车辆由电动机驱动器驱动,电动机驱动器传统上使用功率 MOSFET 或 IGBT。Wolfspeed 公司的 Moxey 表示:“如果你用 SiC 替换掉原来的电动机驱动器,那么你的驱动器损耗会降低 80%。这意味着在相同的续航里程内,你可以使用更小的电池。电池越小意味着成本越低。”
 
同时,基于 SiC 的功率半导体用于 600 伏~10 千伏应用。Moxey 表示:“600~1700 伏电压适用于大多数 SiC 应用。当电压达到 3.3~10 千伏时,它非常适合。例如风力发电和小型电网。”
 
在电源领域,GaN 用于 30~600 伏的应用。Moxey 表示说:“GaN 和 SiC 是互补技术,而非竞争技术。”
 
GaN 和 SiC 器件都比硅快,但也更贵。Yole 旗下 System Plus Consulting 部门设备主管 Elena Barbarini 表示:“目前,SiC MOSFET 器件的每安培成本比同类 IGBT 高出五倍以上”
 
2002 年,随着 SiC 二极管的引入,出现了第一个基于 SiC 的器件,随后在 2011 年推出了 SIC 功率 MOSFET。与功率 MOSFET 类似,基于 SiC 的器件是垂直结构。
 
SiC 功率 MOSFET 是基于 SiC 的功率开关晶体管。Rohm 公司应用工程师 Mitch Van Ochten 解释说:“二极管是一种向一个方向传导电流并在相反方向阻挡电流的器件。”
 
无论如何,SiC 功率半导体正在增长。Applied Materials 公司战略与技术营销总监 Mike Rosa 表示:“硅在功率器件中发挥着重要作用。但当你谈到更高的功率和更轻的重量时,制造商们关注的却是像 SiC 这样的材料”
 
基于 SiC 的器件在晶圆厂中生产,行业持续进行晶圆尺寸的过渡。Rosa 表示:“4 英寸或 6 英寸晶圆都可以使用 SiC。整个行业都在拼命追逐 8 英寸晶圆。”
 
事实上,Cree 已经完成从 4 英寸(100mm)晶圆到 6 英寸(150mm)晶圆的过渡。Rohm 和其他公司正处于过渡阶段。200mm 晶圆上的 SiC 在一段时间内不会出现。
 
通常,当迁移到新的晶圆尺寸时,每个晶圆上的裸片数量将增加 2.2 倍。更大的晶圆尺寸可以降低整体生产成本。
 
在数字 CMOS 领域,芯片制造商几年前便从 4 英寸过渡到 6 英寸。对 SiC 进行相同的过渡听起来很简单,但也存在一些挑战。Lam Research 战略营销高级总监 David Haynes 表示:“尽管在 150mm 晶圆上大规模生产 SiC 功率器件已经经过了近 5 年的验证,但 150 毫米的高性能、低缺陷密度 SiC 衬底的可用性和成本仍然是采用的障碍。”
 
Haynes 表示:“也就是说,随着向 150mm 量产的过渡的实现,相关的成本节约将有助于在越来越多的应用中推动商业可行性。另一个例子是 SiC MOSFET 技术的路线图。平面 SiC MOSFET 已经在商业应用中得到了一段时间的验证,但是今天,对于沟槽结构的 SiC MOSFET 的开发和商业化得到了重大推动,与平面结构相比,它可以提供明显更低的导通电阻。”
 
同时,在晶圆厂中,基于 SiC 的功率器件通常遵循与硅基芯片相同的工艺流程。 但也存在一些差异,例如 SiC 衬底的开发。
 
对于硅基芯片,工艺的第一步是开发原始硅晶圆。为此,将硅晶种放到坩埚中加热。最后形成的主体被称为硅锭,将其拉制并切成 300mm 及更小尺寸的硅晶圆。
 
然而,对于 SiC 而言,工艺是将 SiC 块状晶体被放入坩埚中加热,将得到的锭料拉出并切成薄片。
 
多年来,SiC 块状晶体一直被一种称为微管的缺陷所困扰,微管是在晶体中贯穿的微米大小的孔洞。华威大学副教授 Peter Gammon 表示:“微管缺陷和其他会破坏器件操作的缺陷现在几乎都消除了。材料供应商现在提供零微管产品。”
 
一旦 SiC 晶圆被开发出来,下一步就是形成 SiC 衬底。将裸晶圆插入沉积系统中,晶圆上会生长出 SiC 外延层,从而形成 SiC 衬底。然后,在晶圆厂中对 SiC 衬底进行加工,并使用检测系统对缺陷进行检测。SiC 器件容易出现缺陷,尤其是随着供应商转向更大的晶圆尺寸。
 
KLA-Tencor 公司 LS-SWIFT 部门副总裁兼总经理 Lena nicolades 表示:“SiC 存在很多缺陷。对于 SiC,我们的检测系统使用较短的波长。它能在衬底中找到间断点。”
 
电动汽车中的 SiC
与此同时,汽车行业是整个半导体行业中增长最快的领域。联华电子业务发展副总裁 Walter Ng 说:“越来越多的客户正在重新定义他们的产品组合,以适应物联网和汽车市场。今年,我们与汽车相关的收入大幅增长。我们预计,在可预见的未来,汽车相关的收入仍将继续增长。”
 
SiC 在汽车领域也出现了增长,尤其是在电动汽车领域。电动汽车,包括纯电动汽车和混合动力汽车,占今天全球汽车销量的 1%左右。据 Frost&Sullivan 称,在中国和其他国家的推动下,电动汽车市场将从 2018 年的 160 万辆增长到 2019 年的 200 万辆。到 2025 年,市场预计将达到 2500 万辆。
 
Lam 公司的 Haynes 表示:“采用电动汽车和混合动力汽车肯定会成为现实。然而,在全球范围内,采用的时间和采用率差异很大,并且与政府政策和消费者获得适当价格的产品和充电基础设施密切相关。毫无疑问,中国市场是电动汽车的主要增长引擎。” 
 
在电动汽车中,系统有几个领域,例如娱乐系统、车载充电器、牵引逆变器等。 牵引逆变器将电池的能量转化给牵引电动机,从而推动车辆前进。
 
SiC 正在进军车载充电器、DC-DC 转换器和牵引逆变器。车载充电器通过电网为车辆充电。
 
图 1:电动汽车中的电力电子技术 (来源:意法半导体)
 
DC-DC 转换器获取电池电压,然后将其降低到较低的电压,用于控制窗户、加热器,以及其他功能。
 
器件制造商之间的一场大战正发生在牵引逆变器领域,尤其是纯电池电动汽车领域。一般来说,混合动力汽车正朝着 48 伏电池的方向发展。对于电力发明家而言,SiC 对于混合动力汽车来说通常过于昂贵,尽管也有例外。
 
与混合动力汽车一样,纯电池电动汽车也由牵引逆变器组成。高压母线将逆变器连接到电池和电机上。电池为汽车提供能量。推动汽车前进的电动机有三根线。
 
这三根线延伸到牵引逆变器,然后联网到逆变器模块内的六个开关。
 
每个开关实际上是一个功率半导体,在系统中充当电开关。对于开关,现有的技术是 IGBT。因此牵引逆变器可以由六个 IGBT 组成,额定电压为 1200 伏。
 
Rohm 公司的 Van Ochten 表示:“实际上,它们是电开关。我们可以为这些电开关选择技术,它们可以启用和禁用各种电机绕组,并有效地使电机旋转。用于这种功能的最流行的电子半导体开关称为 IGBT。超过 90%的汽车制造商都在使用它们。它们是根据需要将电池电流转换到电动机的最便宜的方式。”
 
然而,使用 IGBT 有一些权衡。Van Ochten 表示:“IGBT 可能是最新技术价格的三分之一,但它们的速度很慢。”
 
这就是业界瞄准 SiC MOSFET 的原因,SiC MOSFET 比 IGBT 具有更快的切换速度。意法半导体宽带隙和功率射频业务部门主管 Maurizio Ferrara 表示:“SiC MOSFET 还降低了开关损耗,同时降低了中低功率水平下的传导损耗。它们的工作频率是 IGBT 的四倍。由于更小的无源元件和更少的外部元件,因此可以减小重量、尺寸和成本。因此,与硅基解决方案相比,SiC MOSFET 可将效率提高 90%。”
 
所以,对于牵引逆变器而言,从 IGBT 转向 SiC MOSFET 是有意义的。但这并不那么简单,因为成本在等式中扮演着重要的角色。
 
然而,特斯拉已经开始尝试冒险。据 Yole 称,特斯拉正在 Model 3 中使用意法半导体生产的 SiC MOSFET。Yole 还补充说,特斯拉还使用其他供应商的产品。其他汽车制造商也在探索这项技术,不过出于成本考虑,大多数 OEM 都没有加入这一行列。
 
不过,有几种方法可以实现从 IGBT 到 SiC MOSFET 的转变。据 Rohm 称,有以下几种选择:
 
将 IGBT 留在系统中,但用 SiC 二极管替换硅二极管。
 
将 IGBT 和硅二极管全部用 SiC MOSFET 和 SiC 二极管替换。
 
在逆变器中,有六个 IGBT,每个 IGBT 都有一个单独的硅二极管。使用二极管有几个原因。Rohm 公司的 Van Ochten 表示:“IGBT 无法承受反向电动势和过高的电压。因此,需要在每个 IGBT 上加一个二极管,以防止在关闭开关时破坏它。”
 
使系统更有效率的一种方法是替换掉硅二极管。Van Ochten 表示:“提高牵引逆变器效率的第一步是将 IGBT 留下。然后用 SiC 二极管代替普通的硅二极管。SiC 二极管具有更好的性能。这样可以提高效率。”
 
最终的解决方案是用 SiC 二极管和 SiC MOSFET 取代 IGBT 和硅二极管。Wolfspeed 公司的 Moxey 表示:“由于材料的价格,SiC 比硅更贵。但是,如果你的开关速度提高了四、五倍,就可以降低磁性元件和电容器的成本。”
 
这一切将走向何方?英飞凌汽车部副总裁 Shawn Slusser 表示:“当我们研究不同的应用时,我们预计,充电站和车载充电器将成为首批采用 SiC 技术的应用。”
 
Slusser 表示:“至于汽车应用,我们预计 IGBT 将在未来十年主导市场。SiC 具有高效率、高功率密度的优点,但成本较高。这意味着缩小尺寸和缩小电池容量的优点需要弥补更高的成本。这就是为什么我们相信 SiC 将最先用于车载充电器,因为更高开关频率下的 SiC 效率和更小的无源元件可以补偿 SiC 器件的高成本。只要电池成本节省多于 SiC 器件增加的成本,SiC 就将被广泛应用于大型电池电动汽车的主逆变器应用领域。对于 800 伏系统的电动汽车,还有其他优点,例如更短的充电时间、更高的逆变器效率和更低的电缆成本。”
 
可以肯定的是,SiC 正在升温,电动汽车也在升温。如果供应商能够降低成本,那么 SiC 功率半导体似乎将成为主导者。但这说起来容易做起来难。