继现有的硅(Silicon,Si)之后,采用碳化硅(Silicon Carbide, SiC)和氮化镓(Gallium Nitride, GaN)等新型半导体材料的功率组件产品纷纷出现在人们的视野之内。相关数据显示,预计到2020年,新一代功率半导体的销售额将达到1665亿日元,约为2014年(129亿日元)的约13倍。随着新一代功率半导体的出现,会逐渐挤压Si功率半导体的市场空间么?其将会带来哪些新的市场机遇?当前面临的技术挑战又有哪些?

SiC和GaN功率器件优势明显 逐步导入应用阶段

为了实现高效率的能源传输与利用,高性能功率元件在能源转换中扮演着重要角色。传统矽基(Si-based)材料由于无法提供较低导通电阻,因而在电力传输或转换时导致大量能量损耗。SiC元件则由于具备高导热特性,加上材料具有宽能隙特性而能耐高压与承受大电流,更符合高温作业应用与高能效利用的要求,在近期持续受到热切关注。相较于SiC已发展十多年了,GaN功率元件则才刚进入市场,它是一种拥有类似于SiC性能优势的宽能隙材料,但拥有更大的成本控制潜力。

瀚薪科技股份有限公司市场与营销经理杨雅岚表示,传统的硅功率器件,由于价格低廉与开发时间较早,已在各种电力电子系统中广泛应用。然而,随着电力电子应用的高效率、高频切换、高温操作、高功率密度等需求,逐渐带出碳化硅与氮化镓等新一代宽禁带材料功率半导体技术与产品进入应用量产阶段。 20161028-IGBT-2 瀚薪科技股份有限公司市场与营销经理 杨雅岚

意法半导体功率分立器件部技术市场高级经理 Gianfranco CALABRO直言,SiC和GaN这两种宽带隙功率器件的开发目的都是为适用于新兴大功率应用领域,提高能效和开关频率,降低功率损耗。但目前与传统硅器件相比,市场份额还较低。

无疑,作为新一代功率器件,SiC和GaN的性能更加优异。美国力特公司(Littelfuse, Inc.)资深销售经理朱少荣称,相比传统的Si功率器件,SiC具有四大优点:开关功耗小,更适合高频开关电源;极低的正向压降,导通功耗低;结温高达175度; MPS(合并肖特极P-N结)架构提高了抗冲击能力,降低了漏电流。

强茂股份有限公司 SiC产品经理方士硕进一步表示,在高温工作环境下,SiC与GaN电性相较Si组件稳定且效能较好,切换速度(switching speed)快速,使组件效率提升;在设计上则因为可在高温工作,可减少散热系统体积。方士硕指出,由于Si产品成本较低,市占量还是最高,但考虑到效能以及节能需求,预计到2020年时,SiC与GaN等宽能隙材料的需求量将会比现在提高3-4倍。

应用领域各有侧重 SiC/GaN瞄准高功率密度和高能效市场

在Si材料的长久技术发展培育下,Si功率半导体仍为电力电子应用的零件主流。尽管在高效率、高功率密度与高频化设计应用方面,Si材料功率半导体确实面临发展的瓶颈,而且整个行业都在朝宽禁带的SiC与GaN功率半导体技术方向发展,但这并不意味着Si功率器件可以被完全取代。另外,由于各自的性能不同,Si、SiC和GaN功率器件各有不同的应用市场。

朱少荣就表示,在电力电子应用中,功率器件的功耗日益成为一个深受关注的焦点,而Si功率器件的经过多年的发展,性能已经接近极限,已很难再通过技术升级来降低功耗,提高温度极限。“SiC和GaN等功率器件具有开关速度快,导通阻抗低,降低了设备的功耗,同时又具有耐高温特性,因此,在高频、高温及大功率应用领域中,SiC具有传统Si半导体器件无法比拟的优势。”不过,朱少荣同时也指出,在电源等应用市场,Si,SiC,GaN等功率器件会有一定的交叉。

“SiC材料具备高耐压与耐高温操作特性,非常适合用来设计600V以上的高压器件;而针对无线充电等MHz水平的高频应用需求,600V以下的GaN则将有其市场发挥擅长。” 杨雅岚表示,以市场规模来看,Si功率器件仍有其不可取代性,依然主导整个功率半导体市场的最大份额,而SiC与GaN则将由较高规格的电力电子应用切入,逐步替代既有市场。“以市场成长潜力来说,Si功率器件市场将持续走入低价低利的发展,而SiC与GaN则可望在高规格应用的推动下,维持较佳的规模成长空间。”

方士硕也表示,在需要高耐压(>600V)高电流特性时,使用SiC组件会较为有利;而在需要高频切换时,使用GaN组件会较有利。方士硕进一步称,在应用市场端,不断电系统、发电系统(风力发电/太阳能发电),工业及车用电子模块等对于效率要求较高,使用SiC或GaN可以有较大幅度改善效率。

Gianfranco CALABRO认为,因为击穿电压有可能达到更高水平,碳化硅在工业应用中的前景更好,如逆变器、电动/混动汽车转换器、三相开关电源。而氮化镓的击穿电压相对较低(低压MOSFET <200V),所以目标应用更倾向于传统开关电源,以及网络或电信设备的直流-直流转换器。两种技术都瞄准高功率密度和高能效市场。他同时也表示,在传统大功率开关电源应用领域(例如,服务器)可能会有些重叠,因为应用系统对参数的要求相似。“与氮化镓相比,碳化硅已被市场广泛认可,并在工业应用等市场开始启动,随着晶片生产线转向六英寸,市场渗透率将会提高。” 20161028-IGBT-3 意法半导体功率分立器件部技术市场高级经理 Gianfranco CALABRO

目前,全球各大半导体公司对于SiC的技术研究已经进入到成熟期,大功率SiC器件已经开始推向市场。“在一些新能源产品、航空、电动汽车及工业设备中,SiC器件已开始被广泛应用,逐步替代传统Si半导体器件。” 朱少荣说, Littelfuse 今年三月份推出的碳化硅肖特基二极管已经很快被一些工业和电动汽车客户所接受。

随着新能源、工业设备等应用市场需求的启动,SiC与GaN功率半导体的市场前景一片大好。全球半导体贸易统计组织WSTS发布的数据显示,2016年全球分立式半导体市场约达190亿美元规模,较2015年市场规模成长约2%。而在宽禁带的SiC与GaN功率半导体市场方面,预估在应用系统需求带动、宽禁带材料半导体技术发展愈臻成熟,以及产品价格逐步降低的推波助澜下,市场规模将由目前的2.5亿美元,快速成长至2025年的35亿美元水平,预估十年间的年复合成长率将达30%。

国内外企业争先推SiC器件 GaN产品进程不一

由于看好SiC与GaN功率半导体的未来发展前景,国内外各大厂商早已有所布局。

瀚薪科技一直以来致力于SiC与GaN功率半导体技术与产品开发,专注投入于SiC与GaN的材料特性、制程工艺与功率半导体设计及电力电子应用的相关研究。杨雅岚称,目前瀚薪科技已推出650V与1200V SiC肖特基二极管与MOSFET产品,以符合电源、光伏逆变与新能源车辆等应用的高效率产品需求。而且,该系列产品已大量为电源适配器、开关电源应用、DC-DC变流器及充电桩等客户导入采用。据介绍,650V 100A与1200V 60A规格的大电流SiC肖特基二极管芯片产品,主要是针对新能源汽车应用中对功率模块大电流应用的需求,通过大电流芯片的采用,用户可减少模块内芯片的用量,进一步提高功率模块的产品可靠度。此外,瀚薪科技还开发了耐压650V与1200V SiC MOSFET标准规格产品,并以自主知识产权设计了新型态的SiC MOSFET器件,这有助提高SiC MOSFET产品可靠度,并简化应用客户的系统设计问题。

杨雅岚透露,瀚薪科技目前已在SiC肖特基二极管与SiC MOSFET市场应用导入量产,未来将持续扩展大电流规格SiC MOSFET产品开发,同时针对1700V与3300V SiC功率器件进行技术与产品开发投入,以期为新能源应用、轨道交通与智能电网等高功率电力电子创新设计提供更可靠的新型功率半导体方案。GaN功率器件,则将以600V以下HEMT器件技术为主,切入无线充电等高频应用市场。

基于SiC材料,Littelfuse推出了LFUSCD 系列SiC肖特基二极管, 耐压650V和1200V,额定正向导通电流在4A到30A,封装有双引脚TO-220及三引脚TO-247。“该系列产品使设计人员能够显著降低开关损耗,能够适应大浪涌电流而不会产生热失控,工作结温更高,并能大幅增加系统效率和耐冲击力。” 朱少荣称,利用SiC功耗低,开关速度快的特点,LFUSCD 系列 SiC 肖特基二极管可用于各种应用,包括有源功率因数校正(PFC)、DC-DC 转换器中的降压或升压级、变频器级续流二极管(开关模式电源、太阳能、UPS、工业驱动器)、和高频输出整流。他透露,Littelfuse投入了大量的研发力量开发SiC产品,除了SiC肖特极二极管,很快还将推出新的产品以适应市场的需求。

20161028-IGBT-4 美国力特公司(Littelfuse, Inc.)资深销售经理 朱少荣

强茂推出的产品同样为SiC肖特基,耐压同样为650V和1200V,电流则从2A到10A,在高温环境下依旧保持低漏电流与高切换速度,可明显提升电路效率。“未来,将会持续往高电压高电流方向研发SiC肖特基,并将开发SiC MOSFET产品,以让SiC产品线更加完整。” 方士硕说。

Gianfranco CALABRO直言,在碳化硅MOSFET厂商中,只有意法半导体的塑料封装器件保证结温达到200°C,在高结温时工作性能更加出色。值得一提的是,意法半导体的碳化硅MOSFET的导通电阻的温度比变化极小,特别适合逆变器和电动汽车的车载充电器。至于氮化镓产品,目前则还处于研发阶段。Gianfranco CALABRO透露称,意法半导体计划在2017年一季度到三季度之间推出第二代1200V系列产品,以及多款650V新产品,并扩大封装选择范围,2017年底将推出汽车级产品。

封装、成本等依然是制约因素

目前,碳化硅已导入应用量产,性能得到很多用户认可,但氮化镓技术的发展目前仍处于初期阶段,尚未完全成熟。

“SiC肖特基二极管的产品导入应用量产,至今已有超过10年的时间,器件在应用的可靠度与经验已相对成熟,随着近年的价格大幅下降,应用客户已逐渐扩大应用设计。”杨雅岚称,SiC MOSFET产品推出量产至今大约5年的时间,在器件氧化层质量部分,仍有改善与提升空间。此外,用以取代IGBT的高良率、高电流SiC MOSFET设计,亦为技术发展的重点方向,高质量、低成本的大尺寸SiC衬底与外延技术发展,终将扮演向前跃进的关键。

Gianfranco CALABRO认为,在不久的将来,碳化硅MOSFET还会受益于新结构的应用,例如沟道,这将进一步提高单位裸片面积的导通电阻。

至于GaN技术,虽然近年来持续受到关注,但还面临着一些技术障碍。Gianfranco CALABRO指出,一方面,其工作频率高于现有器件;另一方面,氮化镓技术还未达到标准化的最低要求,因为目前存在不同的版本,即采用Cascode的常开(耗尽沟道模式)结构和常关型(增强模式)。在封装方面,氮化镓采用传统塑料封装(高寄生电感),让本身良好的开关性能大打折扣。Gianfranco CALABRO称,意法半导体目前在研发塑料封装的单片常关型氮化镓,以保证此项技术本身良好的开关性能。

杨雅岚认为,GaN在目前的技术开发上,主要面临产品稳定度与可靠度的问题,器件封装的发展仍为技术开发之关键。此外,由于GaN器件的应用仍将着重在其高频开关特性优势,驱动控制的选用及调校,以及高频操作下衍生的电磁干扰/兼容问题,对器件与系统研发人员的设计水平是一大考验。

相较于传统的Si功率半导体,宽禁带的SiC与GaN技术产品带来材料上的优势特性。不过,杨雅岚指出,由于材料造成的器件特性与传统Si器件有所差异,在使用上仍须针对器件特性进行优化参数设计,系统设计与器件设计的深入探讨、相辅相成,才能有效发挥宽禁带功率器件所带来的优势。

作为一种新型的功率器件,SiC 和GaN器件的成本比Si器件高出不少。提高良率、增加晶圆尺寸是各大企业在降低成本方面普遍采用的举措。

“SiC与GaN功率器件,不管是晶圆设计还是设备都与传统Si组件不同,产业进入门坎高,且因材料特性,制程难度高,导致成本也增加。”方士硕举例称,如SiC 肖特基,在相同电压电流规格下,SiC 肖特基的成本高出Si数倍,但强茂可利用不同的制程和增加晶圆尺寸来降低成本,以提供最适合客户需求的SiC产品。“2020年前,SiC器件或可慢慢取代现有的Si组件,提升到现有市场占额的3~4倍。”

20161028-IGBT-5 强茂股份有限公司 SiC产品经理 方士硕

杨雅岚称,由于SiC与GaN的材料与Si不同,在衬底/外延的生产技术上也与Si有极大的差异,导致SiC与GaN功率器件的成本大幅高于Si功率器件,这也是SiC/GaN器件无法全面取代Si器件市场之主因。不过,杨雅岚同时也表示,近年来随着衬底/外延材料技术与供应的提升,材料成本已逐年下降;伴随着器件供应量与应用的增长,SiC功率器件的价格已逐渐为应用客户所接受。杨雅岚认为,持续降低成本,为应用客户创造更多的导入机会,仍是市场渗透的重要策略。“瀚薪科技持续投入SiC与GaN器件上创新技术的开发,以简化应用设计,协助客户从系统面取得优势。另一方面,瀚薪科技也在持续提升生产良率、导入大尺寸等衬底相关关键技术。”

Gianfranco CALABRO认为,如果考虑到普通硅器件的性能限制,碳化硅和氮化镓器件较高的成本还是合理的。“明年,随着用量提高以及生产线向大尺寸晶片升级,成本结构将会得到优化。”

朱少荣也表示,随着SiC技术的发展,更多的商用化产品推向市场, SiC功率器件会越来越被市场接受,表现出高性价比。

成本下降是必然 SiC MOSFET将抢占IGBT市场

由于SiC MOSFET具备高频开关与无拖尾电流的特性,可有效缩减应用系统体积,同时提高系统效率、增加功率密度;又因为宽禁带材料的特性,SiC非常适合做为高耐压的器件。那么随着SiC功率器件成本的下降,在高压功率市场,其会逐渐挤压IGBT的市场吗?

杨雅岚直言,在取代IGBT的市场,SiC MOSFET确有其发展潜力。“以目前全球的应用导入趋势来看,光伏逆变器与新能源车辆的马达驱动控制应用,将为SiC MOSFET渗透IGBT市场的重要切入点。”她进一步称,相较于传统Si的MOSFET与IGBT产品,SiC MOSFET产品能够通过外延厚度的调整,达到耐压650V、1200V与1700V以上的规格要求。在器件特性上,SiC MOSFET较Si器件拥有优异的低切换损失优势,单位芯片面积下的导通电阻(RDS(on))远低于Si MOSFET;在光伏与新能源车辆所需的高功率逆变器应用上,过去使用了大量的Si IGBT器件与功率模块,但由于IGBT切换频率较低且带有拖尾电流,应用客户已逐渐展开新的系统设计,透过SiC MOSFET的采用,提高开关频率并消除拖尾电流,进一步获得系统体积缩减与效率提升的好处。

Gianfranco CALABRO也表示,在工业和家电市场上,IGBT是一个高成本效益的解决方案,但是,在逆变器市场上,碳化硅MOSFET将接替IGBT成为新的霸主,因为逆变器市场对能效要求很高。在电机控制市场上,IGBT将要面临一场卫冕战。

朱少荣和方士硕也皆表示,随着更多商业化SiC 产品的推出,SiC MOSFET等会逐步替换掉IGBT的市场。朱少荣称,“特别是在一些转换驱动电路方面,终端客户往往会关注到功耗与效率,而这正是SiC功率器件的优点。”方士硕表示,因电源供应器的效率及标准要求越来越高,PFC设计有使用SiC取代Si的趋势,以符合各国标准。另外,在光伏逆变器、油电混合车及电动车等产品,使用SiC所能提升的表现更加明显。

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