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功率半导体的碳化硅时代

近年来,在高端应用领域,碳化硅MOSFET已经逐渐取代硅基IGBT。以碳化硅、氮化镓领衔的宽禁带半导体发展迅猛,被认为是有可能实现换道超车的领域。

6月25日,2022中国·南沙国际集成电路产业论坛在广州南沙召开。本次峰会由广州南沙经济技术开发区管理委员会、广州市工业和信息化局主办;支持单位为广州湾区半导体产业集团有限公司、广东省集成电路行业协会、广州市半导体协会;广东省半导体及集成电路集群智库机构芯谋研究承办。广东省委常委、广州市委书记林克庆,广东省委常委、副省长王曦出席并致辞。IpOesmc

近年来,在高端应用领域,碳化硅MOSFET已经逐渐取代硅基IGBT。以碳化硅、氮化镓领衔的宽禁带半导体发展迅猛,被认为是有可能实现换道超车的领域。国内碳化硅企业基本半导体董事长汪之涵发表了题为《未来已来:功率半导体的碳化硅时代》的主题演讲,认为功率半导体领域碳化硅对硅基的取代趋势比业界此前的判断来得更早更快。IpOesmc

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基本半导体董事长 汪之涵IpOesmc

基本半导体成立于2016年,总部位于深圳,是一家碳化硅功率半导体创新企业。其产品系列有四个方向:碳化硅二极管和MOSFET、车规级碳化硅模块、碳化硅及IGBT驱动芯片和驱动模块、功率半导体测试设备。目前,基本半导体在深圳和无锡建设了碳化硅生产基地,其在无锡的碳化硅功率模块封装产线将于今年第四季度量产,产能到2025年可达到400万只。截至目前,基本半导体的碳化硅功率器件产品累计出货超过2000万颗,在光伏储能、通信电源、工业电源等领域有600多家全球客户。IpOesmc

在国家“双碳”战略的推动下,碳化硅器件在光伏发电、新能源汽车等领域的渗透率越来越高。IpOesmc

新能源汽车未来十年,仍将是碳化硅最大的应用市场。在一辆电动汽车里,有三个场景用到碳化硅器件。其中车载充电器OBC和车载DC/DC变换器,功率较低,对整车性能和安全性影响也较小,目前车企已在大批量使用碳化硅SBD和MOSFET。电动汽车的主逆变器DC/AC,也即电机控制器,所需功率较大,一般在100-300千瓦,对整车性能和安全性影响比较大。近几年,特斯拉、比亚迪开始在主驱上大规模使用碳化硅器件。目前,国内很多车企都宣布在即将量产的车型上使用碳化硅功率器件作为下一代电控平台的核心器件。采用碳化硅器件可以让电机控制器的功率密度和效率得到大幅提升,体积可以减少30%-40%,重量随之减轻,转换效率平均约有5%的提升。这意味着同样续航里程下,电池容量可以减少5%。从全生命周期成本来看,采用碳化硅器件已具备成本优势。IpOesmc

随着碳化硅器件的耐压进一步提升,智能电网将会成为非常重要的应用。目前国际上已有10kV的碳化硅MOSFET产品,一般认为当电压超过12kV,通过设计双极型碳化硅器件,会比单极型器件性能更好。智能电网设备,比如直流输电换流阀、直流断路器等,可以通过使用高耐压的碳化硅器件,达到更高的性能和效率。2030年之后,高压大功率的碳化硅器件会逐步在电网上得到应用,将为碳化硅产业打开新的应用领域。IpOesmc

法国Yole公司预测,2027年全球碳化硅市场规模超过60亿美元。其中约80%的市场来自于新能源汽车,即有约300亿人民币的碳化硅市场来自于新能源汽车,这意味着2027年全球将有超过1000万辆车使用碳化硅器件。基本半导体判断,到2027年使用碳化硅的电动汽车数量应该比这个数字更大,部分车企的碳化硅渗透率将达30%-40%,有些比较激进的车企将全部使用碳化硅器件。IpOesmc

碳化硅产业链包括最上游的碳化硅粉末,到晶锭、衬底、外延,再到晶圆,以及封装后的单管和模块。从产业链环节上看,碳化硅产业有很多创新点。IpOesmc

目前制约碳化硅成本和产能的重要因素是碳化硅单晶生长的成本高、速度慢。现在主流技术路线为PVT法,1小时只能生长200-400微米,速度非常慢。此外,还有缺陷率更低,但成本更高的CVD法,以及LPE溶液生长法。IpOesmc

单晶生长之后需要进行切割,金刚线切割是最常见的方法,目前也有激光切割、微射流激光切割等方式。英飞凌在研究冷切割技术,加贺电子等企业也推出了新的键合剥离技术。IpOesmc

碳化硅衬底材料尺寸的进展和当年硅晶圆的发展路径类似。国际上走在最前的是Wolfspeed。国外的碳化硅企业已经完成了4-6吋的升级。国内从6吋研发起步,目前也有了较好的技术积累。8吋碳化硅衬底进入大规模产业化的时点,Wolfspeed的目标是2024年,预计国内企业会在2026、2027年达到产业化阶段。IpOesmc

碳化硅外延生长方面,目前主流方法还是CVD,未来业界追求的目标是进一步降低缺陷率,提高良品率。IpOesmc

在碳化硅功率器件的设计方面,与其他材料类似,都可以设计出不同的结构,二极管、三极管、MOSFET、IGBT、晶闸管等都可以实现。Wolfspeed、ST、安森美采用平面设计,英飞凌和罗姆采用沟槽设计,这两种设计方式并存。长期来看,沟槽型应该会成为碳化硅MOSFET的主流技术路线。MOSFET的发展趋势有四个方向:更小的元胞尺寸,更低的比导通阻,更低的开关损耗,更好的栅氧保护,提高器件的性能和可靠性。IpOesmc

在工艺开发环节,碳化硅功率器件与传统的功率器件有所不同,在退火、离子注入方面,都需要高温设备。IpOesmc

碳化硅的封装技术目前也有很多创新点。传统的IGBT封装技术也可以封碳化硅模块,但无法真正实现碳化硅的优异性能。封装方面,有四个关注方向,即封装基板、封装保护材料、芯片连接技术和封装互联技术。IpOesmc

一些研究机构也在探索用碳化硅材料做集成电路,但目前离产业化非常遥远。IpOesmc

未来十年,碳化硅行业拥有巨大的机会,也面临诸多挑战,业内将会出现整合、洗牌的情况。展望未来,一定会有中国的碳化硅企业真正迈入全球功率半导体第一梯队。IpOesmc

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