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EV电动车推动碳化硅功率器件爆发,USCi为何看好中国市场?

以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件在国民经济发展中处于重要地位,碳化硅也得到了世界各地政府的大力支持,当前虽然整个碳化硅功率器件行业尚在起步阶段,但预计整个国内市场规模将达到4000亿元,专注于碳化硅 (碳化硅)材料的美国公司United Silicon Carbide(USCi)正在大力开拓中国市场......

近年来,以碳化硅(碳化硅)和氮化镓(GaN)等宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料引发全球瞩目。由于其具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点,可广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信、消费类电子等领域,被视为支撑能源、交通、信息、国防等产业发展的核心技术,全球市场容量未来将达到百亿美元,已成为美国、欧洲、日本半导体行业的重点研究方向之一。

中国大力发展第三代半导体材料,USCi杀入国内市场

2015年5月8日,在国务院印发《中国制造2025》中4次提到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件,可见第三代半导体行业在国民经济发展中的重要地位。碳化硅也得到了世界各地政府的大力支持,其中包括美国、欧洲、中国和日本。这些国家认识到全球变暖的明显威胁,并正在寻求多种解决办法。碳化硅器件的更高效功率转换,是业内共同解决这个问题的众多方法之一。

相比传统硅器件,碳化硅的器件的关键区别是碳化硅的带隙较传统硅大三倍多,虽然大多数客户对带隙这个材料参数不感兴趣,但正是这种特性使得碳化硅具有高于硅的材料性能。宽带隙使客户设计出来的碳化硅器件的漂移层厚度约为相近硅器件的10%,对给定的芯片尺寸来说,可以显著降低传导损耗。此外,这也使器件电容降低很多,因此开关频率明显提高,帮助客户设计出更高效和更紧凑的系统。

据了解,当前虽然整个碳化硅功率器件行业尚在起步阶段,但预计整个国内市场规模将达到4000亿元。商用的碳化硅基MOSFET国际几大厂如Cree、Infineon、RoHM等厂家都有量产器件,国际厂商目前已经在宣传全碳化硅功率模块,用于PFC/UPS/PV/EV等应用场景,国内厂家仅基本半导体等少数几家能量产碳化硅器件。

目前,专注于碳化硅 (碳化硅)材料的美国公司United Silicon Carbide(以下简称USCi)正在大力开拓中国市场,USCi的主要愿景是实现绿色和可持续的经济发展,主要关注的产业是风能/太阳能、电动汽车/下一代火车、智能电网、电机控制等等。

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USCi总裁兼首席执行官Chris Dries博士

为何要投资碳化硅行业?

日前,USCi总裁兼首席执行官Chris Dries博士接受了《国际电子商情》的独家专访,在向国内公司介绍USCi背景的同时,也谈到了自己对碳化硅功率器件产业的趋势看法。

据了解,USCi的创业团队大多数来自Sensors Unlimited公司,这家公司主要生产短波红外波段的图像传感器和摄像头。这些传感器使用传统上用于光纤通信系统的磷化铟 (InP) /砷化铟镓(InGaAs)化合物半导体材料系统。围绕短波段开发了一些独特的应用,实现了功能更加强大的机器视觉、光谱学和夜视图像。

2007年,包括Chris Dries在内的创始团队行业出售了Sensors Unlimited公司,由于此前一直专注于磷化铟 (InP) /砷化铟镓(InGaAs)化合物半导体材料,因此他们希望寻求一家发展新材料的公司来进行投资和生产。

“我相信未来几年的碳化硅器件出货量最终将超过10亿美元。随着市场规模扩大以及制造商向150mm晶圆生产转型,总体成本将会下降,因而推动了市场的扩展。”Chris Dries表示。凭借经验,Chris Dries认为碳化硅材料在功率转换方面具有非常好的前景,但是需要近20年时间才能转化为商业优势。因此,在2009年,创始团队通过购买USCi的资产进入了碳化硅材料领域。

电动车推动碳化硅材料应用,USCi产品线介绍

一直以来,碳化硅材料由于成本较高,因此未能在市场上迅速普及。随着制造商的生态系统不断发展,并且出现了竞争,降低了解决方案的成本,碳化硅器件在市场上的采纳正在加速,尤其是电动汽车充电等应用可从碳化硅器件性能获得很多好处,成为了强大的推动力。“我们和竞争对手的业务规模都正在急剧增长。” Chris Dries表示。

https://v.qq.com/x/page/l0524d6gueu.html(视频链接)

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USCi的主要产品线中文介绍

目前,USCi主要有两个销售产品线,分别是碳化硅肖特基二极管(Schottky Diode)和碳化硅FET。其中肖特基二极管主要用于功率因数校正和光伏发电,不过随着电动汽车充电系统和车载DC-DC转换器日益普及,这一块的业务也在蓬勃发展。USCi的碳化硅FET器件十分独特,因为它们非常易于集成到客户设计中,使客户能迅速拥有当今世界上最先进的碳化硅晶体管解决方案。

据介绍,目前USCi在电动汽车领域已占据举足轻重的地位,此次来深圳Chris Dries的一个目的就是为了拜访深圳的一个重要客户。在汽车领域,USCi的主要应用是车载充电和DC-DC转换。

电动汽车的电池必须充电,通常来自240V插座,但大多数人并未考虑到汽车上的其它电力转换需求。由于传统汽车供电采用的是12V电源,转换器需要将电源从高压电池总线电压降低至12V部件的生态系统,比如风挡雨刷、收音机和电动车窗等。在冬季时,我们必须将电动汽车中的大功率路由到加热器,这也是另一个很重要的大功率应用。Chris Dries认为,为了适应这种变化,从2020年开始,电机逆变器驱动器将会从IGBT转向碳化硅功率器件。

USCi的竞争优势,业界最好的体二极管性能

相比Littlefuse、英飞凌等竞争对手,USCi的器件的特点之一是兼容标准的硅栅极驱动,大大简化了设计项目的工作,并且更容易赢取客户的设计合同。

“我们拥有业界最好的体二极管性能,几乎相当于碳化硅肖特基二极管,在工作温度下,我们的反向恢复电荷的绝对值比最接近的竞争产品要好3倍。我们达到了所有这些成果,同时保持了较高的5V阈值电压,并且在1200V下的碳化硅芯片面积仅为最接近的竞争对手产品的一半,在650V下的碳化硅芯片面积仅为对手的25%。”Chris Dries表示,对于USCi来说,650V电压级别是一个巨大的优势,由于掌握该技术,使得电压级别上与Si超结型 (superjunction)竞争对手产品的价格接近。也是因为掌握该技术,USCi的器件在短路耐受时间和雪崩能力方面具有出色的稳健性。

携手本土渠道商及基底制造商,USCi希望帮助硅基底成本降低

对于中国市场,USCi寄予了很深的期望。“中国不仅地域辽阔,还有很多商机,加上巨大的市场规模,使得在中国销售与世界其它地区有所不同。” Chris Dries表示,目前USCi在中国拥有多个全球和本地的分销渠道,未来打算至少在深圳和上海开设办事处,并且聘请一些本地的销售人员和现场应用工程师。“我们正在建立一个中文网站,希望能够在2018年第一季完成。此外,我们在美国有很多懂中文的工程师,并且已经在美国制作了一些中文的内容和演示。” Chris Dries表示,USCi正在探索利用社交媒体来发布这些内容,并将USCi品牌发展成为大功率转换领域的思想领导者,特别是与碳化硅有关的领域。

“在中国,我们还没有看到来自器件制造商的直接竞争,但对手肯定将会出现。而这就是USCi不断进行器件技术创新的原因,我们力争在技术范畴远远超越竞争对手,要比它们超出多个世代。”Chris Dries表示,近几年中国企业在碳化硅材料领域,特别是在基底和外延片市场进行了的大力投资。Chris Dries表示,USCi欢迎来自中国的硅基底供应增长。另外,USCi也已经与一些中国的基底制造商会面,共同帮助降低基底成本。同时USCi正联同多个分包商/经销商合作伙伴联手,大量投资在中国制造的模块。“基底成本的速度降低越快,我们的市场就越大,能够从传统硅器件手中夺得的市场也就越多。”Chris Dries认为。

据介绍,USCi目前的生产制造主要在美国工厂,一条是100mm生产线;而另一条是符合汽车品质要求的150mm生产线。后端制造则位于菲律宾和中国。其中100mm生产线主要面向用于光电和射频市场的GaAs和InP器件;而150 mm生产线主要面向在传统汽车应用中具有重要地位的Si CMOS产品系列,但碳化硅器件的生产也正在不断增长。据介绍,以目前的产能来看,大概可以达到每月5000个6吋晶圆。“虽然基底供应短期内紧张,但未来18个月将有额外产能上线,相信我们快将回到正常供应状态。”Chris Dries最后表示,虽然目前团队成员中在GaN方面有着丰富的经验,但USCi的发展重点集中在拥有稳健性和市场成熟度的碳化硅器件,暂时无意发展GaN器件。

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