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碳化硅,为何让人又爱又恨?

碳化硅,为何让人又爱又恨?

碳化硅(SiC)作为半导体材料具有优异的性能,尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。但SiC在天然环境下非常罕见,最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中发现了少量这种物质,因此其又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。

Yole在近日发布的《功率碳化硅(SiC):材料、器件及应用-2019版》报告中预计,到2024年,碳化硅功率半导体市场规模将增长至20亿美元,2018-2024年期间的复合年增长率将高达29%。其中,汽车市场无疑是最重要的驱动因素,其碳化硅功率半导体市场份额到2024年预计将达到50%。iUoesmc

晶圆短缺还会持续吗?

过去的两三年里,晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求,包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资,以支持供应链建设。iUoesmc

科锐(Cree)公司在今年5月宣布将投资10亿美元建造一座200mm SiC碳化硅生产工厂和一座材料超级工厂,从而确保Wolfspeed SiC和GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)产能在2024年实现30倍的增长,以满足EV电动汽车和5G市场需求。iUoesmc

意法半导体(ST)2018年SiC收入约为1亿美元,其2019年的目标收入为2亿美元,2025年目标收入定为10亿美元并希望由此占据30%的SiC市场份额。为此,ST在今年1月与Cree签署了碳化硅晶圆多年供货协议,根据协议,Cree将向ST供应价值2.5亿美元的150mm碳化硅裸晶圆和外延晶圆。一个月后,ST又宣布收购瑞典SiC晶圆供应商Norstel AB 55%的股份,并享有在满足某些条件下收购剩余45%股本的期权,如果行使期权,最终收购总价为1.375亿美元。 iUoesmc

同为SiC生产大厂的英飞凌(Infineon)自然也不甘落于人后。除了早在2018年2月就宣布与Cree达成SiC晶圆长期供货战略协议外,还于同年11月收购了初创企业Siltectra,并借此获得了一种名为“冷切割(Cold Spilt)”的高效晶体材料加工工艺。英飞凌计划将这项技术用于SiC晶圆的切割,并在未来五年内实现该技术的工业化规模使用,从而让单片晶圆可出产的芯片数量翻番。据了解,截止至2018年,英飞凌SiC在充电桩市场的市占率超过五成。iUoesmc

以罗姆(ROHM)为代表的日系厂商则是SiC市场的另一支重要力量。该公司从2000年就开始进行SiC MOSFET的基础研究,并在2009年收购德国SiC晶圆材料厂商SiCrystal,从而拥有了从晶棒生产、晶圆工艺到封装组装的完全垂直整合的制造工艺。其里程碑事件包括2010年全球首发SiC SBD(肖特基二极管)/MOS并实现量产、2012年全SiC模块量产、2015年沟槽型SiC MOS量产以及2017年6英寸SiC SBD量产。iUoesmc

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罗姆公司6英寸SiC MOSFET晶圆iUoesmc

市场调研机构Yole Development的数据显示,2013年罗姆在全球SiC市场的份额为12%,而富士经济的数据则表明,2018年罗姆的市场份额已增长至23%。罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健表示,从2017年到2025年,罗姆将阶段性投资共计850亿日元用于SiC生产。作为该项投资的一部分,罗姆在时隔12年之后再次在日本国内修建了一座占地面积20000m2的Apollo新工厂,主要为SiC器件提供晶圆,已于2019年4月动工,预计2021年投入使用。届时,其SiC产能将是2017年的6倍,到2025年将达到16倍。iUoesmc

但安森美半导体(OnSemi)低压及电池保护MOSFET和宽禁带高级总监兼总经理Bret Zahn对“晶圆供应短缺制约了SiC市场发展”的说法持保留意见。iUoesmc

“我认为平台导入设计的严格流程和随后的认证一直是门槛,市场采用反而是在持续增加。”他分析称,SiC市场此前主要使用100mm晶圆,直到最近2-3年,更多的SiC器件供应商开始进入市场,带来了更激烈的市场竞争,由于具备成本优势,150mm晶圆开始受到青睐。不过,150mm晶圆成品率不能与100mm晶圆成品率相当,所以供应商一直在努力提高更大直径晶体的质量,这导致了高成品率150mm SiC晶圆的短缺。但随着100mm晶圆供应商现在开始提供同等或更好裸片质量的150mm晶圆,以及不断有新的晶圆供应商加入市场,SiC晶圆短缺现象已经开始得到缓解。iUoesmc

安森美于2017年进入SiC器件供应商市场,技术来自2016年末收购的飞兆(Fairchild)半导体。作为一家相对较新的SiC器件供应商,安森美从一开始就使用150mm晶圆生产,其核心策略是认证多个供应商,再重点收购那些能够提供最高裸片成品率晶体的供应商,以确保SiC晶圆供应。同时,安森美还制定了内部SiC晶体成长计划,目标是在2022年底提供至少50%的自有SiC晶圆,这种全面的SiC垂直整合对于保证供应(尤其是汽车客户)和提供最低成本的SiC制造基础设施极为关键。iUoesmc

汽车,重塑SiC市场的关键

SiC最初的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。以一款5KW LLC DC/DC转换器为例,其电源控制板在采用Si IGBT(硅绝缘栅双极型晶体管)时,重量7kg,体积8,775cc;而当采用SiC MOSFET之后,重量锐减至0.9kg,体积减小到1,350cc。这得益于SiC MOSFET的芯片面积仅为Si-IGBT的1/4,并且其高频特性使损耗相比Si-IGBT下降了63%。iUoesmc

但人们很快发现,碳化硅的电气(更低阻抗/更高频率)、机械(更小尺寸)和热性质(更高温度的运行)也非常适合制造很多大功率汽车电子器件,例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。尤其是特斯拉(Tesla)在其Model 3主驱逆变器中采用了SiC器件之后,示范效应被迅速放大,使xEV汽车市场很快成为SiC市场兴奋的源泉。iUoesmc

著名的电动方程式赛车(Formula-E)中也用到了SiC技术。从2016年第三赛季开始,罗姆开始赞助Venturi车队,并在赛车中使用IGBT+SiC SBD组合取代传统200kW逆变器中的IGBT+Si FRD方案,相比之下,使用SiC方案后,逆变器在保持功率不变的前提下,重量降低2kg,尺寸减小19%。而当2017年第四赛季采用SiC MOS+SiC SBD后,不但重量降低了6kg,尺寸减小43%,逆变器功率也由此前的200KW上升至220kW。iUoesmc

目前,xEV汽车中的主驱逆变器仍以IGBT+Si FRD方案为主,但考虑到未来电动汽车需要更长的行驶里程,更短的充电时间和更高的电池容量,采用SiC MOS器件将是大势所趋,时间节点大约在2021年左右。此外,车用OBC和DCDC应用,也已经先后在2017/2018年迎来重大革新,分别由SiC SBD转向SiC SBD+SiC MOS和从Si MOS演变为SiC MOS。同时,采用SiC SBD+SiC MOS方案的无线充电和采用SiC MOS方案的大功率DCDC正在研发中。iUoesmc

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SiC在汽车应用中的趋势iUoesmc

“将SiC逆变器用于电动汽车所带来的经济收益是显而易见的。”水原德健说,通过SiC可以提高3%-5%的逆变器效率,降低电池成本/容量,并且SiC MOS有很大机会被率先引入高档车中,因为其电池容量更大。iUoesmc

但Bret Zahn提醒业界说,在开发SiC时,晶圆制造、封装/测试、应用测试和最终合格检验等开发链中的一切都必须重新考虑。例如,被认为在xEV市场最具吸引力的大裸片低导通电阻Rdson器件已被认定是个巨大的挑战。由于SiC不同的属性和小得多的裸片尺寸,业界需要再次重新考虑许多热机械应力问题,也需重新设计互连技术,以获得更高的电流密度和更低的电感。此外,在xEV市场,为了充分利用SiC所有的优势,还必须强化伙伴关系,加强客户沟通,以创建高度定制的系统方案。   iUoesmc

分立器件 VS 功率模组

和IGBT一样,对于SiC,业界也普遍希望模块扮演关键角色。但是全SiC模块将采用什么形式?尽管一些制造商采用了标准硅封装,但大多数制造商已经开发出自己的SiC模块,例如特斯拉通过与ST、Boschman合作开发,已经成功打造了具有自主知识产权的SiC模块设计供应链,相关器件由意法半导体完成制造。iUoesmc

Bret Zahn说光伏和xEV市场在SiC使用方面的发展路径很有趣。过去两年,光伏市场经历了IGBT/SiC混合升压模块的加速推出,并在2019年开始迈向全SiC模块。也就是说,光伏市场选择的是一条从IGBT到混合IGBT/SiC,再到全SiC的路径。iUoesmc

但xEV市场有些不同,它们绕过了混合方案,直接向全SiC模块发展。这里有两个原因:第一,相比IGBT/SiC混合方案,xEV供应商发现使用全SiC模块逆变器能够以更低的系统成本为xEV市场提供更好的性能;第二,竞争因素也在起作用,许多xEV供应商在看到同行采用全SiC系统方案后获得了更好的行驶里程后,意识到他们也必须这样做,否则就会被市场迅速淘汰。 iUoesmc

降低价格的最快方法

SiC领域的专业人士对SiC器件往往是 “又爱又恨”。一方面,SiC器件具有高压、高频和高效率的优势,在缩小体积的同时提高了效率,给市场带来的机遇也远远大于挑战。但另一方面,SiC在制造和应用方面又面临很高的技术要求,如何降低使用门槛成为业界热议的话题。iUoesmc

ST总裁兼首席技术官Jean-Marc Chery认为业界需要在短期内应对两个关键挑战:一个是供应链,另一个是成本。原材料供应商和设备供应商需要在数量上调整供应链,并采取相关措施来推动、证明在电动汽车等领域采用SiC是节能的。同时,与硅相比,尽管碳化硅在击穿场强、禁带宽度、电子饱和速度、熔点以及热导率方面都更具优势,但坚硬的材质和复杂的制造工艺流程大幅提高了成本,相关企业必须要在缩小器件、增加晶圆尺寸、降低材料成本、优化模块设计等方面下功夫。iUoesmc

但即便如此,“单个SiC器件的成本还是会高于传统Si器件”。不过,Chery说ST强调的是系统成本的最终节省。例如,在电动汽车中,SiC器件可能会额外增加300美元的前期成本,但总体而言,由于电池成本、电动汽车空间和冷却成本的降低,却节省了2000美元的系统成本。iUoesmc

Bret Zahn对此持同样的观点,原因也基本类似,主要源于SiC能够提供更高的能效,延长电池使用寿命,减少热量,并且有助于减少汽车电源管理系统的尺寸和重量,从而带来更远的行驶里程。虽然目前在器件级SiC价格仍然比Si IGBT贵,但是这些优点节省了系统级成本,这对xEV市场极具吸引力。iUoesmc

安森美方面认定垂直整合是实现SiC与IGBT成本平价(cost parity)的最快方法。除了垂直整合从晶棒生长到成品(包括裸片、分立器件和模块)用于工业和汽车市场外,构建包括驱动器、全系列分立二极管和MOSFET、定制和插入即用的模块方案、先进的SPICE模型和世界一流应用工程团队在内的SiC生态系统亦非常关键,这能够帮助用户加速定制设计和上市时间。iUoesmc

在英飞凌工业功率控制事业部总监马国伟博士看来,SiC的价格问题一直很严峻,客户永远希望价格越低越好。但作为一个新兴技术,SiC自然也有新兴技术所存在的普遍问题:产量小、稳定度不够、价格高。虽然大家都希望SiC技术可以普及,但是从新兴技术发展到通用技术这个过程往往是十分漫长的。iUoesmc

“IGBT从1990年发展至今,30年间经历了7代技术革新,晶圆尺寸从4英寸增加到12英寸,芯片厚度从300μm降低到60μm,最终成本降到了原先的五分之一。所以SiC技术也同样需要时间来进行技术上的打磨,从而降低成本。”马国伟说。iUoesmc

下图是罗姆给出的功率半导体器件使用场景总结。如果以开关频率作为横坐标,输出功率或电压作为纵坐标,那么SiC-MOSFET的应用主要集中在相对高频高压的区域,Si-IGBT/Si-MOSFET/GaN HEMT则分别对应高压低频、高频低压和超高频低压应用。iUoesmc

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功率半导体器件使用场景总结iUoesmc

因此,尽管非常看好碳化硅,但ST方面还是强调说,碳化硅并不会完全取代硅基IGBT或MOSFET,这些技术产品在开关特性、功耗和成本方面各不相同,每一种都有自己非常适合应用领域。英飞凌大中华区副总裁于代辉则认为SiC能在某个行业对其效率有革命性的提升,比如提高能效、减少重量与体积。但SiC器件也不是万金油,在接下来的很长一段时间内,Si与SiC器件都会长期并存并共同发展。iUoesmc

本文为《国际电子商情》2019年9月刊杂志文章。iUoesmc

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原创
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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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