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理想照进现实,拥抱第三代半导体新纪元

在2020年ASPENCORE举办的全球CEO峰会上,瑞能半导体(WeEn)公司首席战略&业务运营官沈鑫发表了题为“理想照进现实,拥抱第三代半导体新纪元”的主题演讲。这里所指的第三代半导体,对瑞能而言主要指SiC MOSFET器件。该市场目前主要由国际上几家大的功率半导体公司所主导,市场规模相对来说不大,但增长速度极快。瑞能从2012年开始开展碳化硅材料领域的器件研究,目前,碳化硅肖特基二极管已经大规模量产,并被电源客户广泛采用,碳化硅MOSFET产品也陆续推出市场。

第三代半导体为什么发展这么快?

从大环境来看,过去的40年里,世界人口总数从40亿增长至75亿。但与此同时,全球用电量的速度却从40年前的6000特瓦时增加到现在的24000特瓦时,这意味着每人所消耗的电量在过去40年中平均增加了两倍,远远高于人口增长速度。毫无疑问,这一趋势跟我们40年内消费习惯、生活习惯的改变有着密不可分的关系,最具代表性的应用新能源汽车的大量涌现,极大带动了二次能源的使用量。TtAesmc

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人与人之间交流方式的改变也对此产生了重要的影响。贝尔先生发明电话的时候,使用很少的电量就可以维持长距离通信,但对比之下,现在的移动电话完成同样距离通信所消耗的单位能量发生了显著提升。如果再考虑AI、机器学习、大数据处理这些新兴技术对电量的苛求,电气化发展的速度实在是令人感到惊叹。TtAesmc

当然,除了设备本身耗电量的增加,能量密度也在不断地提升中。下图中,沈鑫对比了第一代iPhone手机和去年发布的iPhone 11的电池密度。可以看出,第一代苹果手机的电池容量是1400毫安时,而iPhone 11的电池容量已经超过了3000毫安时,换句话说,单位体积/单位重量所具备的电能量提升了1.5倍。TtAesmc

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纯电动汽车是另一个代表性的应用案例。得益于电池容量和能量密度的迅猛提升,特斯拉的续航历程目前已经可以超过400公里,而且这一数字还在持续增加中。这就对传统硅基半导体器件在开关频率、散热、耐压等方面提出了新的挑战和要求,但这些恰恰就是以SiC MOSFET为代表的第三代半导体器件的优势所在。例如高热导率可以降低对散热系统的要求;强耐压能力使得开关损耗得以降低,从而大幅提升系统效率,降低系统成本TtAesmc

沈鑫援引HIS Markit的数据称,第三代半导体市场规模预计将从2020年的10亿美元增长至2025年的35亿美元,年复合增长率超过20%。而这一系列数字的背后,是行业需求、供应链提升和改进、以及相关技术的巨大进步。TtAesmc

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例如碳化硅、氮化镓晶圆制造缺陷密度的降低和良率的增加,稳定了供应,不至于因为良率的波动出现供货短缺的情况。另一方面,晶圆面积也从过去的2英寸逐步增加到现在主流的6英寸,一些国际领先厂商甚至已经开始规划8英寸碳化硅的产能,从而保证了供应链的稳定。从设计角度来看,碳化硅二极管目前具备的GBS、NBS技术,大幅提升芯片本身抗电流能力的同时,还优化了设计,降低了成本。TtAesmc

关键应用助推SiC市场起飞

目前来看,真正起到风向标引领示范作用的,是SiC MOSFET器件在特斯拉Model 3上的大规模量产使用。虽然目前Model 3只在主驱动逆变器上应用了SiC MOSFET,但即便这样,一辆车中也需要24颗SiC MOSFET器件。未来,车载充电机(OBC)、DC-DC等都会成为SiC MOSFET器件的理想使用场景,随着电动汽车市场规模的快速增长,SiC MOSFET出货量的显著上升将不会令人感到意外。TtAesmc

新能源汽车充电桩市场的快速发展也不容小觑。30/40/100千瓦充电站的大量布局,意味着充电能量的提升和充电时间的缩短,碳化硅器件对降低充电桩整体系统成本,提升系统能量密度,改善散热系统性能等,起到了积极正面的帮助。TtAesmc

而在光伏逆变器和风电行业,得益于低开关损耗、高频率、高热导率、高可靠性等优点,,碳化硅器件能够在同样体积的逆变器中输出原来2倍以上的功率,或是降低离岸风电的维修养护成本TtAesmc

最后一个值得关注的领域,是和我们生活息息相关手机快充。目前,手机充电器已经从过去的几瓦,提升到当前的65瓦,甚至100瓦以上,这其中就使用了大量的氮化镓器件。与碳化硅特性类似,氮化镓同样可以降低系统散热要求,提升整体系统效率,这样一来,同样体积、重量的充电器就能够输出更大电流,以满足快充市场的要求。在数据中心里也会遇到同样的情况,作为用电大户,哪怕只有0.1%-0.2%的效率提升,对全球能量消耗都会产生极大的节约。TtAesmc

挑战与机遇并存

但SiC是一种让人又爱又恨的新材料。目前来看,SiC MOSFET的发展主要受制于两个方面:碳化硅晶圆材料的品质和产品价格。由于MOSFET对碳化硅晶圆材料的品质要求远远高于肖特基二极管产品,SiC MOSFET单颗芯片的尺寸也要大于碳化硅二极管产品,所以对碳化硅晶圆材料的缺陷密度有着更高的要求,更高品质的碳化硅晶圆可以显著提高目前SiC MOSFET芯片的良率。同时,考虑到汽车、光伏、风电、数据中心等行业对产品质量要求极高,未来,对碳化硅材料、器件质量的高要求会成为整个行业向前发展所必须具备的重要因素。TtAesmc

另一方面,碳化硅晶圆材料,特别是高品质晶圆较高的价格也导致SiC MOSFET成本增加,成为制约SiC MOSFET更大规模普及和发展的要素之一。但沈鑫认为,在可预见的未来,随着供应链的发展,其整体系统成本与硅基产品会越来越接近。TtAesmc

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“其实,即便单个碳化硅器件价格高于传统硅器件,但我们更看重它在降低系统成本方面所起到的关键作用,尤其是业界一直以来在封装、应用、结构改进、与硅器件相融合等方面进行系统级优化,我相信整个行业会越做越好。”他说。TtAesmc

在沈鑫看来,无论是在中国、欧洲还是美国,行业协会在促进同行业中不同公司间的协作,尤其是上下游之间的协作方面,起着不可替代的作用,这对瑞能这样的IDM公司来说更是如此,双方合作意义巨大。TtAesmc

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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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