SiC成本問題的兩服解藥

時間：2020-09-18 10:23:19

關(guān)鍵字：半導(dǎo)體 sic技術(shù)

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[導(dǎo)讀]碳化硅(SiC)是一種由硅(Si)和碳(C)構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。SiC臨界擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，熱導(dǎo)率是Si的3倍，具有更高頻、高效、耐高壓、耐高溫等特點(diǎn)。與Si器件相比，SiC被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的...

碳化硅(SiC)是一種由硅(Si)和碳(C)構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。SiC臨界擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，熱導(dǎo)率是Si的3倍，具有更高頻、高效、耐高壓、耐高溫等特點(diǎn)。

與Si器件相比，SiC被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出高耐壓功率器件，大面積應(yīng)用于汽車、工業(yè)、電源和云計(jì)算等市場。

回顧半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程，可以分為三個階段：

第一階段：以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代半導(dǎo)體原料；

第二階段：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等化合物為代表；

第三階段：以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體原料為主。

同被稱為第三代半導(dǎo)體材料的GaN，因其特性多被用于650V以下的中低壓功率器件，以及射頻與光電領(lǐng)域，而SiC則主要用在650V以上的高壓功率器件領(lǐng)域。

利用SiC器件可以明顯獲得小型輕量，高能效和驅(qū)動力強(qiáng)的系統(tǒng)性能。經(jīng)過研究和長期的市場認(rèn)證，利用SiC材料的特性優(yōu)勢，不僅可以縮小模塊的體積的50%以上，減少電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上。

因此，作為第三代半導(dǎo)體的代表材料，SiC市場發(fā)展迅速。

據(jù)IHS數(shù)據(jù)，SiC市場總量在2025年有望達(dá)到30億美元。隨著新能源車的發(fā)展，SiC器件性能上的優(yōu)勢將推進(jìn)碳化硅器件市場規(guī)模的擴(kuò)張，也將促使更多的功率半導(dǎo)體企業(yè)將目光聚焦在SiC器件上。當(dāng)前我國也正在推進(jìn)5G、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車、充電樁等多個領(lǐng)域的“新基建”建設(shè)，為SiC提供了廣闊的市場前景。

在強(qiáng)勁增長的背景下，縱觀全球半導(dǎo)體市場，安森美半導(dǎo)體作為半導(dǎo)體領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)，尤其是在功率半導(dǎo)體這一細(xì)分領(lǐng)域，安森美半導(dǎo)體通過一系列收購，成為了全球第二大功率（分立和模塊）半導(dǎo)體供應(yīng)商。

安森美半導(dǎo)體電源方案部產(chǎn)品市場經(jīng)理王利民表示，安森美半導(dǎo)體致力實(shí)現(xiàn)從晶體生長到成品的完全垂直整合，提供高質(zhì)量、穩(wěn)定可靠、高性價比的SiC器件和方案，推出了多代技術(shù)的產(chǎn)品，專注服務(wù)于電動汽車、工業(yè)、云計(jì)算等領(lǐng)域，并以領(lǐng)先的SiC技術(shù)助力變革能源市場。

SiC的競爭焦點(diǎn)

現(xiàn)階段，越來越多的廠商紛紛加入研發(fā)SiC功率器件的賽道，國外知名廠商如英飛凌、ST、Cree、ROHM等都已參與布局其中，國內(nèi)也有不少廠商陸續(xù)推出SiC功率器件產(chǎn)品，如泰科天潤、基本半導(dǎo)體和楊杰科技等。

整體來看，SiC產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，一是上游襯底，二是中游外延片，三是下游器件制造。縱觀整個SiC產(chǎn)業(yè)，美日歐呈現(xiàn)三足鼎立態(tài)勢，寡頭競爭局面明顯。絕大多數(shù)廠商均布局從襯底、設(shè)計(jì)-制造-封裝，到模塊和應(yīng)用的部分或者全部環(huán)節(jié)。

那么，在SiC市場，各企業(yè)間的競爭焦點(diǎn)主要集中在哪些方面？

王利民向媒體說道，目前行業(yè)廠商提供的產(chǎn)品或服務(wù)大致相同，或者至少體現(xiàn)不出明顯差異。因此，各大廠家的競爭主要還是圍繞在差異化競爭。

以安森半導(dǎo)體為例，其競爭優(yōu)勢在于全球領(lǐng)先的可靠性，高性價比，以及能夠提供從單管到模塊的非常寬泛的產(chǎn)品等一系列的競爭優(yōu)勢。此外，所有產(chǎn)品都符合車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)，確保最高級別的質(zhì)量。

“安森美半導(dǎo)體的SiC器件有全球領(lǐng)先的可靠性，在H3TRB測試（高溫度/濕度/高偏置電壓）里，安森美半導(dǎo)體的SiC二極管可以通過1000小時的可靠性測試。實(shí)際測試中，會延長到2000小時，大幅領(lǐng)先于市場的可靠性水平；如何實(shí)現(xiàn)高性價比？一是通過設(shè)計(jì)、技術(shù)進(jìn)步來降低成本；二是通過領(lǐng)先的6英寸晶圓的制造以及最好的良率來達(dá)到好的成本；三是通過不斷地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，用比較大生產(chǎn)規(guī)模降低成本。慢慢地，小規(guī)模的廠家就會比較難競爭。”王利民補(bǔ)充道。

這與筆者的觀察不謀而合，行業(yè)頭部企業(yè)為了規(guī)模經(jīng)濟(jì)的利益，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，市場均勢被打破，在“削價競銷”或“贏者通吃”的規(guī)律下贏得自身競爭力。即在市場經(jīng)濟(jì)條件下，企業(yè)從各自的利益出發(fā)，為取得較好的產(chǎn)銷條件、獲得更多的市場資源而競爭。通過競爭，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)勝劣汰，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素的優(yōu)化配置。

SiC賦能新能源汽車市場

據(jù)悉，新能源汽車是未來幾年SiC市場規(guī)模增長的主要驅(qū)動力，約占到SiC總體市場的60%。

新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括三部分：電機(jī)驅(qū)動器、車載充電器(OBC)/非車載充電樁和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載DC/DC)，SiC功率器件憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢在其中發(fā)著重要作用。

SiC成本問題的兩服解藥

電機(jī)驅(qū)動

SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及開關(guān)頻率，通過降低開關(guān)損耗和簡化電路的熱處理系統(tǒng)來降低成本、重量、大小及功率逆變器的復(fù)雜性。

車載充電器

車載充電器和非車載充電樁中，使用SiC功率器件可提高電池充電器的工作頻率，實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)的高效化、小型化，并提升充電系統(tǒng)的可靠性。

電源轉(zhuǎn)換

使用SiC功率器件可縮小電路的尺寸，降低重量，縮減無源器件的成本，在滿足冷卻系統(tǒng)的需求的同時大大降低整個系統(tǒng)的重量和體積。

憑借對于性能的顯著提升，眾多汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)紛紛加入了SiC的戰(zhàn)場。

博世汽車計(jì)劃生產(chǎn)用于電動汽車的碳化硅功率器件，即將在不久的將來尋找到SiC產(chǎn)品的量產(chǎn)路徑，這是博世歷史上最大的一筆投資；

作為第一家將SiC模塊批量應(yīng)用到電動汽車上的整車廠，特斯拉每年預(yù)計(jì)消耗50萬片6寸SiC晶圓，其也是首家采用SiC MOSFET來做逆變器的車廠。

比亞迪已自主研究碳化硅產(chǎn)業(yè)，并擴(kuò)大碳化硅功率元件的規(guī)劃，要建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延片(Epitaxy)、硅片、模組封裝等。

SiC器件在汽車領(lǐng)域前景將迎來爆發(fā)期。王利民對此強(qiáng)調(diào)，特斯拉在SiC器件的應(yīng)用方面對新能源汽車企業(yè)帶來了極大的示范效應(yīng)。近幾年，很多行業(yè)廠商都逐漸開始大批量使用SiC功率器件。

其中，安森美半導(dǎo)體SiC MOSFET使用了全新技術(shù)，能夠提供卓越的開關(guān)性能，比硅具有更高的可靠性。另外，低導(dǎo)通電阻和緊湊的芯片尺寸，可確保低電容和低門極電荷。

新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一個規(guī)模快速增長、技術(shù)持續(xù)革新的新興支柱產(chǎn)業(yè)，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域提供廣闊的應(yīng)用市場。SiC功率器件在新能源汽車的應(yīng)用尚處于早期階段，其市場規(guī)模還有較大增長空間。

SiC成本問題何解？

SiC優(yōu)勢之余，也為它帶來了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。從材料成本上，SiC材料價格偏高，導(dǎo)致產(chǎn)品大規(guī)模推廣受阻，SiC器件目前市場滲透率較低。

規(guī)模效應(yīng)

王利民認(rèn)為，SiC功率器件的規(guī)模化應(yīng)用可以降低其成本，但現(xiàn)階段據(jù)其規(guī)?；陌l(fā)展仍需時間。不過，雖說SiC的單器件成本的確高于傳統(tǒng)硅器件，但從整體系統(tǒng)成本來說SiC更具“系統(tǒng)級”成本優(yōu)勢，這主要?dú)w功于SiC的高能效、小體積以及低發(fā)熱下使用壽命的增長。

SiC已為許多汽車應(yīng)用提供了“系統(tǒng)級”成本效益，下一步關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)IGBT成本平價，一旦SiC可以在器件級實(shí)現(xiàn)與IGBT的成本平價，更高的效率結(jié)合更低的價格所帶來的優(yōu)勢必然可以牽引電動汽車市場的應(yīng)用。這也是安森美半導(dǎo)體的目標(biāo)之一。

工藝改良

除規(guī)模效應(yīng)外，如何從技術(shù)的角度降低SiC功率器件的成本?

安森美半導(dǎo)體指出，SiC晶圓生產(chǎn)工藝的改良是降低SiC功率器件成本的根本方法。

在過去SiC晶圓還停留在4英寸基板時，晶圓短缺和價格高昂一直是SiC之前難啃的“硬骨頭”，目前市場正逐步從4英寸轉(zhuǎn)向6英寸。據(jù)Yole預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，2020年4英寸碳化硅晶圓接近10萬片，而6英寸晶圓市場需求已超過8萬片，預(yù)計(jì)將在2030年逐步超越4英寸晶圓。

因此，降低SiC功率器件成本，要加大對SiC晶圓技術(shù)的研究投入，比如使SiC晶圓向8英寸方向發(fā)展，但這并非易事。

王利民強(qiáng)調(diào)，“與容易達(dá)到的12英寸硅材料不同，SiC材料非常堅(jiān)硬，并且在機(jī)械上難以處理超薄的大尺寸晶圓。就在幾年前，安森美半導(dǎo)體就是全球第一家做6英寸SiC晶圓的，現(xiàn)在有一些其他的同行也慢慢在跟上我們?！?/span>

此外，“SiC材料相當(dāng)堅(jiān)硬，機(jī)械上很難處理纖細(xì)的大尺寸晶圓，所以SiC不像硅材料般容易做到超大尺寸。8英寸大小的SiC晶圓仍然是太過超前的技術(shù)概念，目前幾乎所有廠商都無法處理超薄的超大晶圓，進(jìn)行批量生產(chǎn)?！?/span>

寫在最后

在既有廠商與新進(jìn)者相繼布局之下，SiC成為半導(dǎo)體新材料的發(fā)展趨勢已定，雖然受限成本與技術(shù)門檻較高、產(chǎn)品良率不高等因素，使得SiC晶圓短期內(nèi)仍難普及。

但隨著5G、電動汽車、工業(yè)等需求持續(xù)驅(qū)動，將成為加速SiC晶圓市場快速發(fā)展的重要推手，且在產(chǎn)品可靠度與性能提高下，終端廠商對新材料的信心，也可望隨之提升。以SiC技術(shù)助力變革能源市場。