碳化硅半導(dǎo)體2021年技術(shù)展望

例如，安森美半導(dǎo)體最近推出了650伏(V) SiC MOSFET，擴(kuò)展了其寬禁帶(WBG)器件陣容，從而創(chuàng)造了新機(jī)會(huì)使以前服務(wù)不足的功率帶實(shí)現(xiàn)更高能效。在本文中，我們探討2021年的市場(chǎng)趨勢(shì)，以及原始設(shè)備制造商(OEM)如何利用領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商的努力成果。

Q

寬禁帶半導(dǎo)體如SiC和氮化鎵(GaN)，正在成為主流并與高增長(zhǎng)應(yīng)用領(lǐng)域如電動(dòng)汽車(EV)和5G基站相關(guān)。然而，傳統(tǒng)的硅基MOSFET有成本優(yōu)勢(shì)，仍用于大多數(shù)應(yīng)用。您如何看待第三代半導(dǎo)體材料在2021年的發(fā)展趨勢(shì)？

SiC和GaN將繼續(xù)延伸到要求比傳統(tǒng)硅器件提供更高能效或更高功率密度的應(yīng)用。成本差異意味著現(xiàn)在寬禁帶器件將主要用于減少整體系統(tǒng)成本。例如，這可通過去除冷卻系統(tǒng)或減小無源器件的尺寸和成本來實(shí)現(xiàn)。由于WBG器件的開關(guān)頻率更高，因此有可能實(shí)現(xiàn)這些縮減。短期內(nèi)，我們將看到方案會(huì)結(jié)合硅和第三代半導(dǎo)體兩種技術(shù)。如逆變器可搭配一個(gè)傳統(tǒng)的硅IGBT和一個(gè)SiC二極管，以實(shí)現(xiàn)比轉(zhuǎn)向全SiC更低的系統(tǒng)成本，同時(shí)仍提高能效和可靠性。

Q

在5G時(shí)代，SiC MOSFET有哪些新的應(yīng)用機(jī)會(huì)？您是否看到SiC MOSFET在這些應(yīng)用領(lǐng)域的使用有顯著增長(zhǎng)？

5G可能比4G LTE的速度快20倍。為了更快的運(yùn)行，需要處理更高功率、有更好散熱能效的器件，使硬件不會(huì)過熱，和為提高電源能效而優(yōu)化。這些新平臺(tái)的性能目標(biāo)和SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)完美匹配，不只因?yàn)镾iC非常適用于嚴(yán)苛的環(huán)境。這些優(yōu)勢(shì)意味著SiC在云服務(wù)和人工智能(AI)方面也發(fā)揮重要作用。需求在這些應(yīng)用領(lǐng)域呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，對(duì)更高功率密度的需求是設(shè)計(jì)工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。

Q

安森美半導(dǎo)體的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是什么？這如何得以在今年發(fā)布產(chǎn)品？

安森美半導(dǎo)體具備眾多競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如內(nèi)部供應(yīng)鏈、制造專長(zhǎng)、經(jīng)驗(yàn)證和記錄的SiC MOSFET提供最實(shí)惠的價(jià)格，及獲得高度好評(píng)的客戶支援。安森美半導(dǎo)體在全球功率半導(dǎo)體排名第二，與客戶緊密聯(lián)系，從而在他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。我們不斷擴(kuò)展900 V和1200 V SiC MOSFET系列，又在2021年發(fā)布了650 V SiC MOSFET技術(shù)，正與客戶一起工作于應(yīng)用它的早期工程階段。

我們一發(fā)布技術(shù)，就專注于提升產(chǎn)能以能提供短交期滿足客戶所需。我們持續(xù)與各應(yīng)用領(lǐng)域的客戶合作，包括汽車牽引逆變器、車載充電、EV充電、光伏、太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器電源、電信和不間斷電源(UPS)。我們還看到把WBG技術(shù)帶入專業(yè)音頻、專業(yè)照明、醫(yī)療、電動(dòng)工具、電器、輔助電機(jī)等的更大推動(dòng)力。

Q

安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品已用在電動(dòng)汽車上了嗎？有和車廠合作嗎？合作處于什么階段？

我們的SiC MOSFET和SiC二極管現(xiàn)在已用在電動(dòng)汽車上。我們和世界各地的汽車整車廠商(OEM)有多個(gè)合作項(xiàng)目，處于生產(chǎn)、認(rèn)證、評(píng)估和開發(fā)的不同階段。我們也為客戶提供各種電動(dòng)汽車參考設(shè)計(jì)。

Q

新的650 V SiC MOSFET有何競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)？

新的車規(guī)AECQ101和工業(yè)級(jí)合格的650 V SiC MOSFET采用一種創(chuàng)新的有源單元設(shè)計(jì)，結(jié)合先進(jìn)的薄晶圓技術(shù)，可在650 V擊穿電壓實(shí)現(xiàn)同類最佳的品質(zhì)因數(shù)Rsp (Rdson * area)。

NVBG015N065SC1

NTBG015N065SC1

NVH4L015N065SC1

NTH4L015N065SC1

以上采用D2PAK7L和To247封裝，具有市場(chǎng)最低的Rdson (12 mOhm)。

這技術(shù)還優(yōu)化能量損失品質(zhì)因數(shù)，從而優(yōu)化了汽車和工業(yè)應(yīng)用中的性能。內(nèi)置門極電阻 (Rg)為設(shè)計(jì)人員提供更大的靈活性，而無需使用外部門極電阻人為地降低器件的速度。更高的浪涌、雪崩能力和短路魯棒性都有助于增強(qiáng)耐用性，從而提供更高的可靠性和更長(zhǎng)的器件使用壽命。

Q

硅(Si)、SiC和GaN的下一步發(fā)展如何？會(huì)依次替代嗎？

寬禁帶器件(SiC和GaN)對(duì)電力電子的未來至關(guān)重要。這些技術(shù)正在創(chuàng)建以前由于材料的物理性質(zhì)所不可能創(chuàng)建的器件。不過，硅MOSFET是經(jīng)過50年完善并不斷改進(jìn)的器件。安森美半導(dǎo)體的下一步將是定制針對(duì)特定應(yīng)用的技術(shù)。對(duì)客戶而言，下一步是不斷突破他們認(rèn)為可能的極限，并挑戰(zhàn)這些最先進(jìn)的器件，以助他們達(dá)到期望的結(jié)果。

Q

未來兩到三年，對(duì)于SiC和GaN，最有前景的市場(chǎng)是？

我們預(yù)計(jì)看到SiC在工業(yè)電源和能量生成的市場(chǎng)份額將繼續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，在汽車牽引逆變器的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)更快。GaN顯示出在消費(fèi)類電源等應(yīng)用中大規(guī)模采用的跡象，在這些應(yīng)用中，功率密度是個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)。雖然GaN也適用其它更高要求的應(yīng)用，但我們預(yù)期在約3年內(nèi)不會(huì)達(dá)到同等規(guī)模的采用率。

Q

開發(fā)SiC MOSFET有何行業(yè)挑戰(zhàn)？安森美半導(dǎo)體的應(yīng)對(duì)策略是？

SiC襯底開發(fā)是目前最大的瓶頸，半導(dǎo)體制造商包括安森美半導(dǎo)體正致力解決這問題。SiC襯底與傳統(tǒng)的硅晶錠有很大不同。其生產(chǎn)涉及的所有方面，從所用設(shè)備、工藝及處理方式和切割方式，都是專為SiC開發(fā)。為此，安森美半導(dǎo)體投入了大量研發(fā)以降低缺陷密度，從而提高成本結(jié)構(gòu)。這些努力已幫助促進(jìn)客戶采用SiC MOSFET。其它瓶頸包括但不限于外延生長(zhǎng)、晶圓廠加工和封裝。這供應(yīng)鏈步驟的每一步都有獨(dú)特的工程挑戰(zhàn)，我們每天都在解決。

Q

新冠肺炎(COVID-19)如何影響SiC原材料的供應(yīng)和制造商繼續(xù)采用SiC MOSFET進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和供應(yīng)的能力？

在當(dāng)前大流行病下，所有原材料的供應(yīng)都受到密切關(guān)注。安森美半導(dǎo)體可保證供應(yīng)的連續(xù)性和快速響應(yīng)，因?yàn)槲覀兛梢揽慷鄠€(gè)獲批準(zhǔn)的資源。我們有專家團(tuán)隊(duì)在公司內(nèi)外部的多個(gè)地點(diǎn)使我們的產(chǎn)品獲驗(yàn)證，以確保我們的SiC制造不會(huì)因某一個(gè)地點(diǎn)而中斷。