国外碳化硅大厂:产能疯狂扩张、丰富的产品组合
电子发烧友网报道(文/李诚)碳化硅、氮化镓这两种新型半导体材料,凭借其耐高温、耐高压、高频的特性在功率器件领域得到了广泛的应用。尤其是碳化硅功率器件与传统硅基功率器件相比,碳化硅材料突破了创传统硅基材料的物理极限,碳化硅的耐温值高出硅基材料的一倍,同时,碳化硅的介电击穿场强也高出硅基材料数倍。碳化硅材料已成为高温、高压、大功率设备的最佳解决方案。
“碳中和”的大趋势提高了人们对碳化硅、氮化镓等高效稳定的第三代功率半导体材料的关注度。碳化硅功率器件也在工业、汽车、轨道交通、光伏发电等领域的高速发展下,得到了充分的应用,碳化硅市场需求十分景气,市场渗透率也在逐年攀升。
据CASA 统计,2020年国内第三代半导体,电力电子器件和射频电子器件总产值达100亿元以上。其中,碳化硅、氮化镓器件产值规模达 44.7亿元,同比增长54%。同时,预计至2025年SiC功率器件在全球汽车市场规模将会有38.0%的增长,届时将会带来100亿元市场总值,SiC发展空间巨大。
如今新能源汽车、光伏发电的产能释放,市场对碳化硅功率器件的需求不断扩大,聚焦全球碳化硅市场,由于国内厂商在功率半导体领域起步较晚的原因,国际市场目前还是以美、德、日等国外企业占据主导地位。
出货量占比45%的美国企业Wolfspeed
Wolfspeed作为第三代功率半导体的龙头企业,2019卖掉主导产业的照明业务,将产业重心转移至第三代功率半导领域。据半导体行业数据统计,Wolfspeed 2020年上半年SiC晶片出货量占据全球总量的45%。Wolfspeed的碳化硅产品涵盖了SiC肖特基二极管、SiC MOSFET元件以及模块,在工业和汽车领域均有应用。
在碳化硅肖特基二极管方面,Wolfspeed目前以推出了第六代工业级产品,最高耐压值达650V,额定电流在4A、6A、8A、10A均有覆盖,在PFC升压转换器中,能够很好的提高系统级效率,不会存在反向恢复电流和热量失控的问题。同时,车规级的SiC肖特基二极管也发展到了第三代,最高耐压值达650V,额定电流有8A、20A、30A三种选择,在实际应用中进一步的提高系统的功率密度、缩小体积,无需额外的冷却系统,也能实现很好的温度控制,多应用于汽车的充电系统和电池管理系统中。
在碳化硅MOSFET方面,Wolfspeed工业级产品和车规级产品均发展到第三代,其中第二代工业级产品的耐压值达到了1700V,是工业级产品中最高的,额定电流从5A至115A均有覆盖。同时,车规级产品的耐压值达到了1200V,额定电流有22A和32A两种选择。总的来说,Wolfspeed的碳化硅MOSFET,在耐压能力和待机功耗方面均有不错的表现,并且提高了系统的开关频率和功率密度。
图源:Wolfspeed
碳化硅功率器件在电动车领域的应用优势颇为突出,发展前景也备受看好。为更深入的挖掘碳化硅功率器件在汽车领域应用的潜在性能,Wolfspeed与大众汽车集团达成了合作关系,为大众提供更优质的碳化硅解决方案,共同展望碳化硅的未来发展,推动碳化硅在电动车领域的应用,打造续航里程更长、生产成本更低、补能速度更快的电动汽车。
2019年,Wolfspeed投资10亿元,用于扩充碳化硅功率器件和外延片的产能,其中一部分用于打造位于纽约州马西镇“全球最大”的碳化硅晶圆厂,预计2022年建成投产。该晶圆厂主要用于车规级200mm碳化硅晶圆的生产。另一部分用于美国达勒姆市200mm的碳化硅晶圆厂的建设,该产线将采用全自动化的方式生产,按计划该产线将会于2024年实现投产,碳化硅产品的产能将会有大幅提升。Wolfspeed官方表示,届时SiC和GaN器件产品业务占比将超过材料业务占比,营收将达15亿美元,净收入达3.75亿美元。
资深碳化硅功率器件的德国企业Infineon
英飞凌(Infineon)在碳化硅领域深耕多年,2001年就已经向市场推出首款碳化硅二极管,有着较为深厚的威廉希尔官方网站 积累。目前,英飞凌的碳化硅功率器件的主打产品有:MOSFET、肖特基二极管,以及MOSFET与二极管的组合模块。
图源:英飞凌官网
英飞凌的是首个碳化硅分立电源的供应商,其碳化硅二极管器件突破了传统硅基材料的物理限制,将原本耐压值最高只有150V的二极管提升至1200V。英飞凌的碳化硅二极管满足了车规级和工业级要求,其中工业级的碳化硅二极管产品有600V、650V、1200V三个系列,车规级碳化硅产品只有650V一个系列。英飞凌的二极管目前已经发展至第五代,与其他厂商的二极管结构相比,存在着些许差异,英飞凌为了提高二极管的性能,将肖特基二极管与PN结型二极管的优点合二为一,在肖特基二极管N型掺杂区上面多了P型掺杂的窗口。威廉希尔官方网站 的升级,英飞凌的第五代二极管与前一代产品相比,导通损耗降低了30%,抗浪涌电流能力高出额定电流约13倍,大幅提升了系统的安全性。
在碳化硅MOSFET方面,英飞凌的产品同样覆盖了汽车和工业应用两个领域。其中,工业级单管碳化硅MOSFET耐压值最高为1700V,650V和1200V的产品也有开发,在车规级产品中只有1200V一个系列。英飞凌碳化硅MOSFET采用了先进的非对称沟槽半导体工艺,经过优化,在25℃的工作环境下,关断损耗仅为IGBT 的20%,在175℃的工作环境下关断损耗仅有IGBT 的10%,开关损耗极低。当负载电流为15A时,正向压降只有IGBT 的一半,导通损耗较小。在反复续流状态下,英飞凌的碳化硅MOSFET还可当作快速恢复二极管使用,且性能高于一般二极管。
图源:英飞凌
今年5月,英飞凌发布了新款车规级电源模块HybridPACK Drive CoolSiC,该模块耐压等级为1200V,有额定电流为400A/200A两个版本。该功率模块采用了CoolSiC沟槽MOSFET威廉希尔官方网站 ,在电动汽车的牵引逆变器中使用,可实现高达250kW的功率,具有高功率密度和高性能的特性,为汽车提供更长的续航和更高的效率,降低电动汽车的电池成本。据现代汽车电气化团队负责人Jung表示:使用英飞凌的CoolSiC电源模块,能将电动车续航里程提升5%以上。
在合作方面,据外媒报道,今年5月英飞凌与日本晶圆制造商昭和电工达成碳化硅材料的供应合作,保障了英飞凌在碳化硅领域发展的基材需求。此前,英飞凌与Wolfspeed也签订了碳化硅长期晶圆供货协议,巩固英飞凌在汽车与工业领域功率器件的优势地位。
最早推出碳化硅功率模块的日本企业ROHM
ROHM具备碳化硅材料生产、晶圆制造、芯片封测的能力,其碳化硅产品在业界内颇具影响力。ROHM的碳化硅产品覆盖了二极管、MOSFET以及功率模块,并且ROHM是全球首家推出碳化硅功率模块的厂商。
图源:ROHM
今年7月,ROHM发布了RGWxx65C系列IGBT产品,RGWxx65C系列是在IGBT的反馈单元部分内置了一个SiC肖特基势垒二极管,由于碳化硅二极管没有反向恢复电流,所以RGWxx65C系列产品的导通开关损耗相对较低,并且通过了车规级AEC-Q101标准的认证,在工业与汽车领域均可使用。据ROHM表示,该系列产品在电动汽车牵引逆变器的应用中,开关损耗与传统的IGBT相比,降低了67%,与SJ-MOSFET相比,降低了24%。在效率转换方面,RGWxx65C系列产品能够保证97%以上的高效转换,在工作频率为100kHz时,转换效率还会高出传统IGBT的3%。在产能方面,目前还属于样品阶段,按计划将在今年12月以每月2万件的规模进入量产阶段。
在碳化硅二极管方面,ROHM的二极管已经发展至第三代产品,其中第二代产品的耐压值最高已经达到了1200V,额定电流在5A至40A之间。第三代产品的二极管主要集中在650V,2A至20A之间,采用了JBS构造的设计工艺,在同等工作条件下,第三代抗浪涌电流能力与第二代产品相比提高了一倍,导通损耗也有所降低。同时,第三代产品的漏电电流仅为前一代产品的1/20。
在碳化硅MOSFET方面,ROHM推出了第三代沟槽栅型碳化硅MOSFET,主要包括了650V和1200V这两个电压等级的产品。第三代沟槽栅型碳化硅MOSFET的导通电阻比第二代平面型碳化硅MOSFET减少了一半,从而降低了系统功耗。其中,SCT3系列对封装工艺进行了改进,采用了4引脚封装工艺,据ROHM官方表示,4引脚的碳化硅MOSFET比三引脚封装的开关损耗降低了35%,从而提高系统效率。
在产能扩充方面,ROHM为满足市场对碳化硅功率器件日益增长的市场需求,在2019年就开始扩建Apollo工厂,于2020年底工程竣工,预计2022年正式投产,新厂房的面积提升将近一倍,据ROHM威廉希尔官方网站 中心所长水原德建先生表示,到2025年,ROHM的碳化硅产能将会是2017年的16倍。
结语
碳化硅功率器件弥补了硅基功率器件的缺点,提高了产品的开关频率和功率密度,耐高温能力也有不小的提升,极大地拓展了碳化硅功率器件的应用场景。
目前,碳化硅产品与同类型的硅基产品相比,并没有任何价格优势,甚至价格高出10倍,主要是器件制造工艺的不成熟和晶圆生产的良率不高,进而提升了碳化硅产品的价格。随着Wolfspeed、ROHM、昭和电工等新产线的投产,晶圆良率的提高,届时碳化硅产品的价格也会有所下降,市场渗透率也会迎来爆发式的增长。
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据CASA 统计,2020年国内第三代半导体,电力电子器件和射频电子器件总产值达100亿元以上。其中,碳化硅、氮化镓器件产值规模达 44.7亿元,同比增长54%。同时,预计至2025年SiC功率器件在全球汽车市场规模将会有38.0%的增长,届时将会带来100亿元市场总值,SiC发展空间巨大。
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图源:英飞凌官网
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图源:英飞凌
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图源:ROHM
今年7月,ROHM发布了RGWxx65C系列IGBT产品,RGWxx65C系列是在IGBT的反馈单元部分内置了一个SiC肖特基势垒二极管,由于碳化硅二极管没有反向恢复电流,所以RGWxx65C系列产品的导通开关损耗相对较低,并且通过了车规级AEC-Q101标准的认证,在工业与汽车领域均可使用。据ROHM表示,该系列产品在电动汽车牵引逆变器的应用中,开关损耗与传统的IGBT相比,降低了67%,与SJ-MOSFET相比,降低了24%。在效率转换方面,RGWxx65C系列产品能够保证97%以上的高效转换,在工作频率为100kHz时,转换效率还会高出传统IGBT的3%。在产能方面,目前还属于样品阶段,按计划将在今年12月以每月2万件的规模进入量产阶段。
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目前,碳化硅产品与同类型的硅基产品相比,并没有任何价格优势,甚至价格高出10倍,主要是器件制造工艺的不成熟和晶圆生产的良率不高,进而提升了碳化硅产品的价格。随着Wolfspeed、ROHM、昭和电工等新产线的投产,晶圆良率的提高,届时碳化硅产品的价格也会有所下降,市场渗透率也会迎来爆发式的增长。
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