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國外碳化硅大廠:產能瘋狂擴張 豐富的產品組合

lPCU_elecfans ? 來源:電子發燒友網 ? 作者: 李誠 ? 2021-11-13 09:58 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/李誠)碳化硅、氮化鎵這兩種新型半導體材料,憑借其耐高溫、耐高壓、高頻的特性在功率器件領域得到了廣泛的應用。尤其是碳化硅功率器件與傳統硅基功率器件相比,碳化硅材料突破了創傳統硅基材料的物理極限,碳化硅的耐溫值高出硅基材料的一倍,同時,碳化硅的介電擊穿場強也高出硅基材料數倍。碳化硅材料已成為高溫、高壓、大功率設備的最佳解決方案。

“碳中和”的大趨勢提高了人們對碳化硅、氮化鎵等高效穩定的第三代功率半導體材料的關注度。碳化硅功率器件也在工業、汽車、軌道交通、光伏發電等領域的高速發展下,得到了充分的應用,碳化硅市場需求十分景氣,市場滲透率也在逐年攀升。

據CASA 統計,2020年國內第三代半導體,電力電子器件和射頻電子器件總產值達100億元以上。其中,碳化硅、氮化鎵器件產值規模達 44.7億元,同比增長54%。同時,預計至2025年SiC功率器件在全球汽車市場規模將會有38.0%的增長,屆時將會帶來100億元市場總值,SiC發展空間巨大。

如今新能源汽車、光伏發電的產能釋放,市場對碳化硅功率器件的需求不斷擴大,聚焦全球碳化硅市場,由于國內廠商在功率半導體領域起步較晚的原因,國際市場目前還是以美、德、日等國外企業占據主導地位。

出貨量占比45%的美國企業Wolfspeed

Wolfspeed作為第三代功率半導體的龍頭企業,2019賣掉主導產業的照明業務,將產業重心轉移至第三代功率半導領域。據半導體行業數據統計,Wolfspeed 2020年上半年SiC晶片出貨量占據全球總量的45%。Wolfspeed的碳化硅產品涵蓋了SiC肖特基二極管、SiC MOSFET元件以及模塊,在工業和汽車領域均有應用。

在碳化硅肖特基二極管方面,Wolfspeed目前以推出了第六代工業級產品,最高耐壓值達650V,額定電流在4A、6A、8A、10A均有覆蓋,在PFC升壓轉換器中,能夠很好的提高系統級效率,不會存在反向恢復電流和熱量失控的問題。同時,車規級的SiC肖特基二極管也發展到了第三代,最高耐壓值達650V,額定電流有8A、20A、30A三種選擇,在實際應用中進一步的提高系統的功率密度、縮小體積,無需額外的冷卻系統,也能實現很好的溫度控制,多應用于汽車的充電系統和電池管理系統中。

在碳化硅MOSFET方面,Wolfspeed工業級產品和車規級產品均發展到第三代,其中第二代工業級產品的耐壓值達到了1700V,是工業級產品中最高的,額定電流從5A至115A均有覆蓋。同時,車規級產品的耐壓值達到了1200V,額定電流有22A和32A兩種選擇。總的來說,Wolfspeed的碳化硅MOSFET,在耐壓能力和待機功耗方面均有不錯的表現,并且提高了系統的開關頻率和功率密度。

碳化硅功率器件在電動車領域的應用優勢頗為突出,發展前景也備受看好。為更深入的挖掘碳化硅功率器件在汽車領域應用的潛在性能,Wolfspeed與大眾汽車集團達成了合作關系,為大眾提供更優質的碳化硅解決方案,共同展望碳化硅的未來發展,推動碳化硅在電動車領域的應用,打造續航里程更長、生產成本更低、補能速度更快的電動汽車。

2019年,Wolfspeed投資10億元,用于擴充碳化硅功率器件和外延片的產能,其中一部分用于打造位于紐約州馬西鎮“全球最大”的碳化硅晶圓廠,預計2022年建成投產。該晶圓廠主要用于車規級200mm碳化硅晶圓的生產。

另一部分用于美國達勒姆市200mm的碳化硅晶圓廠的建設,該產線將采用全自動化的方式生產,按計劃該產線將會于2024年實現投產,碳化硅產品的產能將會有大幅提升。Wolfspeed官方表示,屆時SiC和GaN器件產品業務占比將超過材料業務占比,營收將達15億美元,凈收入達3.75億美元。

資深碳化硅功率器件的德國企業Infineon

英飛凌(Infineon)在碳化硅領域深耕多年,2001年就已經向市場推出首款碳化硅二極管,有著較為深厚的技術積累。目前,英飛凌的碳化硅功率器件的主打產品有:MOSFET、肖特基二極管,以及MOSFET與二極管的組合模塊。

英飛凌的是首個碳化硅分立電源的供應商,其碳化硅二極管器件突破了傳統硅基材料的物理限制,將原本耐壓值最高只有150V的二極管提升至1200V。英飛凌的碳化硅二極管滿足了車規級和工業級要求,其中工業級的碳化硅二極管產品有600V、650V、1200V三個系列,車規級碳化硅產品只有650V一個系列。

英飛凌的二極管目前已經發展至第五代,與其他廠商的二極管結構相比,存在著些許差異,英飛凌為了提高二極管的性能,將肖特基二極管與PN結型二極管的優點合二為一,在肖特基二極管N型摻雜區上面多了P型摻雜的窗口。技術的升級,英飛凌的第五代二極管與前一代產品相比,導通損耗降低了30%,抗浪涌電流能力高出額定電流約13倍,大幅提升了系統的安全性。

在碳化硅MOSFET方面,英飛凌的產品同樣覆蓋了汽車和工業應用兩個領域。其中,工業級單管碳化硅MOSFET耐壓值最高為1700V,650V和1200V的產品也有開發,在車規級產品中只有1200V一個系列。

英飛凌碳化硅MOSFET采用了先進的非對稱溝槽半導體工藝,經過優化,在25℃的工作環境下,關斷損耗僅為IGBT 的20%,在175℃的工作環境下關斷損耗僅有IGBT 的10%,開關損耗極低。當負載電流為15A時,正向壓降只有IGBT 的一半,導通損耗較小。在反復續流狀態下,英飛凌的碳化硅MOSFET還可當作快速恢復二極管使用,且性能高于一般二極管。

今年5月,英飛凌發布了新款車規級電源模塊HybridPACK Drive CoolSiC,該模塊耐壓等級為1200V,有額定電流為400A/200A兩個版本。該功率模塊采用了CoolSiC溝槽MOSFET技術,在電動汽車的牽引逆變器中使用,可實現高達250kW的功率,具有高功率密度和高性能的特性,為汽車提供更長的續航和更高的效率,降低電動汽車的電池成本。據現代汽車電氣化團隊負責人Jung表示:使用英飛凌的CoolSiC電源模塊,能將電動車續航里程提升5%以上。

在合作方面,據外媒報道,今年5月英飛凌與日本晶圓制造商昭和電工達成碳化硅材料的供應合作,保障了英飛凌在碳化硅領域發展的基材需求。此前,英飛凌與Wolfspeed也簽訂了碳化硅長期晶圓供貨協議,鞏固英飛凌在汽車與工業領域功率器件的優勢地位。

最早推出碳化硅功率模塊的日本企業ROHM

ROHM具備碳化硅材料生產、晶圓制造、芯片封測的能力,其碳化硅產品在業界內頗具影響力。ROHM的碳化硅產品覆蓋了二極管、MOSFET以及功率模塊,并且ROHM是全球首家推出碳化硅功率模塊的廠商。

今年7月,ROHM發布了RGWxx65C系列IGBT產品,RGWxx65C系列是在IGBT的反饋單元部分內置了一個SiC肖特基勢壘二極管,由于碳化硅二極管沒有反向恢復電流,所以RGWxx65C系列產品的導通開關損耗相對較低,并且通過了車規級AEC-Q101標準的認證,在工業與汽車領域均可使用。

據ROHM表示,該系列產品在電動汽車牽引逆變器的應用中,開關損耗與傳統的IGBT相比,降低了67%,與SJ-MOSFET相比,降低了24%。在效率轉換方面,RGWxx65C系列產品能夠保證97%以上的高效轉換,在工作頻率為100kHz時,轉換效率還會高出傳統IGBT的3%。在產能方面,目前還屬于樣品階段,按計劃將在今年12月以每月2萬件的規模進入量產階段。

在碳化硅二極管方面,ROHM的二極管已經發展至第三代產品,其中第二代產品的耐壓值最高已經達到了1200V,額定電流在5A至40A之間。第三代產品的二極管主要集中在650V,2A至20A之間,采用了JBS構造的設計工藝,在同等工作條件下,第三代抗浪涌電流能力與第二代產品相比提高了一倍,導通損耗也有所降低。同時,第三代產品的漏電電流僅為前一代產品的1/20。

在碳化硅MOSFET方面,ROHM推出了第三代溝槽柵型碳化硅MOSFET,主要包括了650V和1200V這兩個電壓等級的產品。第三代溝槽柵型碳化硅MOSFET的導通電阻比第二代平面型碳化硅MOSFET減少了一半,從而降低了系統功耗。其中,SCT3系列對封裝工藝進行了改進,采用了4引腳封裝工藝,據ROHM官方表示,4引腳的碳化硅MOSFET比三引腳封裝的開關損耗降低了35%,從而提高系統效率。

在產能擴充方面,ROHM為滿足市場對碳化硅功率器件日益增長的市場需求,在2019年就開始擴建Apollo工廠,于2020年底工程竣工,預計2022年正式投產,新廠房的面積提升將近一倍,據ROHM技術中心所長水原德建先生表示,到2025年,ROHM的碳化硅產能將會是2017年的16倍。

結語

碳化硅功率器件彌補了硅基功率器件的缺點,提高了產品的開關頻率和功率密度,耐高溫能力也有不小的提升,極大地拓展了碳化硅功率器件的應用場景。

目前,碳化硅產品與同類型的硅基產品相比,并沒有任何價格優勢,甚至價格高出10倍,主要是器件制造工藝的不成熟和晶圓生產的良率不高,進而提升了碳化硅產品的價格。隨著Wolfspeed、ROHM、昭和電工等新產線的投產,晶圓良率的提高,屆時碳化硅產品的價格也會有所下降,市場滲透率也會迎來爆發式的增長。

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