電子發燒友網報道(文/梁浩斌)隨著新能源市場的爆發,電動汽車,光伏、儲能等下游應用驅動下,碳化硅功率器件迎來了新一輪增長期。特別是電動汽車上SiC MOSFET的大規模應用后,在近幾年可以看到,國內外各大廠商都密集地加入到SiC的行列中,推出相關產品。
傳統硅基半導體由于自身物理性質受限,在高溫、高壓、高頻、高功率等領域上性能上限較低。而SiC的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍。在實際應用上,還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉換損耗80%以上。在系統設計中可以簡化散熱系統,降低熱預算,同時減小電容電感體積,從而降低系統綜合成本。
雖然作為第三代半導體的碳化硅,應用起步相比硅要晚很多,相對硅來說,碳化硅產業國內外的差距雖然并沒有那么大,但依然存在著代差。在SiC二極管領域,國內外已經處于同一水平線上,不過國內廠商在SiC MOSFET方面,與國際頭部廠商依然存在一到兩代的差距。所以,為了了解目前國內外已經量產SiC MOSFET的廠商現狀以及產品差別,我們整理了主流廠商的SiC MOSFET產品線并做了簡單分析。
ST:
在yole的數據中,去年全球碳化硅功率器件市場份額最高的廠商就是ST。同時憑借與特斯拉的合作,ST的SiC MOSFET產品也是最早在電動汽車上被大規模應用的,自Model3車型開始,特斯拉就一直大規模采用ST供應的TPAK碳化硅模塊。
ST去年推出了第三代SiC技術平臺,器件耐壓值從650V、750V到1200V,共有三個規格,采用平面柵工藝,導通電阻從15mΩ到1300mΩ,產品覆蓋工業和汽車應用。據稱,ST第四代平面型SiC MOSFET將會在今年年底推出市場,性能方面相比第三代導通電阻減少15%,工作頻率增加一倍至1MHz。而采用了溝槽柵設計的第五代產品目前還在測試階段,相比于平面型SiC MOSFET,溝槽型SiC MOSFET可以具有較小的導通電阻,寄生電容較小的同時開關性能更強。
產能方面,ST此前計劃在2022財年投入21億美元來擴大產能,包括擴建原有的6英寸碳化硅晶圓廠、2022投入運營的新加坡6英寸碳化硅晶圓廠。同時,2019年ST收購的瑞典碳化硅襯底生產商Norstel也開始進行8英寸碳化硅材料的測試,預計會在2025年前后可以在新加坡8英寸產線中應用。
羅姆:
羅姆是目前為數不多量產了溝槽型SiC MOSFET的廠商。據官網顯示ROHM以額定電壓區分,共有四個系列的產品,650V的SiC MOSFET產品有18個型號,750V的有15個型號,1200V的有41個型號,1700V的有3個型號。
最早在2010年,羅姆就推出了首款平面型SiC MOSFET,在2015年推出的第三代SiC MOSFET產品中率先量產了雙溝槽結構的SiC MOSFET。2020年羅姆推出了針對電動汽車場景優化的第四代1200V SiC MOSFET,通過改進了雙溝槽結構,相比于第三代產品降低了40%的導通電阻,并沒有降低短路耐受時間。同時降低柵漏電容,令開關損耗減少高達50%。按照路線圖,羅姆第五代SiC MOSFET產品將會在2025年左右推出,預計單位面積導通電阻會比第四代降低30%。
產能方面,羅姆規劃在2021-2025年之間,投入10-13億美元,提高碳化硅襯底以及器件的產能。羅姆旗下碳化硅襯底廠商SiCrystal正在對8英寸襯底進行測試,預計在2023年可以量產。
英飛凌:
英飛凌的SiC MOSFET采用了半包溝槽結構,與羅姆是目前市面上唯二量產溝槽型SiC MOSFET的廠商。在英飛凌官網上,目前主要有650V、1200V、1700V三種規格的SiC MOSFET產品。其中1200V規格中有4款型號可以應用于電動汽車上,從產品料號上來看相比羅姆要少,產品主要面向工業應用。
不過目前英飛凌的SiC MOSFET仍處于第一代,目前已經推出了第一代的升級產品,但第二代產品預計要2022年底在汽車市場推出。根據英飛凌的產品路線圖,第二代SiC MOSFET會包括1200V和750V兩種電壓規格,相比與上一代載電流能力增加25%-30%。
產能方面,英飛凌目前主要通過特有的“冷切割”技術,減少晶錠切割過程中材料的浪費,未來可以在相同晶錠中獲得多一倍的碳化硅襯底來增加產能。另一方面,英飛凌在今年宣布投資超過20億歐元,對位于馬來西亞的晶圓廠進行擴建,專門針對碳化硅晶圓進行擴產。
派恩杰:
派恩杰2018年開始專注于第三代半導體SiC、GaN的功率器件的研究。公司成立半年后就研制出了首款650V GaN功率器件,在基于Gen3的技術上又推出了1200V SiC MOSFET,直至2021年派恩杰先后推出涵蓋了650V、750V、1200V、1700V四個電壓規格的SiC MOSFET產品,填補了國內高壓SiC MOSFET的空白市場。
除此之外,派恩杰在2020年成為國內第一家量產車規級SiC MOSFET的公司,并在2021年獲得車企訂單,被應用于國內外電動汽車OBC。那么產品相比與國外廠商相比如何?
圖源:派恩杰
在與某國際廠商的650V 60mΩSiC MOSFET進行對比時,派恩杰的650V 60mΩ產品P3M06060K4在100kHz條件下,輕載時效率基本一致達到99%,重載時器件效率更高;在4kW時,P3M06060K4器件溫度86℃,另一款器件溫度則高達96℃。當然這只是在單個維度上的對比。
據透露,目前派恩杰的技術對標WolfSpeed的第三代平面型SiC MOSFET,由德國X-Fab代工。產能方面,派恩杰目前采用Fabless的模式,其SiC模塊封裝產線在2022年初動工,預計年底就有樣品出來。
中電國基南方:
中電國基南方(CETC)成立于1958年,為中國電子科技集團公司第五十五研究所,也是中國最早從事SiC器件研究的科研單位之一。旗下SiC MOSFET產品包括650V、1200V、1700V三種電壓規格,導通電阻覆蓋17mΩ-1000mΩ。就在今年7月初,國基南方宣布SiC MOSFET產品首次獲得新能源汽車龍頭企業大批量訂單。
2018年國基南方建立了6英寸碳化硅器件工藝平臺,布局覆蓋碳化硅材料、設計、制造、封測等各個環節。
愛仕特:
愛仕特成立于2017年,僅僅一年后就成功量產1200V SiC MOSFET,同時推出3300V/60A的SiC MOSFET樣片。目前公司的SiC MOSFET產品覆蓋650V、900V、1200V、1700V、3300V五種電壓規格,采用6英寸晶圓,單芯片最大電流可達120A,導通電阻最低達到15mΩ。
官網顯示,愛仕特SiC MOSFET產品100%通過UIS測試,并按照AEC-Q101標準測試,可以滿足車規級要求。2020年公司SiC MOSFET功率模塊產線正式通線,目前其功率模塊已經實現大量出口。據稱,今年比亞迪在車載OBC上采用了愛仕特650V SiC MOSFET,年需求量達到300萬只,雙方已經簽下供貨協議。
小結:
除了上面提到的廠商之外,國內包括基本半導體、華潤微、泰科天潤、清純半導體、芯塔電子、上海瀚薪、瞻芯電子都已經推出了SiC MOSFET產品,并有部分已經獲得新能源車企訂單。當然我們也可以看到,國產SiC MOSFET目前主要被用于OBC上,應用于電動汽車主驅上的基本還沒有。但隨著國內需求的增長,在國產替代的趨勢下,我們可能會在1-2年后,就能看到國產SiC MOSFET產品從技術以及產能上的新一輪爆發。
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