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第三代半导体SiC的野心与发展

  汽车电子  

cywen 2017-12-05

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被称为第三代半导体之一的SiC材料自诞生以来,就是奔着取代Si材料去的,野心不小。



早在2013年的时候,据市场调查公司Yole developmet统计,SiC全球市场大约是9000万美元。Yole developmet预测其发展速度可观,从2013年到2020年间,SiC年均增长率约为39%,2020年会达到7.7亿美元的规模。

转眼4年过去了,SiC的电力电子器件市场在2016年才正式形成,市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间。据Yole最新预测,SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金,这期间的复合年均增长率预计将达19%。

2020年达到7.7亿美元与2021年达到5.5亿美元、39%和19%,两组对比数据差别很明显告知,市场对SiC的材料应用情况过度乐观,过分高估了SiC的应用趋势。不过即使数据没有预期内的暴涨,现在数据也表明,SiC发展不可小觑。

市场的高预期和现实的落差跟SiC的“四高”特性有关。

SiC功率器件在“高温、高压、高频”的极端条件下性能远高于现在的Si材料,可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增,带来体积、重量的大幅减低。这让市场对这种新材料抱有极高的期望。

但SiC在“高温、高压、高频”三高利好条件下,还有一“高”——高成本。由于SiC材料的特殊性,原材料贵,生产工艺要求高,导致SiC的生产成本是普通Si材料的5-7倍。

东西是好东西,东西也是贵东西,两种因素的博弈下,SiC的发展虽没达到预期的高速,可在Infineon、Cree、ROHM等各大掌握SiC生产工艺的半导体生产厂商推动下,一直以来发展得还可以,市场未大规模普及的条件下还进一步降低SiC的生产成本问题。

以ROHM为例,2009年,日本ROHM收购了SiCrystal公司,它是一家专门做SiC材料的德国企业,有了它提供材料,ROHM会在德国完成晶圆,然后在日本的福冈、京都做芯片的封装和SiC模组,据悉,ROHM是全球唯一一家可以实现一条龙生产的SiC厂商。一条龙的生产模式对量产和成本控制都有积极作用。

在开发成本上,罗姆高级经理水原德健先生说到降低SiC成本第一是在开发上,尽量把晶圆做得更大,因为晶圆越大,每个晶圆上可以取得的die/chip(籽片/芯片)也就越多,浪费的地方也会越少,目前罗姆试生产8英寸产品已完成。第二是提高工厂的生产效率和良品率,SiC的生产时间很长,难度高于一般材料;第三,推动市场应用,市场上的用量加大,单价才会降下来。

为了推动市场应用,一向低调的ROHM在2017年近日为电动汽车顶级赛事“Formula E”提供“全SiC”功率模块,用速度的激情来诠释SiC的技术优越。当然,ROHM还有国际上其他几家能生产SiC的半导体公司的目标不在小众的电动赛车,他们看好的是面临爆发的新能源汽车市场。



在各方政策利好的条件下,新能源汽车一路绿灯,发展势头勇猛,数据显示,第三季度全球电动车和插电式混合动力车的销量超过了28.7万辆,比去年同期增长了63%,比第二季度增长了23%,其中中国电动汽车市场份额就占到了全球销量的一半以上。

SiC器件在电动汽车上一直是备受青睐的,相比其他材料,它能更小型化,更低能耗,更轻量化,,这些特性能减轻新能源汽车的能源压力,使续航路程长。

再以上文中ROHM为电动汽车顶级赛事“Formula E”提供“全SiC”功率模块为例:



“Formula E”赛事中文图瑞电动车队赛车逆变器所搭载的“全SiC”功率模块,采用了ROHM开发且独有的模块内部结构和优化了散热设计的新封装,成功提高了额定电流。另外,与普通的同等额定电流IGBT模块相比,开关损耗降低达75%(芯片温度150℃时),这将非常有助于应用的节能。不仅如此,高频驱动不仅可实现外围部件的小型化,在高频驱动时开关损耗的降低效果更显著,因此还有助于冷却系统等的小型化。

通过将此“全SiC”功率模块应用到逆变器这一赛车驱动的核心部件中,与搭载SiC前的第2赛季的逆变器相比,成功实现43%的小型化与6kg的轻量化。另外,与搭载了SiC-SBD的第3赛季逆变器相比,也成功实现了30%的小型化与4kg的轻量化。

除了新能源汽车, SiC半导体潜在应用领域较为广泛,对轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有重大意义。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加,SiC在功率器件中取代Si或者部分取代其他原材料器件成为行业发展的必然。

值得一提的是,我们可以亲身经历这个趋势的发展,因为中国的SiC器件市场应用占据全球近一半的使用量,而中国的SiC产业并不完善。2017年即将接近尾声,2018年中国必然将成为SiC器件生产商厮杀的第一战场。SiC未来如何发展?我爱方案网还将为大家持续关注。

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