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三大因素制约SiC MOSFET发展

2020-10-14 Momo Zhong 阅读:
分析一个产业的发展脉络,不能只关注驱动因素,更需要直面制约因素,只有补齐短板才能更长远地发展。SiC MOSFET也是如此,尽管其优异性能已经众所周知,但三大因素制约着产业链上下的同步发展。

与全球MOSFET行业格局相似,SiC MOSFET市场目前主要由行业领头的国际功率半导体公司主导。具体来看,美国Cree公司得益于晶圆产量的优势,其市场份额独占鳌头;其他国际大厂如ROHM、英飞凌、ST、安森美等均已积极推广SiC新器件,聚焦在高工艺、定制化、稳供应上。xt7ednc

总体上看,虽然SiC MOSFET市场规模相对还不太大,但增长速度足够快。众多国产厂家也在跟进布局,希望能快一步缩短发展距离。xt7ednc

分析一个产业的发展脉络,不能只关注驱动因素,更需要直面制约因素,只有补齐短板才能更长远地发展。SiC MOSFET也是如此,尽管其优异性能已经众所周知,但三大因素制约着产业链上下的同步发展。xt7ednc

1、SiC基板的开发全流程:设备/工艺/处理/切割等

安森美Brandon Becker认为,SiC基板的开发是公司以及其它厂家都在着力解决的最大瓶颈之一。SiC基板与传统的硅晶锭有很大不同,从设备、工艺、处理到切割的一切都需要进行开发,以处理碳化硅。xt7ednc

其他瓶颈包括但不限于外延生长、晶圆厂加工和封装等等。xt7ednc

 2、低良率/出货量导致成本居高不下

陈清源表示,相对于硅材料器件而言,碳化硅器件是比较新的产品,因为产量和产能原因,所以价格相对较高,这是其在商用化道路中主要的阻力。xt7ednc

赵丹赞:“由于SiC材料的特性,目前SiC器件整体还是良率偏低,整体出货数量也还偏少,所以整体平均成本还比较高。对此东芝的策略是:不断优化生产,改进器件的内部设计结构,提升工艺参数。”xt7ednc

碳化硅晶圆材料特别是高品质晶圆价格较高,也导致SiC MOSFET成本增加,章剑锋补充道。对此,瑞能半导体设计了超低比导通电阻值(Ron,sp)的SiC MOSFET,单位面积具备更大的电流导通能力,也就是说同一片碳化硅晶圆上WeEn可以产出更多的有效芯片,从而提高性价比。xt7ednc

但是,由于使用SiC可以减少电池和冷却系统等外围元器件的数量,因此在某些设备中,采用SiC反而能够降低系统整体的成本。因此目前其应用案例与日俱增,ROHM预计未来SiC市场会有显著增长。xt7ednc

对于即将爆发的市场需求,ROHM采取了三个举措,苏勇锦介绍道:“首先,ROHM建立了引以为豪的垂直统合型生产体制,并通过扩大晶圆的直径和引进新设备来提高生产效率。此外,ROHM还在位于日本的阿波罗工厂投建了新厂房,以扩大SiC功率元器件的产能。未来,ROHM将通过推进低导通电阻、高速开关兼备的第四代SiC等高附加值产品的开发,继续提供具有成本优势的系统整体解决方案。”xt7ednc

3、晶圆材料:品质参差不齐、供应时有风险

事实上,碳化硅是一种非常难处理的材料,它可以形成超过150种的多型,开发技术难度极大,品质参差不齐,供应环节也时有风险。xt7ednc

在品质上,章剑锋分析称,由于MOSFET对碳化硅晶圆材料的品质要求远远高于肖特基二极管产品,SiC MOSFET单颗芯片的尺寸也要大于碳化硅二极管产品,对碳化硅晶圆材料的缺陷密度有着更高的要求,更高品质的碳化硅晶圆可以显著提高目前SiC MOSFET芯片的良率。xt7ednc

事实上,过去的两三年里,晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。尤其在2020年新冠肺炎疫情的冲击下,每种原材料的供应情况均备受关注,SiC MOSFET是否也受到负面影响?经《国际电子商情》走访发现,疫情之下SiC MOSFET供应情况基本无影响。   “碳化硅原材料的生产属于技术密集型行业,相对来说受到的影响较小。”章剑锋分享道,“以瑞能半导体为例:在设计项目上,公司大规模地启用了线上会议和云办公的工作模式,即使在疫情最严重的2月份,我们也按时完成了前期制定的新产品Tape Out工作,并未造成延误。在制造生产上,半导体芯片制造本身就要在无尘超净的工作环境下进行,并且自动化程度也较高,所以半导体芯片的制造受疫情的直接影响相比其他制造业都要小。”xt7ednc

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附注:拉动SiC亿级市场需求的应用xt7ednc

相比传统硅材料,碳化硅具有宽的带隙、高的熔点、低的介电常数、高的击穿场强、高的导热系数和高的饱和电子漂移速度等特性,可以让其制成器件在更高的温度、更近的距离、更高的功率级别的场景下工作。而对于设计者和使用者而言,碳化硅还能很好地解决散热难题,解决了工程师“老大难”问题。xt7ednc

  英飞凌观察认为SiC MOSFET最热门的应用是那些对效率、功率密度以及可靠性要求很高的应用,包括:服务器、数据中心、通讯系统的开关电源,工业电源,太阳能逆变器,UPS(不间断电源),电池化成(formation)电源,充电桩以及例如车载充电器这一类汽车应用等等。xt7ednc

苏勇锦表示,SiC材料具有耐高温、高耐压、高频的特点,比Si更薄、更轻、更小巧,因此ROHM会加速SiC MOSFET在能源、xEV、ICT等增长型市场中的应用。xt7ednc

事实上,在人们翘首以待5G商用的2020年里,SiC MOSFET在5G领域的前景更引人入胜。xt7ednc

安森美Brandon Becker表示,5G的速度可比4G LTE快20倍,所以5G硬件内就更需要能够处理更高功率、具有更好散热性能的器件。这些“新”平台的性能目标和SiC MOSFET非常匹配,因为SiC更适合处理严苛的条件。xt7ednc

况且随着云和人工智能(AI)以指数级增长,更高功率密度的需求是设计工程师的主要关注点,未来SiC也将在设计环节中变得至关重要。xt7ednc

罗姆苏勇锦则看好SiC MOSFET在数据中心和服务器两大应用领域中的发展。xt7ednc

一方面,随着AI和IoT的发展与普及,各国社会对云服务的需求日益增加,导致全球对数据中心的需求呈爆发式增长。数据中心所使用的服务器正在向大容量、高性能方向发展,而如何降低功耗量就成为亟需解决的课题之一。另一方面,以往服务器的功率转换电路中,主要采用的是硅元器件;如今损耗更低的SiC元器件被寄予厚望。xt7ednc

东芝半导体赵丹则强调,5G产品大多具备高功率、高压、高温等特点,这使得碳化硅比传统硅基器件更具优势。但值得一提的是,在射频领域,5G通信芯片应该是使用碳化硅衬底、氮化镓外延器件更优。xt7ednc

瑞能半导体章剑锋认为,5G时代下,虽然SiC MOSFET不会直接作为5G通信芯片,但是在5G基站电源、数据中心服务器电源等需要电力电子的应用场景,使用SiC MOSFET产品可以带来整体电能利用效率的显著提升以及电力电子装置体积的小型化。xt7ednc

此外,章剑锋还在越来越多的电动汽车上看到了SiC MOSFET的身影,例如特斯拉Model 3。他补充道:“虽然目前Model 3只在主驱动逆变器上应用了SiC MOSFET,但一辆车也需要24颗SiC MOSFET,甚至未来的车载充电机(OBC)、DC-DC等部分都会应用SiC MOSFET。换言之,未来SiC MOSFET出货量的上升幅度将会直接正比于电动汽车市场规模的增长,这是一个不容小觑的市场机会。”xt7ednc

本文节选自《国际电子商情》,原文链接xt7ednc

责编:胡安xt7ednc

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