Information center

资讯中心

在这里看看最近都发生了什么新鲜事吧。

化合物半导体如何成为新基建之基石:SiC

作者:    时间:1970-01-01    阅读量:339

自3月4日我国政府指出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度以来,“新基建”成为经济大热词。“新基建”覆盖5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域,完全可以用硬核科技四个字来概括,而处于最上游的半导体产业又将如何厉兵秣马?


本期智芯咨询整合多家专业机构资源,特别推出《化合物半导体如何成为新基建之基石》系列专题。本文重点介绍极限功率器件的理想材料——SiC。

微信图片_20200625181437.jpg

 

国联万众

智芯咨询

根据Yole development 预测,未来几年新能源汽车、电机驱动、铁路对碳化硅市场增长影响较大,其中增量价值最高的为新能源汽车,包括汽车本身以及由此带动的各类基础设施建设。
碳化硅功率器件市场结构

 

微信图片_20200625181443.jpg

资料来源:Yole、国盛证券研究


SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料,在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和Si 原子不同的结合方式使SiC 拥有多种晶格结构,如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率,能够提供较高的电流密度,常被用来做功率器件。

碳化硅:功率器件核心材料,新能源汽车驱动成长

 

SiC 主要用于大功率高频功率器件。以SiC 为材料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件未来有望在汽车电子领域取代Si。目前SiC 半导体仍处于发展初期,晶圆生长过程中易出现材料的基面位错,以致SiC 器件可靠性下降。另一方面,晶圆生长难度导致SiC材料价格昂贵,预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进。


▼SiC 应用领域

微信图片_20200625181448.jpg

资料来源:ROHM,国盛证券研究所

丰田的电驱动模块(电动车的核心部件),碳化硅的器件比硅基IGBT 的体积缩小了50%甚至更多,同时能量密度也比硅基IGBT 高很多。这也是很多厂商倾向于使用碳化硅的原因,可以优化零部件在车上的布置,节省更多的空间。
特斯拉Model 3 电驱动模块:采用24 颗意法半导体碳化硅器件,丰田也计划2020年推出搭载碳化硅器件的电动车,丰田作为日系厂商较为倾向于日系的供应商,目前是三菱或富士在争取这些业务和丰田开展合作。
碳化硅功率器件在汽车领域的应用

 

微信图片_20200625181454.jpg

数据来源:国泰君安春季策略会

第三代半导体专家演讲稿

 

碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间,工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域,可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。
SiC MOSFETS 最先运用在OBC 和DC/DC 中,硅基的mosfets 成本在人民币100 元左右,价值量不高、性能要求贴合度高也是能够最早实现替代的因素。其次才是价值量较高的电动汽车电驱动系统(IGBT 单位价值量在500 美金左右),用sicmosfets 替代IBGT,目前只有在特斯拉model3 上实现。
SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一,技术也已经趋于成熟,令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。与传统解决方案相比,基于SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前SiC器件在EV/HEV 上应用主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。
碳化硅在电动汽车中的应用

 

微信图片_20200625181458.jpg

数据来源:eenewsautomotive、国泰君安

 

新能源车的功率控制单元(PCU)。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU 使用硅基材料半导体制成,强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。
而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失,将传统PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极管,Si IGBT 置换成 SiC MOSFET,就可以降低 10%的总能量损耗,同时也可以大幅降低器件尺寸,使得车辆更为紧凑。丰田中央研发实验室(CRDL)和电装公司从1980 年代就开始合作开发SiC 半导体材料,2014 年双方正式发布了基于SiC 半导体器件的新能源汽车PCU,是这一领域的典型代表。

采用 SiC 的PCU 尺寸大大减小

 

微信图片_20200625181503.jpg

资料来源:Geekcar 官网,中泰证券研究所

 

罗姆的SiC 赛车用逆变器明显降低重量及尺寸 

 

微信图片_20200625181507.jpg

资料来源:Rohm 官网,中泰证券研究所

 

车用逆变器。SiC用在车用逆变器上,能够大幅度降低逆变器尺寸及重量,做到轻量化与节能。在相同功率等级下,全SiC 模块的封装尺寸显著小于Si 模块,同时也可以使开关损耗降低75%(芯片温度为150°C);在相同封装下,全SiC 模块具备更高电流输出能力,支持逆变器达到更高功率。特斯拉Model 3 采用了意法半导体(后来增加了英飞凌)生产的SiC逆变器,是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017年12 月2 日,ROHM 为VENTURI 车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用全SiC 功率模块制造的逆变器,使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降43%,重量轻了6kg。
车载充电器。SiC功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋势,在今年的功率器件展PCIM Europe 2018(2018 年6 月5~7 日在德国纽伦堡举行)上,多家厂商推出了面向HEV/EV 等电动汽车充电器的SiC功率器件产品。据Yole 统计,截至2018 年有超过20 家汽车厂商在自家车载充电器中采用SiC SBD 或SiC MOSFET 器件,且这一市场在2023 年之前保持44%的增长。
超过20 家汽车制造商在车载充电器中采用SiC
微信图片_20200625181511.jpg

 

资料来源:Yole(2018),中泰证券研究所

 

碳化硅材料的特性及发展历程
碳化硅材料的特性从三个维度展开:
1.材料的性能,即物理性能:禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。这些材料特性将会影响到后面器件的性能。
2.器件性能:耐高温、开关速度快、导通电阻低、耐高压。优于普通硅材料的特性。反映在电子电气系统和器件产品中。
3. 系统性能:体积小、重量轻、高能效、驱动力强。
回顾整个碳化硅的发展历程,我们可以发现在21 世纪,碳化硅的发展步伐越来越快,如图所示,其中比较标志性的事件是:2016 年搭载ST 碳化硅器件作为电机驱动的Model 3 发布,使得碳化硅器件开始大规模进入市场。
整个碳化硅的发展历程
微信图片_20200625181516.jpg

 

数据来源:国泰君安春季策略会

第三代半导体专家演讲稿

 

碳化硅的耐高压能力是硅的10 倍,耐高温能力是硅的2 倍,高频能力是硅的2 倍;相同电气参数产品,采用碳化硅材料可缩小体积50%,降低能量损耗80%。这也是为什么半导体巨头在碳化硅的研发上不断加码的原因:希望把器件体积做得越来越小、能量密度越来越大。
硅材料随着电压的升高,高频性能和能量密度不断在下降,和碳化硅、氮化镓相比优势越来越小。碳化硅主要运用在高压环境,氮化镓主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V 作为一个界限:650V以上通常是碳化硅材料的应用,650V 以下比如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。
SiC 产业链:欧美占据关键位置
SiC 生产过程分为SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。
SiC 衬底:SiC 晶体通常用Lely 法制造,国际主流产品正从4 英寸向6 英寸过渡,且已经开发出8 英寸导电型衬底产品,国内衬底以4 英寸为主。由于现有的6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产SiC 器件,所以6 英寸SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。
SiC 外延:通常用化学气相沉积(CVD)方法制造,根据不同的掺杂类型,分为n 型、p 型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4 寸/6 寸SiC 外延片。
SiC 器件:国际上600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化,主流产品耐压水平在1200V 以下,封装形式以TO 封装为主。价格方面,国际上的SiC 产品价格是对应Si 产品的5~6 倍,正以每年10%的速度下降,随着上游材料器件纷纷扩产上线,未来2~3年后市场供应加大,价格将进一步下降,预计价格达到对应Si 产品2~3 倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动SiC 逐步占领Si 器件的市场空间。
碳化硅功率器件产业链情况

 

微信图片_20200625181521.jpg数据来源:国泰君安春季策略会

第三代半导体专家演讲稿

 

SiC 器件生产流程

 

微信图片_20200625181525.jpg

资料来源:Global Power,中泰证券研究所

 

全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,全球SiC 产量的70%~80%来自美国公司,典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ;欧洲拥有完整的SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链,典型公司是英飞凌、意法半导体等;日本是设备和模块开发方面的领先者,典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。
SiC 产业链各环节公司

 

微信图片_20200625181529.jpg资料来源:材料深一度,中泰证券研究所

 

国内企业在SiC 方面也多有布局。SiC 衬底方面,天科合达、山东天岳、同光晶体等均能供应3 英寸~6 英寸的单晶衬底。SiC 外延片方面,厦门瀚天天成与东莞天域生产3 英寸~6 英寸SiC 外延片。SiC 器件IDM 方面,中电科55所是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位,其6 英寸碳化硅中试线已投入运行,旗下的控股子公司扬州国扬电子为“宽禁带电力电子器件国家重点实验室”的重要实体单位,专业从事以碳化硅为代表的新型半导体功率模块的研制和批产,现有一条于2017 年投产、产能50 万只/年的模块工艺线。泰科天润已经量产SiC SBD,产品涵盖600V/5A~50A、1200V/5A~50A 和1700V/10A 系列。
深圳基本半导体拥有独创的3D SiC 技术,推出的1200V SiC MOSFET 性能达到业界领先水平。SiC 器件Fabless 方面,上海瞻芯电子于2018 年5 月成功地在一条成熟量产的6 英寸工艺生产线上完成SiC MOSFET 的制造流程。代工方面,三安光电旗下的三安集成于2018 年12 月公布商业版本的6 英寸碳SiC 晶圆制造流程,并将其加入到代工组合当中。根据公司新闻稿,目前三安SiC 工艺技术可以为650V、1200V 和更高额定电压的肖特基势垒二极管(SBD)提供器件结构,公司预计在不久后会推出针对900V、1200V和更高额定电压的SiC MOSFETs 产品。
SiC 产业以欧美日为主

 

微信图片_20200625181535.jpg资料来源:公开资料整理,中泰证券研究所

 

重点企业
1、Cree
Cree 旗下的Wolfspeed 是生产SiC 肖特基二极管、SiC MOSFET 元件以及模块,以及GaN 器件的先驱公司,在SiC/GaN 材料方面具有30年经验,在SiC 功率市场与GaN 射频器件市场具有领导地位。
Cree 在SiC 功率器件有近30 年历史
微信图片_20200625181540.jpg资料来源:Cree 官网,中泰证券研究所
在SiC功率器件市场,Wolfspeed占据市场最大的份额,是行业第一家商用SiC MOSFET 的企业,服务上千家客户;在GaN 射频器件市场,Wolfspeed 市场份额位居第二,具备十年以上的GaN HEMT 生产经验,出货量超过1500 万只;在SiC 材料市场,Wolfspeed 是第一家提供商业化SiC 晶圆产品的企业(1991 年),且在其后的30 年发展中引领了SiC 晶圆尺寸的有小变大(目前为8 寸),是名副其实的市场引领者。
Wolfspeed 同时提供GaN-on-SiC 代工服务,改变了行业传统的IDM业态。作为GaN-on-SiC MMIC 技术的领导者,公司运用世界上最大的宽禁带半导体生产线为客户提供从设计协助到制造、测试服务,缩短下游客户产品推出周期。国内三安集成的GaN 代工服务与之类似。
Wolfspeed 推出GaN-on-SiC 代工服务

 

微信图片_20200625181544.jpg资料来源:Cree 官网,中泰证券研究所

 

2、英飞凌
Infineon 是市场上唯一一家提供涵盖Si、SiC 和GaN 等材料的全系列功率产品的公司,开发的CoolSiC技术具备非常大的潜力。Infineon 于1992年开始SiC 领域研发,2001 全球首次SiC 二极管推出商业市场,于2006年推出全球首个采用SiC 组件的商用电源模块,目前已经已经发展至第五代。公司近年在奥地利投入三千五百万欧元对SiC 设备和相关工艺的研发。
Infineon 从1992 年即开始SiC 研发

微信图片_20200625181549.jpg

2018 年2 月Infineon 与Cree 宣布签订了战略性长期供货协议,负责向后者提供SiC 晶圆;11 月收购Siltectra 获得Cold Split 技术,相比传统研磨90%的材料浪费,该技术将耗材成本降低50%,并将整体切片成本降低30%。
Cold Split 技术流程

 

微信图片_20200625181553.jpg

资料来源:Siltectra 官网,中泰证券研究所

 

3、ROHM(罗姆半导体)
ROHM 是日本首家、全球第四家具备SiC 器件量产能力的半导体厂商,其优势在于实现从衬底到模块的垂直整合。根据Yole 的统计,Infineon和Cree 两家公司占据了整个SiC 市场份额68%,其后便是ROHM。为了把握SiC 材料快速增长的机遇,根据公开业绩说明会,公司计划分批投入共计600 亿日币,至2025 年时将SiC 的产能提升至2017 年的16倍。力争到2025 年,ROHM 能在全球SiC 市场的份额达到30%。
ROHM SiC 产品路线规划图

 

微信图片_20200625181557.jpg

资料来源:ROHM 业绩说明会,中泰证券研究所

 

ROHM 专注于汽车和工业市场。截至2017 财年,汽车和工业的销售已经占到总销售额的44%,根据公司业绩说明会,预计2020 年更将达到50%,其中汽车占35%,工业占15%。公司预计汽车、工业方面将分别实现年均增长11%、13%(2017 年3 月—2021 年3 月)。

免责声明:本文内容根据中泰证券、国泰君安、国盛证券相关报告整理。本文任何之观点,皆为交流探讨之用,不构成任何投资建议,也不代表本公众号的立场。如果有任何异议,欢迎联系国际第三代半导体众联空间。

(本文转自:第三代半导体联合创新孵化中心


 



欢迎关注公众号