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【功率器件】乘5G东风,国际大厂角逐SiC MOSFET

来源:国际电子商情    原作者:Momo Zhong    

如今随着5G技术日益普及,场景转换效率和高温稳定性的应用需求与日俱增,碳化硅(SiC)器件凭借其优异特性而加速渗透。其中SiC MOSFET作为碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件之一,已在5G基站、工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统以及能源储存等场景中的需求量提升,引来不少国际大厂的积极探索和深入布局……

事实上,SiC MOSFET的市场竞争早已如火如荼。2018年SiC功率半导体市场规模近4亿美元,到2024年将增长至20亿美元,整体复合成长率约达30%。

竞争格局高度集中

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。至于众多国产厂家也在跟进布局,希望能快一步缩短发展距离。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。

面对市场竞争日益激烈的SiC MOSFET市场,英飞凌电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源表示:“我更愿意把碳化硅的布局看作是一场‘超级马拉松’,角逐的时间越久,就越需要竞争来相互激发斗志。英飞凌一直乐见竞争,当市场上产品百花齐放,客户拥有更多的选择,这才是整个产业链发展成熟的象征。”

国际大厂作为SiC MOSFET产业布局的排头兵,更着重发展哪些硬实力呢?

来自罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心的高级经理苏勇锦认为:一是核心技术实力。ROHM作为SiC功率元器件的领军企业之一,核心技术优势明显,足以推动SiC MOSFET产品的持续开发。二是实现量产的能力。ROHM早于2010年开始量产SiC MOSFET,2012年开始供应符合AEC-Q101标准的车载级产品,如今更是与国内外汽车企业深度合作,产品和解决方案均获得市场好评。三是拥有配套的解决方案。ROHM作为综合半导体制造商,不仅可以提供新推出的SiC功率元器件,还包括充分发挥元器件性能的控制IC、支持客户使用环境的评估和仿真工具等等。

据介绍,2020年ROHM推出的“1200V第四代SiC MOSFET”通过大幅减少寄生电容来降低约50%的开关损耗,兼具了低导通电阻和高速开关性能,适用于包括主机逆变器在内的汽车动力总成系统和工业设备的电源。该产品已于6月开始依次提供裸片样品,未来还将提供分立器件样品。

“英飞凌在2001年就推出世界首款碳化硅二极管,并成为该领域的主要供应商。为了进一步扩展碳化硅产品组合,2020年2月底英飞凌发布了8款CoolSiC MOSFET产品。”陈清源介绍道,“全新650V系列基于先进的沟槽半导体技术,可以在毫不折衷的情况下实现最低的损耗和最佳可靠性的运作,目标市场有服务器、数据中心、5G基站、工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统以及能源储存等。今天可以很自豪地告诉大家,上述新品推出仅2个月,英飞凌就已帮助大中华区客户顺利实现量产!”

陈清源将英飞凌和终端客户快速实现SiC MOSFET应用落地的秘诀归类为四点:一是英飞凌在电源管理领域里几十年的技术优势和经验,这是公司持续研发、创新应用的奠基石;二是英飞凌在产品设计上注重最佳性能和高可靠度,并且拥有自己的生产线,可以构建一个稳固的供应链环境;三是英飞凌可以提供Si/SiC/GaN全产品线方案,并可以根据客户的个性化需求进行“方案定制”;四是英飞凌会继续加大对功率器件的布局和投入,预计2020年底英飞凌还会推出相关新产品,到2021年该产品线会扩展到50个产品以上。

全球功率半导体领域排名第二的安森美半导体,在SiC MOSFET布局上也成绩斐然。2020年第一季度安森美发布了900V SiC MOSFET技术,并将于下半年发布650V SiC MOSFET技术。其中,安森美与客户合作的碳化硅应用范围已经从常见的汽车牵引逆变器、电动汽车(EV)车载充电、电动汽车充电桩(EVC)、光伏和云计算等等,逐步推向专业音频、专业照明、医疗、电动工具、电器、辅助电机等应用领域。

安森美半导体宽禁带产品线经理Brandon Becker告诉《国际电子商情》,SiC MOSFET的竞争格局日益激烈,每家器件制造商都极快地反映市场需求、加速项目落地,从而涌现出多代技术。对此,他认为安森美半导体具有多重竞争优势,如内部供应链、制造专知、SiC MOSFET器件的高性能以及客户支持等。当下,安森美会继续聚焦在帮助客户设计具有最佳性能和价格的系统方面,以及集中力量提高产量以缩短交货时间。

东芝半导体分立器件市场副经理赵丹则介绍称,东芝是知名的功率器件供应商,在传统硅器件就具有高性价比的口碑,对于新的碳化硅产品也不断优化设计细节。比如2020年已经量产的第二代SiC MOSFET TW070J120B(1200V,70mΩ),主要有三个特点:VGSS额定值做到更宽的-10V~25V,便于应用在更多的设计中;Vth更高从而避免系统的误动作,其典型是5V而标称范围是4.2~5.8V;内置的肖特基二极管降低了VF,有助于降低导通损耗。新产品主要应用于大功率电源、电力转换、光伏逆变等场合。

“与前几家国际大厂相比,瑞能半导体(WeEn)在客户服务响应以及客户特殊的定制化需求方面具有极大的优势,”瑞能半导体研发总监章剑锋分享道,“公司深耕功率器件几十年,具备快速的客户服务响应及稳定的供货,在国内各级客户中享有非常好的口碑,产品品质方面也延续了恩智浦(NXP)一贯以来的质量标准。”

据悉,瑞能2020年计划相继推出1200V 160mΩ//80mΩ//40mΩ/ SiC MOSFET产品,很多客户对此表现出了极大的兴趣。下一步,瑞能半导体将进一步加大硅材料和碳化硅材料的功率器件产品的投入,扩大产品系列,拓展应用范围,以为客户创造价值为最终目标。

这些应用领域更具前景

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。

综上所述,据英飞凌观察,SiC MOSFET最热门的主要是对效率、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。

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。

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。

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,使设备不会过热并高效地进行优化。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。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。

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。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。

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。

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。尤其在疫情期间,在线会议和云办公的大规模发展,数据中心和5G通信基站建设如火如荼,碳化硅功率器件产品的市场规模也增长明显。

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。”

SiC MOSFET发展的制约因素?

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,但仍有三大因素制约着产业链上下的同步发展。

1、SiC基板的开发

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。安森美半导体在这瓶颈上投入了大量研发工作,以降低缺陷密度,从而实现更佳的成本结构,以扩大客户对SiC MOSFET的采用。

至于其他瓶颈,Brandon Becker补充道,包括但不限于外延生长、晶圆厂加工和封装等等。“这些供应链步骤中的每一步都有独特的瓶颈,安森美每天都在解决。”他说。

2、成本普遍较高

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。

赵丹赞同道:“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。”

章剑锋补充道,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。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。

苏勇锦则指出,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。

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。”

3、原材料的品质和供应

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。

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。对此,瑞能半导体一直与国内外的碳化硅晶圆材料厂商有着密切交流合作,从下游芯片制造的角度协助材料厂商改善碳化硅晶圆生长工艺。

在供应环节上,英飞凌拥有强大而稳定的制造和物流系统,使得即使在最具挑战的供需环境中,也能保障对客户承诺的交付。陈清源表示,目前英飞凌的交期都会通过系统与客户和渠道商进行定期地更新。

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。最后在原材料备货上,瑞能也做了充足的备货准备,保证可以快速响应客户的需求。综上所述,疫情对我们的供应影响较小。”

同样,苏勇锦也回应道:“没有明显影响。”就像前面提到的,ROHM已经建立了垂直统合型生产体制,从SiC晶圆到封装整个流程全部在本集团内部进行,以在性能、品质和稳定供应方面与其他公司拉开差距。另外,了解和掌握客户需求和市场发展趋势是SiC MOS技术开发过程中非常重要的因素。ROHM通过与xEV制造商和汽车行业一级供应商积极开展联合研究,并将这些优势应用在先进SiC功率元器件的开发中。

Brandon Becker也表示:“安森美半导体通过多方采购保证供应的连续性和快速响应。我们有出色的团队,在公司内外部的多个地点使我们的产品获验证,以确保我们的SiC制造不会因某一个地点而中断。”

赵丹介绍道:“东芝是IDM厂商,目前供应稳定,产能充足。设计部门在研发第三代SiC产品,进一步丰富产品线。下一步东芝将重视客户服务,充分聆听市场和客户的需求,来调整设计、制造和供货等流程。”

Si/SiC/GaN的趋势展望

不可置否,如今半导体材料已经步入第三代,以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体(WBG)正突破传统硅器件的物理性质,创建出以往无法制造的新器件,其加速渗透的趋势已不可逆转。那么IC厂商及设计师们该如何看待Si、SiC及GaN之间的区别?并如何从三者中选择呢?

英雄所见略同,五位受访者均认同:Si MOSFET是经过50年完善并不断改进的器件,产业发展十分成熟,所以一定时期内主流电源还会继续使用硅器件;但在一些特定领域,碳化硅和氮化镓器件已经开始逐步替代硅器件了。

赵丹指出,成熟的硅器件短时间内不会被取代,但碳化硅和氮化镓器件会在追求效率和体积的高端产品开始更多地使用起来。如果碳化硅和氮化镓需要爆发式增长,而目前市场规模不大幅增长的背景下,只能替代更多的传统硅器件。碳化硅和氮化镓由于本身的材料特性,一般认为碳化硅适合高压大功率应用,而氮化镓更适合于高频应用。在600V器件,碳化硅和氮化镓已形成竞争。

目前东芝主力产品线还是在硅器件,不过很早就将SiC作为功率器件发展的重要方向。一方面深耕SiC工艺改进,开发出更多具有出色技术优势的产品;另一方面则是深化器件的成本降低。同时,东芝还将根据市场的需求,不断引入更新的技术指标,借助东芝既有的功率器件传统技术和服务优势,在电源系统设计替代方面不断催生新的市场需求,从而将SiC功率器件服务到更广泛的开发设计需求当中。

苏勇锦表示:“Si的通用性很好,SiC在大功率方面表现出色,GaN具有高频特性,这三种功率元器件的特点各不相同。因此,我们认为它们将在能够发挥各自优势的领域逐步增长。”

据介绍,ROHM的开发以SiC为核心,同时推进Si MOSFET和IGBT等Si功率半导体的开发。不仅如此,ROHM还在不断扩充通用产品群的产品阵容,如能大幅释放各种功率半导体性能的栅极驱动器IC、以及电源IC、晶体管、二极管、用来检测电流的分流电阻等。ROHM将运用能够一并验证包括SiC在内的功率半导体和驱动IC的线上仿真工具,为主逆变器、 DC/DC转换器、车载充电器、电动压缩机等众多应用提供非常具有优势的功率解决方案,助力客户xEV实现高效化和小型化。

更值得一提的是,在Si和SiC功率半导体的基础上,已有个别国际大厂着手推进GaN的布局开发,例如ROHM和英飞凌。

陈清源分享道:“英飞凌可以提供涵盖硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的全系列功率产品,这会令公司拥有更全面的应用经验,并能更全面地了解客户需求和市场风向。具体来看,Si由于技术成熟度最高,以及性价比方面的优势,所以未来依然会是各个功率转换领域的主要器件。而SiC器件在三种材料中温度稳定性和可靠性都被市场验证,所以在对可靠性要求更高的领域将会较快的增长,例如汽车和太阳能逆变器等。至于GaN器件,由于其在快速开关性能方面的优势,会在追求高效和高功率密度的场合,例如数据中心、服务器等将有较快的增长。这三种技术将会共存,并不是‘谁’代替‘谁’的关系,而应该是相互补充、补足的关系。未来Si/SiC/GaN的市场会同步发展,不可或缺。”

封面图片来源:拍信网