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新能源汽车应用爆发 原厂争先布局SiC、GaN

受材料特性所限,硅器件各方面的性能已经接近理论极限,此背景下,宽禁带半导体材料的应用受到关注。这类材料中,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的发展相对更成熟,氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等材料的研究尚在起步阶段。随着新能源汽车的普及和5G的商用,厂商针对SiC或GaN做了新的布局。 

新能源车带动SiC市场

目前,车用功率模块的主流材料是IGBT。据了解,IGBT的成本约占驱动系统成本的一半,电机驱动系统约占全车成本15%-20%,因此IGBT在一辆电动汽车中约占8%-10%的成本。据德勤预测,2020年全球新能源车销量将达到400万辆,2025年达到1200万辆,2030年达到2100万辆。由此可知,未来十年内车规级功率器件将有更大的空间。

值得注意的是,IGBT的下一代SiC技术已经崭露头角。SiC能将新能源汽车的效率再提高10%,使用SiC工艺生产的功率器件的导通电阻更低、芯片尺寸更小、工作频率更高,并可耐受更高的环境温度。为此,全球领头厂商均发力车规级SiC。

·各厂商SiC技术布局情况

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罗姆半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德健对

罗姆半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德健对《国际电子商情》分析师透露,罗姆已经在SiC生产中确立了垂直统合生产体制。2009年,该公司收购了德国单晶晶圆制造商SiCrystal,构建起从SiC原材料到晶体生长、晶圆加工、检测的晶圆一条龙生产体制。2010年,罗姆开始量产SiC功率元器件,现在主要有SiC-SBD、SiC-MOSFET和全SiC功率模块系列产品。

2018年,汽车电子和工业设备约占罗姆整体营收的48%。预计到2020年,这两个业务将占全部营收的51%。根据规划,罗姆专注的三大产品群分别是大功率产品、模拟、标准产品。

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意法半导体新材料和电源解决方案部创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni

意法半导体新材料和电源解决方案部创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni介绍,“在SiC器件市场保持领先地位”已经成为ST公司的宏伟目标。为了实现这一目标,ST采取了一系列措施,其中包括:与Cree达成长期晶圆供应协议,收购SiC晶圆制造商Norstel AB的多数股权,与学术机构签订多项合作协议等等。他还称,ST将继续在工业市场等领域开拓市场及发展业务。

ST 2018年年报显示,去年该公司约有30%的业绩归属为汽车应用。此外,ST总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery曾多次强调,ST在SiC器件方面的目标是,随着SiC市场走向成熟,市场份额要达到30%,在这个2025年预计市场总量超过30亿美元的市场上继续保持领先地位。

2018年5月,Microchip完成了对Microsemi的收购,以此获得了30多年的SiC分立式电源产品的经验。

Microchip分立器件及电源管理业务部策略营销经理Orlando Esparza介绍, Microchip在整合SiC产品组合、单片机/模拟解决方案产品组合方面已经取得了重大进展。“Microchip希望通过对SiC产品的布局,来顺利进入电动汽车市场。”他表示。

Microchip是宽带隙计划Power America的成员,该组织的成员有美国国家实验室、高等院校、知名半导体供应商和行业供应商。在组织的帮助下,Microchip与各成员建立起密切的联系,助力其SiC解决方案的研发和推广。

·降低成本,减少电磁干扰

在电动汽车中,车载充电器、DC/DC转换器、主逆变器和电动压缩机对功率电子器件要求较高,需要IGBT或SiC功率器件。SiC虽然拥有诸多优势,但是其发展也受价格高昂、电磁干扰等缺点的限制。

此前,SiC受限于缺少合适的衬底材料而无法量产。直到上个世纪70年代末,一种生长大面积 SiC衬底的方法研制成功,不过这种衬底存在微管缺陷的毛病。微管缺陷限制了每张晶片上器件的良品率,影响着每个器件的性能参数,还限制了SiC基板的芯片尺寸,导致难以制造出大面积的SiC器件,相应地也造成SiC器件的成本过高。

在降成本方面,罗姆的举措较为突出。该公司致力于晶圆的大口径化,先一步导入六英寸的SiC产线后,通过增加晶圆面积来提升SiC功率元器件的产能。为了进一步强化产能,罗姆在日本福冈县筑后工厂投建新厂房。该厂房总建筑面积约为11,000㎡,将于2020年竣工。

由于SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT,其回路寄生参数无法忽略,导致电磁干扰的情况发生。如何尽可能地减轻甚至消灭电磁干扰,一直是厂商关注的重点。SiC基板是减轻电磁干扰的关键,Cree集团旗下电源和RF部门(Wolfspeed)的核心就是SiC基板技术,在业界较有名气。为了向客户提供更优质的SiC器件,ST与Cree达成了一项2.5亿美元的长期晶圆供应协议,希望通过双方的合作产出更好的SiC器件。

·SiC不会完全取代IGBT、MOSFET

SiC能够产生正经济效益的时间点,将是它能够得以普及的分水岭。业界对于SiC未来是否会取代IGBT、MOSFET持有不同的观点。Filippo Di Giovanni 认为,SiC不会完全取代IGBT或MOSFET。

“我们非常看好SiC,不过需要明确的是,SiC不会完全取代IGBT或MOSFET。对SiC的追求并不代表ST放弃了其他功率器件,现在ST公司仍在投资IGBT及MOSFET,因为这些技术产品在开关特性、功耗和成本方面各不相同,所以每一种产品都有适合的应用领域。”他表示。

5G商用将带动GaN发展

实际上,同为宽禁带半导体的GaN和SiC在应用优势上可以互补。SiC适用于1200V以上的高电压、大电流的领域,GaN更偏向于高频、小电流领域。在5G时代,GaN将有更好的发展空间。

·当前GaN的市场规模小于SiC

拓墣产业研究院估计,2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元,而GaN基板产值仅约3百万美元。另外,Yole的数据显示,2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元,2016-2021年的CAGR(复合年增长率)为19%,而GaN功率器件在2016-2021年的CAGR为86%,市场将达到3亿美元。当前,GaN的市场规模明显小于SiC。

Filippo Di Giovanni 解释称,以前增强型开关、耗尽型晶体管常与低压MOSFET串联使用。由于在同一封装内增加了一个芯片,也增加了封装的复杂性,市场对该类解决方案的热情并不高。“传统封装方式使得芯片尺寸较大、寄生电感也较多,导致GaN开关的潜在高频优势被减弱。另外,与结型场效应晶体管类似,GaN技术是横向结构,在高压处理能力上,很难媲美纵向结构的SiC MOSFET。”

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Microchip分立器件及电源管理业务部策略营销经理Orlando Esparza

Orlando Esparza补充说,SiC材料的历史更悠久,GaN器件是高电子迁移率晶体管(HEMT),用于电源切换的HEMT是一种更新的技术,且该器件不在天然GaN基板上制造,带来了额外的复杂性。同时,GaN在可靠性、散热和成本等方面也存在问题。

针对SiC 和GaN 的应用场景,他也做了介绍,当电压小于600V,对雪崩稳健性不做要求,且其他可靠性问题都得以解决,则可以选用GaN解决方案。SiC则适用于电压大于600V的任何场景,其性能明显优于Si且能够可靠匹配。

水原德健强调,GaN作为SiC功率元器件的补充产品,未来有望得到进一步普及,GaN的高频特性将促使其在低耐压领域有广泛地应用。

·5G射频提升对GaN的需求

GaN材料本身存在的不足,如低电场迁移率低、高频性能差、以异质外延技术生长出的GaN单晶品质还不够好,在很大程度上限制了其应用。不过,即将大规模商用的5G将为GaN带来较大的机遇,尤其是射频方面,对GaN器件需求将非常旺盛。

2018年,罗姆与GaN Systems在GaN功率器件事业展开了合作。利用GaN Systems的GaNPXTM封装技术和罗姆的功率元器件传统封装技术,双方将联合开发GaN器件产品,挖掘其潜力。同时,双方还将推进GaN功率器件的研发活动,面向工业设备、汽车及家电领域发布新产品。

ST看好硅基的发展。在射频产品方面,ST与MACOM建立了合作关系,并签署了技术许可协议,授权ST在手机、无线基站和相关商用电信基础设施以外的射频市场上制造、销售硅基GaN产品;在功率转换应用领域,ST与CEA-LETI建立了合作关系,将重点在8英寸晶圆上开发和验证制造先进硅基GaN架构的功率二极体和电晶体。

当下仍有95%的半导体器件和99%以上的集成电路采用Si材料,在半导体产业中SiC和GaN的使用量还很少。据预测,到2024年,第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%。SiC和GaN以及其他宽禁带半导体材料仍有很长的路要走。

来源: ESM

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