国外碳化硅大厂：产能疯狂扩张、丰富的产品组合

国外碳化硅大厂：产能疯狂扩张、丰富的产品组合
 
电子发烧友网报道（文/李诚）碳化硅、氮化镓这两种新型半导体材料，凭借其耐高温、耐高压、高频的特性在功率器件领域得到了广泛的应用。尤其是碳化硅功率器件与传统硅基功率器件相比，碳化硅材料突破了创传统硅基材料的物理极限，碳化硅的耐温值高出硅基材料的一倍，同时，碳化硅的介电击穿场强也高出硅基材料数倍。碳化硅材料已成为高温、高压、大功率设备的最佳解决方案。
 
“碳中和”的大趋势提高了人们对碳化硅、氮化镓等高效稳定的第三代功率半导体材料的关注度。碳化硅功率器件也在工业、汽车、轨道交通、光伏发电等领域的高速发展下，得到了充分的应用，碳化硅市场需求十分景气，市场渗透率也在逐年攀升。
 
据CASA 统计，2020年国内第三代半导体，电力电子器件和射频电子器件总产值达100亿元以上。其中，碳化硅、氮化镓器件产值规模达 44.7亿元，同比增长54%。同时，预计至2025年SiC功率器件在全球汽车市场规模将会有38.0%的增长，届时将会带来100亿元市场总值，SiC发展空间巨大。
 
如今新能源汽车、光伏发电的产能释放，市场对碳化硅功率器件的需求不断扩大，聚焦全球碳化硅市场，由于国内厂商在功率半导体领域起步较晚的原因，国际市场目前还是以美、德、日等国外企业占据主导地位。
 
出货量占比45%的美国企业Wolfspeed
 
Wolfspeed作为第三代功率半导体的龙头企业，2019卖掉主导产业的照明业务，将产业重心转移至第三代功率半导领域。据半导体行业数据统计，Wolfspeed 2020年上半年SiC晶片出货量占据全球总量的45%。Wolfspeed的碳化硅产品涵盖了SiC肖特基二极管、SiC MOSFET元件以及模块，在工业和汽车领域均有应用。
 
在碳化硅肖特基二极管方面，Wolfspeed目前以推出了第六代工业级产品，最高耐压值达650V，额定电流在4A、6A、8A、10A均有覆盖，在PFC升压转换器中，能够很好的提高系统级效率，不会存在反向恢复电流和热量失控的问题。同时，车规级的SiC肖特基二极管也发展到了第三代，最高耐压值达650V，额定电流有8A、20A、30A三种选择，在实际应用中进一步的提高系统的功率密度、缩小体积，无需额外的冷却系统，也能实现很好的温度控制，多应用于汽车的充电系统和电池管理系统中。
 
在碳化硅MOSFET方面，Wolfspeed工业级产品和车规级产品均发展到第三代，其中第二代工业级产品的耐压值达到了1700V，是工业级产品中最高的，额定电流从5A至115A均有覆盖。同时，车规级产品的耐压值达到了1200V，额定电流有22A和32A两种选择。总的来说，Wolfspeed的碳化硅MOSFET，在耐压能力和待机功耗方面均有不错的表现，并且提高了系统的开关频率和功率密度。
 

 
图源：Wolfspeed

 
碳化硅功率器件在电动车领域的应用优势颇为突出，发展前景也备受看好。为更深入的挖掘碳化硅功率器件在汽车领域应用的潜在性能，Wolfspeed与大众汽车集团达成了合作关系，为大众提供更优质的碳化硅解决方案，共同展望碳化硅的未来发展，推动碳化硅在电动车领域的应用，打造续航里程更长、生产成本更低、补能速度更快的电动汽车。
 
2019年，Wolfspeed投资10亿元，用于扩充碳化硅功率器件和外延片的产能，其中一部分用于打造位于纽约州马西镇“全球最大”的碳化硅晶圆厂，预计2022年建成投产。该晶圆厂主要用于车规级200mm碳化硅晶圆的生产。另一部分用于美国达勒姆市200mm的碳化硅晶圆厂的建设，该产线将采用全自动化的方式生产，按计划该产线将会于2024年实现投产，碳化硅产品的产能将会有大幅提升。Wolfspeed官方表示，届时SiC和GaN器件产品业务占比将超过材料业务占比，营收将达15亿美元，净收入达3.75亿美元。
 
资深碳化硅功率器件的德国企业Infineon
 
英飞凌（Infineon）在碳化硅领域深耕多年，2001年就已经向市场推出首款碳化硅二极管，有着较为深厚的技术积累。目前，英飞凌的碳化硅功率器件的主打产品有：MOSFET、肖特基二极管，以及MOSFET与二极管的组合模块。
 

 
 
图源：英飞凌官网

 
英飞凌的是首个碳化硅分立电源的供应商，其碳化硅二极管器件突破了传统硅基材料的物理限制，将原本耐压值最高只有150V的二极管提升至1200V。英飞凌的碳化硅二极管满足了车规级和工业级要求，其中工业级的碳化硅二极管产品有600V、650V、1200V三个系列，车规级碳化硅产品只有650V一个系列。英飞凌的二极管目前已经发展至第五代，与其他厂商的二极管结构相比，存在着些许差异，英飞凌为了提高二极管的性能，将肖特基二极管与PN结型二极管的优点合二为一，在肖特基二极管N型掺杂区上面多了P型掺杂的窗口。技术的升级，英飞凌的第五代二极管与前一代产品相比，导通损耗降低了30%，抗浪涌电流能力高出额定电流约13倍，大幅提升了系统的安全性。
 
在碳化硅MOSFET方面，英飞凌的产品同样覆盖了汽车和工业应用两个领域。其中，工业级单管碳化硅MOSFET耐压值最高为1700V，650V和1200V的产品也有开发，在车规级产品中只有1200V一个系列。英飞凌碳化硅MOSFET采用了先进的非对称沟槽半导体工艺，经过优化，在25℃的工作环境下，关断损耗仅为IGBT 的20%，在175℃的工作环境下关断损耗仅有IGBT 的10%，开关损耗极低。当负载电流为15A时，正向压降只有IGBT 的一半，导通损耗较小。在反复续流状态下，英飞凌的碳化硅MOSFET还可当作快速恢复二极管使用，且性能高于一般二极管。
 

 
图源：英飞凌

 
今年5月，英飞凌发布了新款车规级电源模块HybridPACK Drive CoolSiC，该模块耐压等级为1200V，有额定电流为400A/200A两个版本。该功率模块采用了CoolSiC沟槽MOSFET技术，在电动汽车的牵引逆变器中使用，可实现高达250kW的功率，具有高功率密度和高性能的特性，为汽车提供更长的续航和更高的效率，降低电动汽车的电池成本。据现代汽车电气化团队负责人Jung表示：使用英飞凌的CoolSiC电源模块，能将电动车续航里程提升5%以上。
 
在合作方面，据外媒报道，今年5月英飞凌与日本晶圆制造商昭和电工达成碳化硅材料的供应合作，保障了英飞凌在碳化硅领域发展的基材需求。此前，英飞凌与Wolfspeed也签订了碳化硅长期晶圆供货协议，巩固英飞凌在汽车与工业领域功率器件的优势地位。
 
最早推出碳化硅功率模块的日本企业ROHM
 
ROHM具备碳化硅材料生产、晶圆制造、芯片封测的能力，其碳化硅产品在业界内颇具影响力。ROHM的碳化硅产品覆盖了二极管、MOSFET以及功率模块，并且ROHM是全球首家推出碳化硅功率模块的厂商。
 

 
图源：ROHM

 
今年7月，ROHM发布了RGWxx65C系列IGBT产品，RGWxx65C系列是在IGBT的反馈单元部分内置了一个SiC肖特基势垒二极管，由于碳化硅二极管没有反向恢复电流，所以RGWxx65C系列产品的导通开关损耗相对较低，并且通过了车规级AEC-Q101标准的认证，在工业与汽车领域均可使用。据ROHM表示，该系列产品在电动汽车牵引逆变器的应用中，开关损耗与传统的IGBT相比，降低了67%，与SJ-MOSFET相比，降低了24%。在效率转换方面，RGWxx65C系列产品能够保证97%以上的高效转换，在工作频率为100kHz时，转换效率还会高出传统IGBT的3%。在产能方面，目前还属于样品阶段，按计划将在今年12月以每月2万件的规模进入量产阶段。
 
在碳化硅二极管方面，ROHM的二极管已经发展至第三代产品，其中第二代产品的耐压值最高已经达到了1200V，额定电流在5A至40A之间。第三代产品的二极管主要集中在650V，2A至20A之间，采用了JBS构造的设计工艺，在同等工作条件下，第三代抗浪涌电流能力与第二代产品相比提高了一倍，导通损耗也有所降低。同时，第三代产品的漏电电流仅为前一代产品的1/20。
 
在碳化硅MOSFET方面，ROHM推出了第三代沟槽栅型碳化硅MOSFET，主要包括了650V和1200V这两个电压等级的产品。第三代沟槽栅型碳化硅MOSFET的导通电阻比第二代平面型碳化硅MOSFET减少了一半，从而降低了系统功耗。其中，SCT3系列对封装工艺进行了改进，采用了4引脚封装工艺，据ROHM官方表示，4引脚的碳化硅MOSFET比三引脚封装的开关损耗降低了35%，从而提高系统效率。
 
在产能扩充方面，ROHM为满足市场对碳化硅功率器件日益增长的市场需求，在2019年就开始扩建Apollo工厂，于2020年底工程竣工，预计2022年正式投产，新厂房的面积提升将近一倍，据ROHM技术中心所长水原德建先生表示，到2025年，ROHM的碳化硅产能将会是2017年的16倍。
 
结语
 
碳化硅功率器件弥补了硅基功率器件的缺点，提高了产品的开关频率和功率密度，耐高温能力也有不小的提升，极大地拓展了碳化硅功率器件的应用场景。
 
目前，碳化硅产品与同类型的硅基产品相比，并没有任何价格优势，甚至价格高出10倍，主要是器件制造工艺的不成熟和晶圆生产的良率不高，进而提升了碳化硅产品的价格。随着Wolfspeed、ROHM、昭和电工等新产线的投产，晶圆良率的提高，届时碳化硅产品的价格也会有所下降，市场渗透率也会迎来爆发式的增长。