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        碳化硅SiC的市场格局及其带来的工程挑战

        来源:泰科天润 浏览次数: 日期:2019年10月16日 16:15

            碳化硅(SiC)是近五年以来备受关注的第三代半导体,SiC功率器件的研发从1970年代就开始了,到了1980年代,SiC晶体质量和制造工艺获得了大幅改进,90年代末,除了美国之外,欧洲和日本也开始投入资源进行研发。此后,行业开始加速发展。

            到2001年英飞凌推出了第一款SiC器件------300V~600V(16A)的SiC肖特基二极管,接着科锐(Cree)在2002年推出了600V~1200V(20A)的SiC肖特基二极管,主要用在开关电源控制和和电机控制中,随后ST、罗姆、飞兆和东芝等都纷纷推出了相应的产品。而SiC晶体管和SiC MOSFET则分别在2006年和2011年才面世。

            最近几年,由于MOSFET技术开始被市场所接受,包括心理门槛和技术门槛,SiC市场开始了较快地增长。根据2019年Yole发布的SiC市场报告,2018年SiC的市场规模约为4.2亿美元,该机构预计SiC市场的年复合增长率为29%,也就是说到2024年,SiC的市场规模将达19.3亿美元。

            SiC企业

            与集成电路的制造类似,SiC器件的生产也有IDM和Fabless模式两种。目前主要以IDM模式为主。SiC产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块环节,以及下游的应用环节。因此,SiC产业链内的玩家其实有不少,其中份额最大的当属美国的Cree,根据Yole最新的报告,它占了整个SiC功率器件市场的62%,它具有多年的SiC衬底生产经验,它旗下的Wolfspeed也是一家射频和功率器件公司拥有垂直一体化的生产能力。

            在衬底方面,国内的天科合达历史最为悠久,其产品已经在市场上卖了十几年了;第二家是山东天岳,其技术源于山东大学。此外,河北同光、世纪金光、中科节能和Norstel也有相关技术。

            在器件和模块方面,目前技术最强的还是罗姆、英飞凌和Wolfspeed等国外厂商。国内的厂商技术与他们相比差距还比较大,国内主要还是做SiC肖特基二极管为主。不过好消息是,差距在缩小,也内人士认为,差距的原因主要是国内起步比较晚,研发也就做了十年左右,而国外企业的研发至少已经做了25年了。SiC技术,尤其是SiC二极管技术,不是特别复杂,只要企业愿意去做,沉下心去做,几年后基本就可以做稳定了,但SiC MOSFET的技术要更难,要追上来需要更长的时间。像现在的泰科天润的SiC二极管产品已经在国内卖了很多年了,也获得了行业的诸多认可。

            在代工厂方面,目前SiC产业内还没有真正的代工厂,据说也没有有产线的企业愿意给别人代工。所以国内的SiC Fabless企业一般都是要去找台湾的代工厂商,比如汉磊科技。国内的基本半导体就是一家Fabless的SiC企业。

            这几年,国内有不少企业新进入了SiC领域,其实要想在SiC领域活下来,也不容易。首先要有足够的资金投入,因为它是一个高投入的行业,据业内人士透露,不说其他投资,就一个SiC制造厂的水电费,一个月也得200多万,因此,没有足够的资金支持是很难坚持下去的;其次是上下游的支持情况,上游能否拿到好材料,器件在下游能否卖出去,开始可能需要自己投资,对市场有一定的掌控力。三是技术团队很重要。

            当然,国内的SiC企业有一个最大的问题,那就是上游材料不能把控,存在进不到货的问题。现在高端的衬底和外延片基本都是需要进口的。但如果上游国内自主衬底和单晶厂商能取得突破,相信过几年情况就能好转了。

            SiC带来的工程挑战

            我们都知道SiC的好处是具有更低的阻抗、更高的运行频率和更高的工作温度。比如SiC的开关频率一般为10KHz~10MHz,且还在发展中;其理论耐温超过了400℃,即使受目前封装材料所限,也能很容易做到225℃。

            当然,更高的耐高温有好处,比如无需水冷,可以把设备的尺寸做得更少。但它的这些特性其实也会带来一些其他的工程挑战。比如当SiC器件工作在225℃时,其他周边器件该如何处置,要都用能耐这么高温的器件,那成本又是一个大问题。

            来自CISSOID的首席应用工程师Abel Cao曾总结了SiC功率器件的应用给工程设计带来的挑战。在他看来主要有五大挑战。

            一是结构设计和导热设计。传统工艺主要采用DCB导热衬底、Die组合、引线键合、模塑填料或者灌封的方式进行结构设计,这些多数为单面散热,双面的效能有限;Die的空间位置,决定了散热差异和寄生电容差异。这些都不适合SiC器件的结构和散热设计了,SiC的高温,需要新封装材料和工艺。

            二是杂散电感和分布电容。按照目前的拓扑结构,分支太多,寄生电感太大,各个支路寄生电感不一致,热不平衡。

            三是全程模拟和仿真。

            四是可靠性设计和寿命规划。这包括在目标环境温度下,要求的寿命期限;高温寿命模型;以及如何验证的问题,因为目前民用好像还没有175℃的试验标准。

            五是系统设计的演进能力。这包括新品的持续演进和产品概念的持续演进。

            SiC功率器件随着技术的进步和市场接受度的提高,开始进入了快速成长期,这期间肯定会有不少新的进入者参与到这个市场当中,也会出现一些新的应用,希望这些新的进入者能够耐得住寂寞,能够给整个产业链赋能,共同将这个产业做大,做好。

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