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碳化硅(SiC)功率半导体市场潜力大

电子发烧友网2018-09-16 10:12:32

面对日益严苛的能效要求,节能减碳已成为现今电子产品不可忽略的重要环节;传统以硅为材料的功率半导体,正逐渐面临发展瓶颈,而具有比硅更低导通电阻及更高切换速度的碳化硅(SiC)功率器件以其优异的高耐压、低损耗、高导热率等优异性能,有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。

碳化硅(SiC)功率器件的能量损耗只有硅(Si)器件的功率50%,发热量也只有硅(Si)器件的50%;且有更高的电流密度。在相同功率等级下,碳化硅(SiC)功率模块的体积显著小于硅(Si)功率模块,以智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)为例,利用碳化硅(SiC)功率器件,其模块体积可缩小至硅(Si)功率模块的1/3~2/3。

碳化硅(SiC)功率器件前景亮丽,市场驱动力主要基于:

1. 太阳能的PV(光伏)逆变器

主要提高电源的转换效率。

2. 新能源汽车(EV/HEV)

充一次电可以跑更长里程是新能源汽车的一个重要卖点。

3. 开关电源

用于服务器、空调;效率会更高,节电可观。

4. 重型电机、工业设备

主要是用在高频电源的转换器上,可以带来高效率、大功率、高频率的优势。

美国 Cree公司早在2003年就率先推出碳化硅(SiC)产品,但当时市场上并没有很大的反响。2010年以后,业界才开始对碳化硅(SiC)功率产品真正关心,一些厂家如Cree、Rohm、Infineon、ST、Microsemi陆续推出了相关产品。

国内对碳化硅(SiC)功率器件的研究始于20世纪末, 直到2014年,国内的碳化硅(SiC)二极管实现了量产化,但还没有形成完整的产业,与国外的产业规模相比有很大差距。

目前,国内实现碳化硅(SiC)功率器件量产的只有泰科天润半导体科技(北京)有限公司,其量产的肖特基二极管600~1700V系列各项指标均已达到国际先进水平。

2014年全球碳化硅(SiC)功率器件的市场规模为1.2亿美元,相较硅功率器件的150亿美元市场,碳化硅(SiC)功率器件市场还很小,还不到硅(Si)功率器件的10%。

根据市场分析公司预计,碳化硅(SiC)功率器件的市场未来将保持18%的年增长速度,到2020年时可望达到3亿美元以上的产值(图1),说明市场对这一器件的接受度正进入加速阶段。

 
图1: 2014-2020年碳化硅(SiC)功率器件市场产值

受制于制造成本和产品良率影响,目前阻碍碳化硅(SiC)功率器件大规模进入市场的主要原因是价格昂贵,一般是同类硅(Si)产品的5-6倍。

为了降低成本,需要二个方面的改进。

1.开发上,晶圆做得更大,晶圆越大,每个晶圆上可以取得的die/chip也就越多,浪费的地方也会越少;但这需时日攻克工艺难关。

碳化硅(SiC)材料较传统硅材料硬度要大,晶圆尺寸进一步扩大时工艺技术目前还很难控制。现在SiC产品的晶圆尺寸只能做到6英寸;相较目前大部分硅(Si)功率器件都已经向12英寸晶圆迁移的进度,碳化硅(SiC)功率器件肯定有些落后了,而这也将限制其成本控制的步伐。

针对SiC材料硬度的优化已成为业界重要课题,就像当年真空管向硅材料的过渡一样,任何一种新材料都要经历 一个优化到成熟的过程,相信通过业界的努力,SiC材料将成为一种成熟的主流的功率器件材料。

2.提高工厂的生产效率,碳化硅(SiC)的生产时间很长,因为SiC是Si加上C,生产时间大约是普通Si的6倍。

预计在2017年左右,随着碳化硅(SiC)产品良率的大幅度提升,其价格也将下降,那时碳化硅(SiC)功率器件可能会实现大规模应用。