SiC的市場格局及其帶來的工程挑戰(zhàn)
碳化硅(SiC)是近五年以來備受關(guān)注的第三代半導(dǎo)體，SiC功率器件的研發(fā)從1970年代就開始了，到了1980年代，SiC晶體質(zhì)量和制造工藝獲得了大幅改進(jìn)，90年代末，除了美國之外，歐洲和日本也開始投入資源進(jìn)行研發(fā)。此后，行業(yè)開始加速發(fā)展。
到2001年英飛凌推出了第一款SiC器件------300V~600V(16A)的SiC肖特基二極管(SiC SBD)，接著科銳（Cree）在2002年推出了600V~1200V（20A）的SiC肖特基二極管，主要用在開關(guān)電源控制和和電機(jī)控制中，隨后ST、羅姆、飛兆和東芝等都紛紛推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。而SiC晶體管（SiC JFET）和SiC MOSFET則分別在2006年和2011年才面世。
最近幾年，由于MOSFET技術(shù)開始被市場所接受，包括心理門檻和技術(shù)門檻，SiC市場開始了較快地增長。根據(jù)2019年Yole發(fā)布的SiC市場報告，2018年SiC的市場規(guī)模約為4.2億美元，該機(jī)構(gòu)預(yù)計SiC市場的年復(fù)合增長率為29%，也就是說到2024年，SiC的市場規(guī)模將達(dá)19.3億美元。
SiC玩家有哪些？
與集成電路的制造類似，SiC器件的生產(chǎn)也有IDM和Fabless模式兩種。目前主要以IDM模式為主。SiC產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的襯底和外延環(huán)節(jié)、中游的器件和模塊環(huán)節(jié)，以及下游的應(yīng)用環(huán)節(jié)。因此，SiC產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的玩家其實有不少，其中份額最大的當(dāng)屬美國的Cree，根據(jù)Yole最新的報告，它占了整個SiC功率器件市場的62%，它具有多年的SiC襯底生產(chǎn)經(jīng)驗，它旗下的Wolfspeed也是一家射頻和功率器件公司擁有垂直一體化的生產(chǎn)能力。
圖2：SiC電力電子器件產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。（來源：長江證券）
在襯底方面，國內(nèi)的天科合達(dá)歷史最為悠久，其產(chǎn)品已經(jīng)在市場上賣了十幾年了；第二家是山東天岳，其技術(shù)源于山東大學(xué)。此外，河北同光、世紀(jì)金光、中科節(jié)能和Norstel也有相關(guān)技術(shù)。
在器件和模塊方面，目前技術(shù)最強(qiáng)的還是羅姆、英飛凌和Wolfspeed等國外廠商。國內(nèi)的廠商技術(shù)與他們相比差距還比較大，國內(nèi)主要還是做SiC肖特基二極管為主。不過好消息是，差距在縮小，也內(nèi)人士認(rèn)為，差距的原因主要是國內(nèi)起步比較晚，研發(fā)也就做了十年左右，而國外企業(yè)的研發(fā)至少已經(jīng)做了25年了。SiC技術(shù)，尤其是SiC二極管技術(shù)，不是特別復(fù)雜，只要企業(yè)愿意去做，沉下心去做，幾年后基本就可以做穩(wěn)定了，但SiC MOSFET的技術(shù)要更難，要追上來需要更長的時間。像現(xiàn)在的泰科天潤的SiC二極管產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)賣了很多年了，也獲得了行業(yè)的一些認(rèn)可。
在代工廠方面，目前SiC產(chǎn)業(yè)內(nèi)還沒有真正的代工廠，據(jù)說也沒有有產(chǎn)線的企業(yè)愿意給別人代工。所以國內(nèi)的SiC Fabless企業(yè)一般都是要去找***的代工廠商，比如漢磊科技。國內(nèi)的基本半導(dǎo)體就是一家Fabless的SiC企業(yè)。
這幾年，國內(nèi)有不少企業(yè)新進(jìn)入了SiC領(lǐng)域，其實要想在SiC領(lǐng)域活下來，也不容易。首先要有足夠的資金投入，因為它是一個高投入的行業(yè)，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，不說其他投資，就一個SiC制造廠的水電費(fèi)，一個月也得200多萬，因此，沒有足夠的資金支持是很難堅持下去的；其次是上下游的支持情況，上游能否拿到好材料，器件在下游能否賣出去，開始可能需要自己投資，對市場有一定的掌控力。三是技術(shù)團(tuán)隊很重要。
當(dāng)然，國內(nèi)的SiC企業(yè)有一個最大的問題，那就是上游材料不能把控，存在進(jìn)不到貨的問題。現(xiàn)在高端的襯底和外延片基本都是需要進(jìn)口的。但如果上游國內(nèi)自主襯底和單晶廠商能取得突破，相信過幾年情況就能好轉(zhuǎn)了。
SiC帶來的工程挑戰(zhàn)
我們都知道SiC的好處是具有更低的阻抗、更高的運(yùn)行頻率和更高的工作溫度。比如SiC的開關(guān)頻率一般為10KHz~10MHz，且還在發(fā)展中；其理論耐溫超過了400℃，即使受目前封裝材料所限，也能很容易做到225℃。
當(dāng)然，更高的耐高溫有好處，比如無需水冷，可以把設(shè)備的尺寸做得更少。但它的這些特性其實也會帶來一些其他的工程挑戰(zhàn)。比如當(dāng)SiC器件工作在225℃時，其他周邊器件該如何處置，要都用能耐這么高溫的器件，那成本又是一個大問題。
來自CISSOID的首席應(yīng)用工程師Abel Cao曾總結(jié)了SiC功率器件的應(yīng)用給工程設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)。在他看來主要有五大挑戰(zhàn)。
一是結(jié)構(gòu)設(shè)計和導(dǎo)熱設(shè)計。傳統(tǒng)工藝主要采用DCB導(dǎo)熱襯底、Die組合、引線鍵合、模塑填料或者灌封的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些多數(shù)為單面散熱，雙面的效能有限；Die的空間位置，決定了散熱差異和寄生電容差異。這些都不適合SiC器件的結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計了，SiC的高溫，需要新封裝材料和工藝。
二是雜散電感和分布電容。按照目前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分支太多，寄生電感太大，各個支路寄生電感不一致，熱不平衡。
四是可靠性設(shè)計和壽命規(guī)劃。這包括在目標(biāo)環(huán)境溫度下，要求的壽命期限；高溫壽命模型；以及如何驗證的問題，因為目前民用好像還沒有175℃的試驗標(biāo)準(zhǔn)。
五是系統(tǒng)設(shè)計的演進(jìn)能力。這包括新品的持續(xù)演進(jìn)和產(chǎn)品概念的持續(xù)演進(jìn)。
結(jié)語
SiC功率器件隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場接受度的提高，開始進(jìn)入了快速成長期，這期間肯定會有不少新的進(jìn)入者參與到這個市場當(dāng)中，也會出現(xiàn)一些新的應(yīng)用，希望這些新的進(jìn)入者能夠耐得住寂寞，能夠給整個產(chǎn)業(yè)鏈賦能，共同將這個產(chǎn)業(yè)做大，做好。
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