作為第三代半導(dǎo)體材料的代表,碳化硅(SiC)憑借其禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大等特性,成為高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)備功率器件的新寵。在不久前的一場(chǎng)羅姆SiC產(chǎn)品分享會(huì)上,筆者詳細(xì)了解了SiC產(chǎn)品在功率器件中的比較優(yōu)勢(shì),以及該公司在SiC產(chǎn)品線、車(chē)規(guī)產(chǎn)品以及生產(chǎn)制造方面的情況。
比較優(yōu)勢(shì)
與Si功率器件相比,SiC產(chǎn)品的耐高壓特性使得器件可以使用更薄的半導(dǎo)體層(約1/10),并且由于其漂移區(qū)阻值只有Si器件的1/300,所以它的導(dǎo)通損耗非常低。
上圖顯示,以二極管(PN、SBD)和晶體管(IGBT、MOSFET)這兩種功率器件為例,目前在超過(guò)400V和600V電壓的少子和多子器件中,SiC在導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)速度上都有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。由于SiC材料具有更低的阻抗,更高的運(yùn)行頻率以及更耐高溫,所以在同等效果下,SiC器件只需要Si器件1/2的尺寸,1/10的被動(dòng)元件以及1/5的冷卻系統(tǒng)。
以目前光伏和車(chē)載電源系統(tǒng)中常用的5kW LLC DC/DC轉(zhuǎn)換器為例,SiC芯片面積只有Si-IGBT的1/4左右,重量也只有其1/8左右,而損耗能降低63%!總的來(lái)看,目前市場(chǎng)上高壓應(yīng)用中,Si-IGBT還占據(jù)主導(dǎo)地位,SiC只占1/10左右,可以說(shuō)市場(chǎng)前景廣闊。光伏、數(shù)據(jù)中心、智能電網(wǎng)充電站、工業(yè)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)電源、電動(dòng)汽車(chē)、鐵路、風(fēng)電和家電都是羅姆關(guān)注的SiC功率器件的目標(biāo)市場(chǎng)。
提升產(chǎn)能
基于這樣的市場(chǎng)潛力,羅姆正在積極擴(kuò)張?jiān)摴井a(chǎn)能。去年4月,羅姆在日本福岡縣啟動(dòng)了12年來(lái)首座新廠——ROHM Apollo筑后工廠——的建設(shè),原計(jì)劃總建筑面積為1.1萬(wàn)平方米,后又決定加建到2萬(wàn)平方米。該廠主要生產(chǎn)6英寸SiC功率器件的襯底、外延片和晶圓加工的預(yù)處理工藝。預(yù)計(jì)新廠房將于2020年12月竣工,2021年開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng),2022年開(kāi)始大批量生產(chǎn)。新廠投產(chǎn)后,預(yù)計(jì)到2024財(cái)年,羅姆SiC器件全球總產(chǎn)能較2016財(cái)年將增長(zhǎng)16倍,柵極驅(qū)動(dòng)則較2016財(cái)年增長(zhǎng)15倍。
上面兩張圖分別是羅姆目前所有的SiC分立和功率模塊產(chǎn)品。羅姆是全球少數(shù)完全擁有SiC垂直整合制造工藝的公司,包括從晶棒生產(chǎn)到晶圓再到封裝。據(jù)悉,今年該公司將擴(kuò)充6英寸第三代工藝600V SBD產(chǎn)品,預(yù)計(jì)年底將推出1200V樣片;在SiC-MOSFET上,今年會(huì)推出非車(chē)規(guī)第四代6英寸工藝產(chǎn)品,明年則將推出車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品。
重在車(chē)載
電動(dòng)汽車(chē)的主驅(qū)逆變器、車(chē)載充電器和降壓轉(zhuǎn)換器將是SiC功率器件的主要應(yīng)用。由于SiC功率器件體積減少,省出的空間和重量可以增加到電池組,這增加了電池容量并因此延長(zhǎng)了續(xù)航里程。此外,SiC功率器件高轉(zhuǎn)換效率大大縮短了充電時(shí)間,而其耐壓特性,也使得整車(chē)充電電纜重量降低——因?yàn)榭梢灾С?00V電池電壓。
上圖顯示在汽車(chē)應(yīng)用中,SiC器件占比在今后幾年將越來(lái)越高??紤]到成本,SiC MOS這類(lèi)器件將首先被高檔車(chē)采用。目前羅姆已經(jīng)在車(chē)載SiC磁隔離柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)取得80%以上的份額,而由于光學(xué)隔離器件有衰減問(wèn)題,加上EV車(chē)小型化趨勢(shì),都將促使該公司在SiC磁隔離柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)取得更大的的份額。
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