Yole Développement在近日發佈的《功率碳化矽(SiC):材料、元件及應用2019版》報告中預計,到2024年,SiC功率半導體市場規模將增長至20億美元,2018~2024年期間的複合年增長率將高達29%。其中,汽車市場無疑是最重要的驅動因素,其SiC功率半導體市場份額到2024年預計將達到50%。

晶圓短缺還會持續嗎?

過去的兩三年裡,晶圓供應短缺一直是制約SiC產業發展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求,包括晶圓廠在內的眾多重量級玩家已經意識到必須擴大投資,以支援供應鏈建設。 科銳(Cree)在今年5月宣佈將投資10億美元建造一座200mm SiC生產工廠和一座材料超級工廠,從而確保Wolfspeed SiC和GaN-on-SiC(碳化矽基氮化鎵)產能在2024年實現30倍的增長,以滿足電動車(EV)和5G市場需求。

意法半導體(STMicroelectronics;ST)2018年SiC收入約為1億美元,其2019年的目標收入為2億美元,2025年目標收入定為10億美元,並希望由此佔據30%的SiC市場份額。為此,ST在今年1月與Cree簽署了SiC晶圓多年供貨協定,根據協定,Cree將向ST供應價值2.5億美元的150mmSiC裸晶圓和外延晶圓。一個月後,ST又宣佈收購瑞典SiC晶圓供應商Norstel AB 55%的股份,並享有在滿足某些條件下收購剩餘45%股本的期權,如果行使期權,最終收購總價為1.375億美元。

同為SiC生產大廠的英飛凌(Infineon)自然也不甘落於人後。除了早在2018年2月就宣佈與Cree達成SiC晶圓長期供貨戰略協定外,還於同年11月收購了初創企業Siltectra,並借此獲得了一種名為「冷切割(Cold Spilt)」的高效晶體材料加工製程。英飛凌計畫將這項技術用於SiC晶圓的切割,並在未來5年內實現該技術的工業化規模使用,從而讓單片晶圓可出產的晶片數量翻一背。據瞭解,截止至2018年,英飛凌SiC在充電樁市場的市佔率超過五成。

以羅姆(Rohm)為代表的日系廠商則是SiC市場的另一支重要力量。該公司從2000年就開始進行SiC MOSFET的基礎研究,並在2009年收購德國SiC晶圓材料廠商SiCrystal,從而擁有了從晶棒生產、晶圓製程到封裝組裝的完全垂直整合的製造製程。其里程碑事件包括2010年全球首發SiC SBD(蕭特基二極體)/MOSFET並實現量產、2012年全SiC模組量產、2015年溝槽型SiC MOSFET量產,以及2017年6吋SiC SBD量產。

20190905NT61P1 羅姆6吋SiC MOSFET晶圓。

市場調研機構Yole Développement的資料顯示,2013年羅姆在全球SiC市場的市佔為12%,而富士經濟的資料則顯示,2018年羅姆的市場份額已增長至23%。羅姆半導體(北京)技術中心所長水原德健表示,從2017年到2025年,羅姆將階段性投資共計850億日元用於SiC生產。作為該項投資的一部分,羅姆在時隔12年之後再次在日本國內修建了一座佔地面積20,000m2的Apollo新工廠,主要為SiC元件提供晶圓,已於2019年4月動工,預計2021年投入使用。屆時,其SiC產能將是2017年的6倍,到2025年將達到16倍。

但安森美半導體(ON Semiconductor)低壓及電池保護MOSFET和寬能隙資深總監兼總經理Bret Zahn對「晶圓供應短缺制約了SiC市場發展」的說法持保留意見。

「我認為平台導入設計的嚴格流程和隨後的認證一直是門檻,市場採用反而是在持續增加。」他分析稱,SiC市場此前主要使用100mm晶圓,直到最近2~3年,更多的SiC元件供應商開始進入市場,帶來了更激烈的市場競爭,由於具備成本優勢,150mm晶圓開始受到青睞。不過,150mm晶圓成品率不能與100mm晶圓成品率相當,所以供應商一直在努力提高更大直徑晶體的品質,這導致了高成品率150mm SiC晶圓的短缺。但隨著100mm晶圓供應商現在開始提供同等或更好裸片品質的150mm晶圓,以及不斷有新的晶圓供應商加入市場,SiC晶圓短缺現象已經開始得到緩解。

安森美於2017年進入SiC元件供應商市場,技術來自2016年末收購的Fairchild半導體。作為一家相對較新的SiC元件供應商,安森美從一開始就使用150mm晶圓生產,其核心策略是認證多個供應商,再重點收購那些能夠提供最高裸片成品率晶體的供應商,以確保SiC晶圓供應。同時,安森美還制定了內部SiC晶體成長計畫,目標是在2022年底提供至少50%的自有SiC晶圓,這種全面的SiC垂直整合對於保證供應(尤其是汽車客戶)和提供最低成本的SiC製造基礎設施極為關鍵。

汽車為重塑SiC市場關鍵

SiC最初的應用場景主要集中在太陽能儲能逆變器、資料中心伺服器UPS電源和智慧電網充電站等需要轉換效率較高的領域。以一款5KW LLC DC/DC轉換器為例,其電源控制板在採用矽絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)時,重量7kg,體積8,775cc;而當採用SiC MOSFET之後,重量銳減至0.9kg,體積減小到1,350cc。這得益於SiC MOSFET的晶片面積僅為Si-IGBT的1/4,並且其高頻特性使損耗相比Si-IGBT下降了63%。

但人們很快發現,SiC的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機械(更小尺寸)和熱性質(更高溫度的運作)也非常適合製造很多大功率汽車電子元件,例如車載充電器、降壓轉換器和主驅逆變器。尤其是特斯拉(Tesla)在其Model 3主驅逆變器中採用了SiC元件之後,示範效應被迅速放大,使xEV車市場很快成為SiC市場振奮的源泉。

著名的電動方程式賽車(Formula-E)中也用到了SiC技術。從2016年第三賽季開始,羅姆開始贊助Venturi車隊,並在賽車中使用IGBT+SiC SBD組合取代傳統200kW逆變器中的IGBT+Si FRD方案,相比之下,使用SiC方案後,逆變器在保持功率不變的前提下,重量降低2kg,尺寸減小19%。而當2017年第四賽季採用SiC MOS+SiC SBD後,不但重量降低了6kg,尺寸減小43%,逆變器功率也由此前的200KW上升至220kW。

目前,xEV車中的主驅逆變器仍以IGBT+Si FRD方案為主,但考慮到未來電動車需要更長的行駛里程,更短的充電時間和更高的電池容量,採用SiC MOSFET元件將是大勢所趨,時間節點大約在2021年左右。此外,車用OBC和DCDC應用,也已經先後在2017/2018年迎來重大革新,分別由SiC SBD轉向SiC SBD+SiC MOSFET和從矽MOSFET演變為SiC MOSFET。同時,採用SiC SBD+SiC MOSFET方案的無線充電和採用SiC MOSFET方案的大功率DCDC正在研發中。

20190905NT61P2 SiC在汽車應用中的趨勢。

「將SiC逆變器用於電動車所帶來的經濟收益顯而易見。」水原德健說,透過SiC可以提高3~5%的逆變器效率,降低電池成本/容量,並且SiC MOSFET有很大機會被率先引入高檔車中,因為其電池容量更大。

但Zahn提醒業界說,在開發SiC時,晶圓製造、封裝/測試、應用測試和最終合格檢驗等開發鏈中的一切都必須重新考慮。例如,被認為在xEV市場最具吸引力的大裸片低導通電阻Rdson元件已被認定是個巨大的挑戰。由於SiC不同的屬性和小得多的裸片尺寸,業界需要再次重新考慮許多熱機械應力問題,也需重新設計互連技術,以獲得更高的電流密度和更低的電感。此外,在xEV市場,為了充分利用SiC所有的優勢,還必須強化夥伴關係,加強客戶溝通,以創建高度定制的系統方案。

離散元件 VS. 功率模組

和IGBT一樣,對於SiC,業界也普遍希望模組扮演關鍵角色。但是全SiC模組將採用什麼形式?儘管一些製造商採用了標準矽封裝,但大多數製造商已經開發出自己的SiC模組,例如特斯拉透過與ST、Boschman合作開發,已經成功打造了具有自主智慧財產權的SiC模組設計供應鏈,相關元件由意法半導體完成製造。

Zahn說太陽能和xEV市場在SiC使用方面的發展路徑很有趣。過去兩年,太陽能市場經歷了IGBT/SiC混合升壓模組的加速推出,並在2019年開始邁向全SiC模組。也就是說,太陽能市場選擇的是一條從IGBT到混合IGBT/SiC,再到全SiC的路徑。

但xEV市場有些不同,它們繞過了混合方案,直接向全SiC模組發展。這裡有兩個原因:第一、相比IGBT/SiC混合方案,xEV供應商發現使用全SiC模組逆變器能夠以更低的系統成本為xEV市場提供更好的性能;第二,競爭因素也在起作用,許多xEV供應商在看到同行採用全SiC系統方案後獲得了更好的行駛里程後,意識到他們也必須這樣做,否則就會被市場迅速淘汰。

降低價格最快方法

SiC領域的專業人士對SiC元件往往是 「又愛又恨」。一方面,SiC元件具有高壓、高頻和高效率的優勢,在縮小體積的同時提高了效率,為市場帶來的機遇也遠遠大於挑戰。但另一方面,SiC在製造和應用方面又面臨很高的技術要求,如何降低使用門檻成為業界熱議的話題。

ST總裁兼技術長Jean-Marc Chery認為,業界需要在短期內應對兩個關鍵挑戰:一個是供應鏈,另一個是成本。原材料供應商和設備供應商需要在數量上調整供應鏈,並採取相關措施來推動、證明在電動車等領域採用SiC是節能的。同時,與矽相比,儘管SiC在擊穿場強、能隙寬度、電子飽和速度、熔點,以及熱導率方面都更具優勢,但堅硬的材質和複雜的製造製程流程大幅提高了成本,相關企業必須要在縮小元件、增加晶圓尺寸、降低材料成本、最佳化模組設計等方面下功夫。

但即便如此,「單個SiC元件的成本還是會高於傳統矽元件」。不過,Chery說ST強調的是系統成本的最終節省。例如,在電動車中,SiC元件可能會額外增加300美元的前期成本,但總體而言,由於電池成本、電動車空間和冷卻成本的降低,卻節省了2,000美元的系統成本。

Zahn對此持同樣的觀點,原因也基本類似,主要源於SiC能夠提供更高的能效,延長電池使用壽命,減少熱量,並且有助於減少汽車電源管理系統的尺寸和重量,從而帶來更遠的行駛里程。雖然目前在元件級SiC價格仍然比矽IGBT貴,但是這些優點節省了系統級成本,這對xEV市場極具吸引力。

安森美方面認定垂直整合是實現SiC與IGBT成本平價(cost parity)的最快方法。除了垂直整合從晶棒生長到成品(包括裸片、離散元件和模組)用於工業和汽車市場外,建構包括驅動器、全系列離散二極體和MOSFET、定制和插入即用的模組方案、先進的SPICE模型和世界一流應用工程團隊在內的SiC生態系統亦非常關鍵,這能夠協助使用者加速定制設計和上市時間。

在英飛凌工業功率控制事業部總監馬國偉看來,SiC的價格問題一直很嚴峻,客戶永遠希望價格越低越好。但作為一個新興技術,SiC自然也有新興技術所存在的普遍問題:產量小、穩定度不夠、價格高。雖然大家都希望SiC技術可以普及,但是從新興技術發展到通用技術這個過程往往十分漫長。

「IGBT從1990年發展至今,30年間經歷了7代技術革新,晶圓尺寸從4吋增加到12吋,晶片厚度從300μm降低到60μm,最終成本降到了原先的五分之一。所以SiC技術也同樣需要時間來進行技術上的打磨,從而降低成本。」馬國偉說。

下圖是羅姆提供的功率半導體元件使用場景總結。如果以開關頻率作為橫坐標,輸出功率或電壓作為縱坐標,那麼SiC-MOSFET的應用主要集中在相對高頻高壓的區域,Si-IGBT/Si-MOSFET/GaN HEMT則分別對應高壓低頻、高頻低壓和超高頻低壓應用。

20190905NT61P3 功率半導體元件使用場景總結。(資料來源:羅姆)

因此,儘管非常看好SiC,但ST方面還是強調,SiC並不會完全取代矽基IGBT或MOSFET,這些技術產品在開關特性、功耗和成本方面各不相同,每一種都有自己非常適合應用領域。英飛凌大中華區副總裁于代輝則認為,SiC能在某個產業對其效率有革命性的提升,比如提高能效、減少重量與體積。但SiC元件也不是萬能藥,在接下來的很長一段時間內,矽與SiC元件都會長期並存並共同發展。

本文為姊妹刊國際電子商情原創文章並同步刊登於國際電子商情2019年9月號雜誌