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SiC功率元器件市场动向及罗姆产品的战略规划

发布时间:19-09-23 阅读:525

至今半导体财产成长历经了三个阶段,分手是20世纪50年代出生的以硅(Si)为代表的第一代半导体材料,及以80年代出生的砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料,和如今以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带为代表的第三代半导体材料,且愈来愈被受到高度的注重。以碳化硅(SiC)为例,凭借其禁带宽度大年夜、击穿电场高、热导率大年夜等特点,SiC器件备受等候,但资源相对较高也成为其成长的障碍。近日 ROHM半导体(北京)有限公司设计中间所长水原徳建老师在媒体会上分享了有关SiC功率元器件市场动向和罗姆产品的计谋筹划。他表示,SiC的资源固然很高,但长远来看,以汽车电池技巧路线阐发,电池的价格鄙人降,机能却在增长,基础上可以把SiC模块的价格补平,对付整车厂来说,机能前进了但价格并没有太大年夜变更。

碳化硅(SiC)三大年夜特征

水原老师先容说,碳化硅(SiC)是由1:1的Si(硅)与C(碳)组合而成的一个产物,其特征十分坚硬,以新莫氏硬度划分,钻石为15,SiC可达13。

下图以半导体功率元器件常用材料Si、GaN、SiC做的对照,可以看出SiC在物理特点上的上风,以及为什么会有很大年夜的前景?

1.击穿场强度更强,从而耐压性更高,得当高压产品设计;

2.冷点与硅比拟更高,易冷却,耐硅温度的3倍以上;

3.电子饱和速率更快,产品频率可以做到更高,是硅的10倍。

下图以Si-MOSFET和SiC-MOSFET的设计来看,水原老师奉告记者,在栅极和漏极间有一个电压隔离区,这个区越宽,内阻越大年夜,功率损耗越多。图右侧可见SiC产品将这个区域做的更薄,换句话说导通电阻小了,能量损耗就小了。机能会越来越好,是以,SiC因其更低功耗而成为电力电子领域最具前景的材料。

碳化硅(SiC)与硅(Si)功率元器件现状对照

水原老师以二极管和晶体管做了比较。在二级管中,以硅(Si)做成的肖特基构造电压可以达到250V,而换作碳化硅(SiC)电压则可达到4000V阁下;再来看一下晶体管,此中Si的MOSFET老例来说可以做到900V,水原老师说市场上也有做到1500V的,但特点会差些,而SiC产品电压可达3300V。

随后,水原老师先容了600V以上耐压功率元器件的特性对照,Si少子器件中以PN(FRD)、IGBT为代表,其特性为高耐压性、为了弥补导通阻抗,可以调节传导率、因为少数载流子的蓄积,使得规复变慢,拖尾电流等;Si的多子器件中以MOSFET为例其特性,SJ RON稍稍改良、虽然高速然则阻抗大年夜、规复快、耐压900V阁下;而SiC的多子器件如SBD、MOSFET其特性具有高耐压性、外延层导通阻抗小、SW损耗急剧低落、200度以上操作可能。见于以上特性市场同等觉得以SiC做的SBD和MOSFET在高机能上更胜一筹。总结来说,假如必要低频高压, Si IGBT是最好的;假如必要稍高频,电压不是很高的产品,用Si MOSFET最好;假如是即高频又高压那SiC MOSFET是最好的选择;假如电压不需很大年夜,但频率很高就选用GAN HEMT。

SiC产品为你的设计带来了什么好处?

直接的讲,SiC能为工程师带来的好处有三点:1.更低的阻抗,使得寸更小,相较于硅尺寸削减1/2,同时得到更高的效率;2.更高频率的运行,高频产品可以把电感电容变小,周边模块变小了,产品也相对小了1/10;3.更高温度的运行,呈现更简单的冷却系统;

举个例子,让我们来看看SiC给5kW DC/DC转换器带来的收益:5kW LLC DC/DC 转换器上用IGBT和SIC MOS比较,以电源节制板为例,应用SiC器件及相关电路,可减小高压电源体积,Si为8775cc,SiC仅为1350cc,芯片面积约为原本的1/4,在重量上Si IGBT为7kg,而SiC MOS 则仅有0.9kg;效率上,两者在损耗上对照,SiC可低落63%。总结来说,SiC MOS可前进效率,减小体积。

别的一个例子,水原老师分享到,SiC-SBD与Si-FRD的规复特点比较,水原老师从温度和电流上来做了先容,他解释,Si FRD是个PN布局,半导体+半导体,电流从P流向N,从on到off,在抱负状态下,硅是最好的选择,因为其是半导体+半导体布局,必定有个反向的规复,形成了很大年夜的挥霍区域,如下图的三角区。

然则换成SiC-SBD,SBD是半导体+金属布局,规复相对照而言削减很多,使反向特点变得更好些。这便是为什么要用SiC-SBD取代Si-FRD的缘故原由。

电流上来说,硅产品会跟着电流的增长,损耗越多,效率越来越差,然则碳化硅基础没有变更。总之SiC -SBD的规复历程险些不受电流、温度的影响。

传统上,SiC-SBD有两种构造,一种是纯肖特基构造,罗姆的第一、二代产品都是纯肖特基构造。最大年夜的好处在于肖特基的特点1、正偏向耐压;2.FSM瞬间大年夜电流。 以是用纯肖特基构造来做。虽然VF可以做下来,然则瞬间大年夜电流做的不好。罗姆的第三代产品是JBS构造,上风是肖特基势垒连接与PN连接,IFSM大年夜高耐压、泄电流小高温时VF低。

SiC -MOS与Si-IGBT/Si-MOS开关特点比较

从下图可以看出,IGBT规复起来,有拖尾电流,三角区是个不需要的损耗,但用碳化硅MOS 开关off时的损耗大年夜幅削减。通俗MOS特点虽好但电压不敷,是以SIC MOS更好。

水原老师先容,市场上有两种布局的产品,一种是平面型栅极构造,别的一种是沟槽型栅极构造。见下图,平面MOS构造,从两边开始做,而沟槽构造是U型深挖,这样一来可以把芯片尺寸做的更小,价格更低。同样的芯片尺寸可以把RDS做的更好些,这也是最大年夜的益处。

罗姆的第二代SIC MOS采纳平面型栅极构造,第三代产品采纳沟槽型栅极构造,值得一提的是市场上仅有罗姆一家采纳沟槽构造,且享有专利。下图右侧,罗姆在source这个地方继承深了两沟槽,由于MOS有个最大年夜的问题 ,即在 gate 上耐压差。为了在gate上做到更好的耐压,是以罗姆又挖一个沟槽,使电流从此跑出。

SIC市场动向

水原老师说,SIC 今朝用的最多是在光伏、办事器上;电动车是成长中的市场,充电站,电源会成为目标市场。现在碳化硅以1700、1200伏为主,跟着产品特点越来越好,未来在风能、铁路上将会是个颇具前景的市场。基于IHS市场查询造访,到2025年能源(PV,EV充电,智能电网等)、汽车(OBC,逆变器)、根基举措措施(办事器)会带来很大年夜的增长;

罗姆的投资计划以及产能状况

为顺应市场需求,罗姆自2017年到2021年有阶段性的投资在SiC上,计划到2025年投资850亿日元。产能到2021年会前进6倍,到2025年将达到16倍,但从市场需求来看,就这个产能依然不敷,是以罗姆有可能会启用外部代加工,水原老师说。

除SiC之外,Gate Driver也是一个很大年夜的市场,估计到2021年罗姆的临盆能力将前进5倍,到2025年估计前进15倍。

据懂得,罗姆这家公司从2000年就与大年夜学一路开启研发碳化硅之路,2009年收购德国的Sicrystal公司, 该公司主做碳化硅晶柱,2010 罗姆SiC SBD量产,举世第三,日本第一,同年举世首发SiC MOS,2012 SiC模块举世首发,2015年举世首发沟槽型SiC MOS,2017年6英寸SiC SBD量产。时至今日,罗姆从晶棒临盆到晶圆工艺再到封装组装,完成了完全垂直整合的制造工艺。

产品声威-SiC分立器件

产品声威-全SiC功率模组

产品声威-SiC芯片

罗姆SiC-SBD成长路线

1.晶圆越来越大年夜,从4-6寸,未来成长到8英寸;

2.所有产品具有车载包管;

3.更多封装。

SiC MOS成长路线

1.晶圆越来越大年夜,从4-6寸,未来成长到8英寸;

2.更大年夜的电流、电压;

3.更多封装。

得当xEV的碳化硅规划

碳化硅协同栅极驱动为电动车与混动供给广泛的车载利用办理规划。主要利用在车载充电器、降压转换器和主驱逆变器上,今朝主驱以IGBT为主,SiC利用正在研发中,估计2021年之后可以走向市场。水原老师分享电动汽车未来的趋势其一是行驶里程延长;其二缩短充电光阴;其三必要更高的电池容量。为了顺应这个趋势,SiC在汽车利用中也会有个变更,在OBC这块,2017年之前因此SiC SBD为主,2017年后SiC SBD+SiC MOS就已经是很成熟的市场;DCDC这部分,由Si MOS 蜕变成SiC MOS为主;逆变器上,今朝以IGBT+Si FRD为主,SiC MOS正在研发中,在2021年陆续会走向市场;无线充电,SiC SBD+SiC MOS正在研发中;大年夜功率DCDC(用于快速充电)同样SiC MOS也正在研发中。水原老师分外提到Formula-E所用到的SiC技巧,与传统逆变器比拟,第三赛季在应用了IGBT+SiC SBD其重量低落2kg,尺寸减小19%,而第四赛季采纳Si MOS+SiC SBD后,与传统逆变器比拟其重量低落6kg,尺寸减小43%。

罗姆的计谋筹划

罗姆2019年财年申报显示,其2018年贩卖额为 3989亿日元,未来增长最大年夜的两块是汽车电子和工业设备,估计到2020年这两部分将占整个营收的51%,外洋市场变更不大年夜,日系数码和日系破费市场将越来越窄。电源、模拟、标准产品将重点成长,以SIC办理规划为主研发更多利用。罗姆旨在建立能够经久稳定供货和对应需求更改的临盆系统体例。



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