作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們?cè)谔栂祫傉Q生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，因此其又被稱為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。

Yole在近日發(fā)布的《功率碳化硅(SiC)：材料、器件及應(yīng)用-2019版》報(bào)告中預(yù)計(jì)，到2024年，碳化硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至20億美元，2018-2024年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率將高達(dá)29%。其中，汽車市場(chǎng)無疑是最重要的驅(qū)動(dòng)因素，其碳化硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額到2024年預(yù)計(jì)將達(dá)到50%。

晶圓短缺還會(huì)持續(xù)嗎？

過去的兩三年里，晶圓供應(yīng)短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級(jí)玩家已經(jīng)意識(shí)到必須擴(kuò)大投資，以支持供應(yīng)鏈建設(shè)。

科銳(Cree)公司在今年5月宣布將投資10億美元建造一座200mm SiC碳化硅生產(chǎn)工廠和一座材料超級(jí)工廠，從而確保Wolfspeed SiC和GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)產(chǎn)能在2024年實(shí)現(xiàn)30倍的增長(zhǎng)，以滿足EV電動(dòng)汽車和5G市場(chǎng)需求。

意法半導(dǎo)體(ST)2018年SiC收入約為1億美元，其2019年的目標(biāo)收入為2億美元，2025年目標(biāo)收入定為10億美元并希望由此占據(jù)30%的SiC市場(chǎng)份額。為此，ST在今年1月與Cree簽署了碳化硅晶圓多年供貨協(xié)議，根據(jù)協(xié)議，Cree將向ST供應(yīng)價(jià)值2.5億美元的150mm碳化硅裸晶圓和外延晶圓。一個(gè)月后，ST又宣布收購(gòu)瑞典SiC晶圓供應(yīng)商N(yùn)orstel AB 55%的股份，并享有在滿足某些條件下收購(gòu)剩余45%股本的期權(quán)，如果行使期權(quán)，最終收購(gòu)總價(jià)為1.375億美元。

同為SiC生產(chǎn)大廠的英飛凌(Infineon)自然也不甘落于人后。除了早在2018年2月就宣布與Cree達(dá)成SiC晶圓長(zhǎng)期供貨戰(zhàn)略協(xié)議外，還于同年11月收購(gòu)了初創(chuàng)企業(yè)Siltectra，并借此獲得了一種名為“冷切割(Cold Spilt)”的高效晶體材料加工工藝。英飛凌計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)用于SiC晶圓的切割，并在未來五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的工業(yè)化規(guī)模使用，從而讓單片晶圓可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番。據(jù)了解，截止至2018年，英飛凌SiC在充電樁市場(chǎng)的市占率超過五成。

以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商則是SiC市場(chǎng)的另一支重要力量。該公司從2000年就開始進(jìn)行SiC MOSFET的基礎(chǔ)研究，并在2009年收購(gòu)德國(guó)SiC晶圓材料廠商SiCrystal，從而擁有了從晶棒生產(chǎn)、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合的制造工藝。其里程碑事件包括2010年全球首發(fā)SiC SBD(肖特基二極管)/MOS并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、2012年全SiC模塊量產(chǎn)、2015年溝槽型SiC MOS量產(chǎn)以及2017年6英寸SiC SBD量產(chǎn)。

羅姆公司6英寸SiC MOSFET晶圓

市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Development的數(shù)據(jù)顯示，2013年羅姆在全球SiC市場(chǎng)的份額為12%，而富士經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)則表明，2018年羅姆的市場(chǎng)份額已增長(zhǎng)至23%。羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司技術(shù)中心所長(zhǎng)水原德健表示，從2017年到2025年，羅姆將階段性投資共計(jì)850億日元用于SiC生產(chǎn)。作為該項(xiàng)投資的一部分，羅姆在時(shí)隔12年之后再次在日本國(guó)內(nèi)修建了一座占地面積20000m2的Apollo新工廠，主要為SiC器件提供晶圓，已于2019年4月動(dòng)工，預(yù)計(jì)2021年投入使用。屆時(shí)，其SiC產(chǎn)能將是2017年的6倍，到2025年將達(dá)到16倍。

但安森美半導(dǎo)體(OnSemi)低壓及電池保護(hù)MOSFET和寬禁帶高級(jí)總監(jiān)兼總經(jīng)理Bret Zahn對(duì)“晶圓供應(yīng)短缺制約了SiC市場(chǎng)發(fā)展”的說法持保留意見。

“我認(rèn)為平臺(tái)導(dǎo)入設(shè)計(jì)的嚴(yán)格流程和隨后的認(rèn)證一直是門檻，市場(chǎng)采用反而是在持續(xù)增加。”他分析稱，SiC市場(chǎng)此前主要使用100mm晶圓，直到最近2-3年，更多的SiC器件供應(yīng)商開始進(jìn)入市場(chǎng)，帶來了更激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，由于具備成本優(yōu)勢(shì)，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(dāng)，所以供應(yīng)商一直在努力提高更大直徑晶體的質(zhì)量，這導(dǎo)致了高成品率150mm SiC晶圓的短缺。但隨著100mm晶圓供應(yīng)商現(xiàn)在開始提供同等或更好裸片質(zhì)量的150mm晶圓，以及不斷有新的晶圓供應(yīng)商加入市場(chǎng)，SiC晶圓短缺現(xiàn)象已經(jīng)開始得到緩解。

安森美于2017年進(jìn)入SiC器件供應(yīng)商市場(chǎng)，技術(shù)來自2016年末收購(gòu)的飛兆(Fairchild)半導(dǎo)體。作為一家相對(duì)較新的SiC器件供應(yīng)商，安森美從一開始就使用150mm晶圓生產(chǎn)，其核心策略是認(rèn)證多個(gè)供應(yīng)商，再重點(diǎn)收購(gòu)那些能夠提供最高裸片成品率晶體的供應(yīng)商，以確保SiC晶圓供應(yīng)。同時(shí)，安森美還制定了內(nèi)部SiC晶體成長(zhǎng)計(jì)劃，目標(biāo)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(duì)于保證供應(yīng)(尤其是汽車客戶)和提供最低成本的SiC制造基礎(chǔ)設(shè)施極為關(guān)鍵。

汽車，重塑SiC市場(chǎng)的關(guān)鍵

SiC最初的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在光伏儲(chǔ)能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器UPS電源和智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。以一款5KW LLC DC/DC轉(zhuǎn)換器為例，其電源控制板在采用Si IGBT(硅絕緣柵雙極型晶體管)時(shí)，重量7kg，體積8,775cc；而當(dāng)采用SiC MOSFET之后，重量銳減至0.9kg，體積減小到1,350cc。這得益于SiC MOSFET的芯片面積僅為Si-IGBT的1/4，并且其高頻特性使損耗相比Si-IGBT下降了63%。

但人們很快發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機(jī)械(更小尺寸)和熱性質(zhì)(更高溫度的運(yùn)行)也非常適合制造很多大功率汽車電子器件,例如車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。尤其是特斯拉(Tesla)在其Model 3主驅(qū)逆變器中采用了SiC器件之后，示范效應(yīng)被迅速放大，使xEV汽車市場(chǎng)很快成為SiC市場(chǎng)興奮的源泉。

著名的電動(dòng)方程式賽車(Formula-E)中也用到了SiC技術(shù)。從2016年第三賽季開始，羅姆開始贊助Venturi車隊(duì)，并在賽車中使用IGBT+SiC SBD組合取代傳統(tǒng)200kW逆變器中的IGBT+Si FRD方案，相比之下，使用SiC方案后，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(dāng)2017年第四賽季采用SiC MOS＋SiC SBD后，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汽車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+Si FRD方案為主，但考慮到未來電動(dòng)汽車需要更長(zhǎng)的行駛里程，更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，采用SiC MOS器件將是大勢(shì)所趨，時(shí)間節(jié)點(diǎn)大約在2021年左右。此外，車用OBC和DCDC應(yīng)用，也已經(jīng)先后在2017/2018年迎來重大革新，分別由SiC SBD轉(zhuǎn)向SiC SBD＋SiC MOS和從Si MOS演變?yōu)镾iC MOS。同時(shí)，采用SiC SBD＋SiC MOS方案的無線充電和采用SiC MOS方案的大功率DCDC正在研發(fā)中。

SiC在汽車應(yīng)用中的趨勢(shì)

“將SiC逆變器用于電動(dòng)汽車所帶來的經(jīng)濟(jì)收益是顯而易見的。”水原德健說，通過SiC可以提高3%-5%的逆變器效率，降低電池成本/容量，并且SiC MOS有很大機(jī)會(huì)被率先引入高檔車中，因?yàn)槠潆姵厝萘扛蟆?/p>

但Bret Zahn提醒業(yè)界說，在開發(fā)SiC時(shí)，晶圓制造、封裝/測(cè)試、應(yīng)用測(cè)試和最終合格檢驗(yàn)等開發(fā)鏈中的一切都必須重新考慮。例如，被認(rèn)為在xEV市場(chǎng)最具吸引力的大裸片低導(dǎo)通電阻Rdson器件已被認(rèn)定是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于SiC不同的屬性和小得多的裸片尺寸，業(yè)界需要再次重新考慮許多熱機(jī)械應(yīng)力問題，也需重新設(shè)計(jì)互連技術(shù)，以獲得更高的電流密度和更低的電感。此外，在xEV市場(chǎng)，為了充分利用SiC所有的優(yōu)勢(shì)，還必須強(qiáng)化伙伴關(guān)系，加強(qiáng)客戶溝通，以創(chuàng)建高度定制的系統(tǒng)方案。  

分立器件 VS 功率模組

和IGBT一樣，對(duì)于SiC，業(yè)界也普遍希望模塊扮演關(guān)鍵角色。但是全SiC模塊將采用什么形式？盡管一些制造商采用了標(biāo)準(zhǔn)硅封裝，但大多數(shù)制造商已經(jīng)開發(fā)出自己的SiC模塊，例如特斯拉通過與ST、Boschman合作開發(fā)，已經(jīng)成功打造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SiC模塊設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈，相關(guān)器件由意法半導(dǎo)體完成制造。

Bret Zahn說光伏和xEV市場(chǎng)在SiC使用方面的發(fā)展路徑很有趣。過去兩年，光伏市場(chǎng)經(jīng)歷了IGBT/SiC混合升壓模塊的加速推出，并在2019年開始邁向全SiC模塊。也就是說，光伏市場(chǎng)選擇的是一條從IGBT到混合IGBT/SiC，再到全SiC的路徑。

但xEV市場(chǎng)有些不同，它們繞過了混合方案，直接向全SiC模塊發(fā)展。這里有兩個(gè)原因：第一，相比IGBT/SiC混合方案，xEV供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)使用全SiC模塊逆變器能夠以更低的系統(tǒng)成本為xEV市場(chǎng)提供更好的性能；第二，競(jìng)爭(zhēng)因素也在起作用，許多xEV供應(yīng)商在看到同行采用全SiC系統(tǒng)方案后獲得了更好的行駛里程后，意識(shí)到他們也必須這樣做，否則就會(huì)被市場(chǎng)迅速淘汰。

降低價(jià)格的最快方法

SiC領(lǐng)域的專業(yè)人士對(duì)SiC器件往往是 “又愛又恨”。一方面，SiC器件具有高壓、高頻和高效率的優(yōu)勢(shì)，在縮小體積的同時(shí)提高了效率，給市場(chǎng)帶來的機(jī)遇也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于挑戰(zhàn)。但另一方面，SiC在制造和應(yīng)用方面又面臨很高的技術(shù)要求，如何降低使用門檻成為業(yè)界熱議的話題。

ST總裁兼首席技術(shù)官Jean-Marc Chery認(rèn)為業(yè)界需要在短期內(nèi)應(yīng)對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：一個(gè)是供應(yīng)鏈，另一個(gè)是成本。原材料供應(yīng)商和設(shè)備供應(yīng)商需要在數(shù)量上調(diào)整供應(yīng)鏈，并采取相關(guān)措施來推動(dòng)、證明在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域采用SiC是節(jié)能的。同時(shí)，與硅相比，盡管碳化硅在擊穿場(chǎng)強(qiáng)、禁帶寬度、電子飽和速度、熔點(diǎn)以及熱導(dǎo)率方面都更具優(yōu)勢(shì)，但堅(jiān)硬的材質(zhì)和復(fù)雜的制造工藝流程大幅提高了成本，相關(guān)企業(yè)必須要在縮小器件、增加晶圓尺寸、降低材料成本、優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)等方面下功夫。

但即便如此，“單個(gè)SiC器件的成本還是會(huì)高于傳統(tǒng)Si器件”。不過，Chery說ST強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)成本的最終節(jié)省。例如，在電動(dòng)汽車中，SiC器件可能會(huì)額外增加300美元的前期成本，但總體而言，由于電池成本、電動(dòng)汽車空間和冷卻成本的降低，卻節(jié)省了2000美元的系統(tǒng)成本。

Bret Zahn對(duì)此持同樣的觀點(diǎn)，原因也基本類似，主要源于SiC能夠提供更高的能效，延長(zhǎng)電池使用壽命，減少熱量，并且有助于減少汽車電源管理系統(tǒng)的尺寸和重量，從而帶來更遠(yuǎn)的行駛里程。雖然目前在器件級(jí)SiC價(jià)格仍然比Si IGBT貴，但是這些優(yōu)點(diǎn)節(jié)省了系統(tǒng)級(jí)成本，這對(duì)xEV市場(chǎng)極具吸引力。

安森美方面認(rèn)定垂直整合是實(shí)現(xiàn)SiC與IGBT成本平價(jià)(cost parity)的最快方法。除了垂直整合從晶棒生長(zhǎng)到成品(包括裸片、分立器件和模塊)用于工業(yè)和汽車市場(chǎng)外，構(gòu)建包括驅(qū)動(dòng)器、全系列分立二極管和MOSFET、定制和插入即用的模塊方案、先進(jìn)的SPICE模型和世界一流應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的SiC生態(tài)系統(tǒng)亦非常關(guān)鍵，這能夠幫助用戶加速定制設(shè)計(jì)和上市時(shí)間。

在英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部總監(jiān)馬國(guó)偉博士看來，SiC的價(jià)格問題一直很嚴(yán)峻，客戶永遠(yuǎn)希望價(jià)格越低越好。但作為一個(gè)新興技術(shù)，SiC自然也有新興技術(shù)所存在的普遍問題：產(chǎn)量小、穩(wěn)定度不夠、價(jià)格高。雖然大家都希望SiC技術(shù)可以普及，但是從新興技術(shù)發(fā)展到通用技術(shù)這個(gè)過程往往是十分漫長(zhǎng)的。

“IGBT從1990年發(fā)展至今，30年間經(jīng)歷了7代技術(shù)革新，晶圓尺寸從4英寸增加到12英寸，芯片厚度從300μm降低到60μm，最終成本降到了原先的五分之一。所以SiC技術(shù)也同樣需要時(shí)間來進(jìn)行技術(shù)上的打磨，從而降低成本。”馬國(guó)偉說。

下圖是羅姆給出的功率半導(dǎo)體器件使用場(chǎng)景總結(jié)。如果以開關(guān)頻率作為橫坐標(biāo)，輸出功率或電壓作為縱坐標(biāo)，那么SiC-MOSFET的應(yīng)用主要集中在相對(duì)高頻高壓的區(qū)域，Si-IGBT/Si-MOSFET/GaN HEMT則分別對(duì)應(yīng)高壓低頻、高頻低壓和超高頻低壓應(yīng)用。

功率半導(dǎo)體器件使用場(chǎng)景總結(jié)

因此，盡管非常看好碳化硅，但ST方面還是強(qiáng)調(diào)說，碳化硅并不會(huì)完全取代硅基IGBT或MOSFET，這些技術(shù)產(chǎn)品在開關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域。英飛凌大中華區(qū)副總裁于代輝則認(rèn)為SiC能在某個(gè)行業(yè)對(duì)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器件也不是萬金油，在接下來的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，Si與SiC器件都會(huì)長(zhǎng)期并存并共同發(fā)展。