【導(dǎo)讀】隨著半導(dǎo)體材料步入第三代半導(dǎo)體時(shí)代，行業(yè)巨頭在SiC/GaN器件和模塊上早已布局多年。事實(shí)上，從特性上來講，SiC和GaN的優(yōu)勢(shì)是互補(bǔ)的，應(yīng)用覆蓋了電動(dòng)汽車(EV)、新能源、光伏逆變器、智能電器、醫(yī)療、通信射頻。
不過從細(xì)微差別來說，GaN（氮化鎵）晶體管適合于高效率、高頻率、高功率密度要求的應(yīng)用場(chǎng)合；碳化硅(SiC)由于熱導(dǎo)率是GaN的三倍以上，因此在高溫應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，因此多用于1200V以上高溫大電力領(lǐng)域。
GaN作為后進(jìn)者，由于器件水平發(fā)展歷史原因，主要還是在消費(fèi)和射頻領(lǐng)域；而SiC則是極限功率器件的理想材料。
SiC這種寬緊帶材料相比硅來說，擁有10倍的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)、2倍電子飽和速度、3倍能帶隙、3倍熱導(dǎo)率。
這意味著，SiC器件可以獲得明顯的小型化、高能效、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)的系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)顯示，SiC的總市場(chǎng)容量(TAM)按終端市場(chǎng)顯示，到2022年將超過10億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)35%。
SiC應(yīng)用十幾年了，現(xiàn)在這個(gè)第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀如何了？21ic中國(guó)電子網(wǎng)記者連線了安森美半導(dǎo)體電源方案部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理王利民，講述安森美半導(dǎo)體在SiC上的故事。
聚焦三大領(lǐng)域
縱觀半導(dǎo)體全球市場(chǎng)，安森美半導(dǎo)體位列前20大集成器件制造商，尤其是在功率半導(dǎo)體這一細(xì)分領(lǐng)域，通過一系列收購(gòu)目前已成為全球第二大半導(dǎo)體分立和模塊供應(yīng)商。
王利民表示，安森美半導(dǎo)體的愿景是未來5年收入超過100億美元，成為全球前十大的整合元器件廠商(IDM)。通過數(shù)據(jù)和排名，足以見得安森美半導(dǎo)體的實(shí)力。
王利民為記者介紹表示，在SiC方面，安森美半導(dǎo)體目前主要聚焦于電動(dòng)汽車、可再生能源、5G和通信電源上。
1 電動(dòng)汽車（EV）：
安森美半導(dǎo)體認(rèn)為電動(dòng)汽車是未來幾年SiC的主要驅(qū)動(dòng)力，約占總市場(chǎng)容量的60%。通過SiC這項(xiàng)技術(shù)，每年可增加多達(dá)750美元的電池續(xù)航力。
而安森美半導(dǎo)體所布局的包括電動(dòng)汽車本身的主驅(qū)逆變器(Traction Inverter)、車載充電器(OBC)、DC/DC和電動(dòng)汽車充電樁兩大方面。
● 前者，應(yīng)用SiC器件的電動(dòng)汽車可大幅提高效率，增強(qiáng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力；
● 后者，消費(fèi)者關(guān)注主要在直流快充上，而直流快充充電樁需憑借大充電功率和效率實(shí)現(xiàn)。
2 可再生能源：
在太陽(yáng)能逆變器領(lǐng)域，SiC二極管使用量非常巨大。數(shù)字顯示，如今已安裝307 GW，至2025年將安裝超過500 GW的太陽(yáng)能逆變器，預(yù)計(jì)10-15年將會(huì)有15%的能源來自太陽(yáng)能。
SiC半導(dǎo)體可應(yīng)用于太能能逆變器的Boost，并隨著逆變器成本優(yōu)化。王利民強(qiáng)調(diào)，行業(yè)已有不少?gòu)S家開始使用SiC MOSFET作為主逆變的器件替換過去的三電平控制復(fù)雜電路。
3 5G和通信電源：
眾所周知5G元年開啟，帶動(dòng)了整個(gè)AIoT的發(fā)展，也是一個(gè)很大的市場(chǎng)。傳統(tǒng)的開關(guān)電源在Boost和高壓電源上，對(duì)功率密度一直有著持之以恒的追求，從最早通信電源的金標(biāo)、銀標(biāo)，到現(xiàn)在5G通信電源、云數(shù)據(jù)中心電源，對(duì)電源的能效要求越來越高。SiC器件沒有反向恢復(fù)，使得電源能效可以達(dá)到98%。
擁有三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)
產(chǎn)品方面，安森美半導(dǎo)體提供大范圍的SiC MOSFET和SiC二極管，并推出多代產(chǎn)品。
● SiC二極管方面，包括650/1200V/1700V二極管產(chǎn)品組合；
● SiC MOSFET則擁有650/750/900/1200/1700V產(chǎn)品。
那么，這些產(chǎn)品擁有哪些特性？王利民為記者介紹表示，安森美半導(dǎo)體的SiC產(chǎn)品方案具備領(lǐng)先的可靠性、高性價(jià)比、滿足汽車規(guī)范這三個(gè)重要特性：
1 領(lǐng)先的可靠性
在H3TRB測(cè)試（高溫度/濕度/高偏置電壓）里，安森美半導(dǎo)體的SiC二極管可以通過1000小時(shí)的可靠性測(cè)試。實(shí)際測(cè)試中，還會(huì)延長(zhǎng)到2000小時(shí)，大幅領(lǐng)先于市場(chǎng)的可靠性水平，對(duì)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有著明顯的優(yōu)勢(shì)。
王利民強(qiáng)調(diào)，事實(shí)上，安森美半導(dǎo)體曾經(jīng)是JEDEC可靠性委員會(huì)的成員，寬禁帶可靠性標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)現(xiàn)已并入JEDEC標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，安森美半導(dǎo)體正是可靠性標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的專家之一。
2 高性價(jià)比
通過對(duì)比SiC MOSFET、Si MOSFET、Si IGBT，不難發(fā)現(xiàn)在同樣達(dá)到1200V擊穿電壓情況下，硅器件的面積甚至相差100倍，硅基IGBT開關(guān)損耗相差10倍。實(shí)際上，在替換過程中，硅器件性能還要差很多。
對(duì)于SiC，業(yè)界很多人都對(duì)會(huì)被其高昂的單器件價(jià)格“勸退”。然而事實(shí)上，業(yè)界越來越講求整體方案性能，通過計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，同樣的電源如果替換成SiC方案，其體積、功率密度和整體的BOM都會(huì)得到優(yōu)化。
許多系統(tǒng)工程師也逐漸認(rèn)識(shí)到減少尺寸和冷卻要求的重要性，在同樣的能源和硬件成本下，他們希望擁有更多的器件以及更廣泛的應(yīng)用設(shè)備，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項(xiàng)。
之前，也多次強(qiáng)調(diào)，“系統(tǒng)級(jí)”成本效益這一概念，且不說在整體上的成本優(yōu)化， SiC的低發(fā)熱的壽命延長(zhǎng)事實(shí)上也是降低成本的一環(huán)。
3 車規(guī)級(jí)
眾所周知，汽車對(duì)于電源是一大考驗(yàn)，不僅要求非常高的穩(wěn)定性，對(duì)溫度和參數(shù)上也要求嚴(yán)格。
安森美半導(dǎo)體的MOSFET涵蓋了市面上所有主流的SiC MOSFET，包括20mΩ、40mΩ、80mΩ、160mΩ，TO247封裝，TO247的4條腿以及D2PARK的7條腿封裝，并且所有的產(chǎn)品都提供工業(yè)規(guī)范和汽車規(guī)范。值得一提的是，900V的SiC MOSFET擁有20mΩ、60mΩ這種市面的主流規(guī)格。
事實(shí)上，需要沖擊電流也是SiC二極管的一個(gè)痛點(diǎn)，這是因?yàn)椋瑧?yīng)用中無論是Boost還是PFC都需要扛住浪涌電流。
針對(duì)這一點(diǎn)，安森美半導(dǎo)體的SiC則擁有一處貼心的設(shè)計(jì)，以1200V 15A的碳化硅二極管為例，在毫秒級(jí)安森美半導(dǎo)體的碳化硅二極管有10倍的過濾，在微秒級(jí)有50倍的過濾。
另外，行業(yè)內(nèi)很多SiC二極管并不提供雪崩的量，以安森美半導(dǎo)體的1200V 15A SiC二極管為例，雪崩電流接近200A(3500A/c㎡)。
SiC的未來
遠(yuǎn)觀功率半導(dǎo)體的發(fā)展歷史，
● 從第一階段的整流管、晶閘管，
● 第二階段的GTO和BJT，
● 第三階段的IGBT，
● 第四階段的功率集成電路PIC和智能功率集成電路SPIC。
分立器件逐漸從單一器件轉(zhuǎn)向集成化。但在不斷迭代過程中，市場(chǎng)并沒有吞并單一器件的市場(chǎng)，而是兩者并存。
SiC亦是如此，從特性來說，模塊在功率密度、額定功率和熱性能實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的最大差異化，這是SiC發(fā)展的未來。
而從王利民的觀點(diǎn)來看，SiC整個(gè)市場(chǎng)則一直是分立器件和模塊兩者共存的市場(chǎng)。他表示，電動(dòng)汽車領(lǐng)域SiC MOSFET或二極管市場(chǎng)容量確實(shí)是以模塊為主，之所以叫模塊是因?yàn)楫a(chǎn)品是SiC分立器件和成品封裝到模塊之中，同時(shí)也是一個(gè)單管的分立器件的成品。
他強(qiáng)調(diào)，未來很多客戶也在看向模塊，將SiC的晶圓集中到模塊中。“我們認(rèn)為，模塊絕對(duì)是SiC器件的一個(gè)重要方向。”但需要注意的是，模塊設(shè)計(jì)主要集中在比較大的功率上，比如幾十千瓦或幾百千瓦級(jí)別的車載逆變器。
實(shí)際上，碳化硅器件還有很多的應(yīng)用領(lǐng)域，除了電動(dòng)汽車以外，還有電動(dòng)汽車上OBC和DC-DC。“通過市場(chǎng)得知，目前幾乎所有的設(shè)計(jì)都以單管為主，因此在汽車領(lǐng)域，我們可以認(rèn)為一大半的趨勢(shì)是模塊，一小半是單管。”
而非汽車領(lǐng)域，諸如太陽(yáng)能逆變器、5G及通信電源、電動(dòng)汽車充電樁，按照市場(chǎng)上來看還沒有客戶采用模塊化的方案，基本都是單管方案。按照數(shù)量，市場(chǎng)是以單管為主，按照金額，或許更多市場(chǎng)將會(huì)是模塊方向。
“當(dāng)然，安森美半導(dǎo)體既提供分立器件也提供模塊化產(chǎn)品，對(duì)于我們來說，SiC的器件一直都是我們的重點(diǎn)關(guān)注”，王利民如是說。
晶圓方面，王利民告訴記者，目前市面上4英寸和6英寸的SiC晶圓幾乎占據(jù)市場(chǎng)100%，這是因?yàn)?英寸SiC晶圓仍然是太過于超前的技術(shù)概念，幾乎所有廠商都無法處理超薄的超大SiC晶圓進(jìn)行批量生產(chǎn)。
當(dāng)然，在4英寸和6英寸產(chǎn)能上，此前安森美半導(dǎo)體寬禁帶產(chǎn)品線經(jīng)理Brandon Becker告訴記者，安森美半導(dǎo)體每年的產(chǎn)能都在翻番，以領(lǐng)先于客戶的進(jìn)度計(jì)劃量。
談及SiC的發(fā)展時(shí)，王利民表示，汽車的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)未來的模塊增長(zhǎng)，而其中最大的增長(zhǎng)還是會(huì)在主驅(qū)模塊的市場(chǎng)上。
值得一提的是，安森美半導(dǎo)體是提供全生態(tài)的，包括提供器件、解決方案、仿真模型以及軟件設(shè)計(jì)等整個(gè)一系列的碳化硅生態(tài)。而據(jù)王利民的介紹，安森美半導(dǎo)體還會(huì)持續(xù)地、大幅地在碳化硅領(lǐng)域進(jìn)行投入和生態(tài)的建立。
文章來源：21中國(guó)電子網(wǎng)
作者：付斌
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