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摘要: 编者荐语:赛迪智库集成电路研究所副所长朱邵歆接受采访。碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表,凭借更高的转换效率、运行高压及开关频率,颇受功率器件青睐。据市场研究机构Yole预测,碳化硅半导体市场规模将在20 ...


编者荐语:

赛迪智库集成电路研究所副所长朱邵歆接受采访。

碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表,凭借更高的转换效率、运行高压及开关频率,颇受功率器件青睐。据市场研究机构Yole预测,碳化硅半导体市场规模将在2024年达到20亿美元。当前,我国正在推进5G、数据中心、新能源汽车等多个领域的“新基建”,为碳化硅提供了广阔的市场前景。


“新基建”带来新市场


与硅材料相比,碳化硅能达到更高的运行电压、更高的功率密度和更大的开关频率,使器件实现更高的转换效率和更好的散热性能。赛迪智库集成电路研究所副所长朱邵歆向记者表示,碳化硅材料具有耐高压、耐高温、损耗小、开关速度快等特性,制作成的SBD二极管和MOSFET开关管相比硅材料制成的FRD二极管和MOSFET开关管性能更优,在光伏逆变器、新能源汽车、充电桩、变频家电领域已实现规模应用,具有非常强的推广前景。


新基建关注数字化基础设施,将有力支持高新技术的创新发展,为碳化硅带来广阔的市场机遇。


泰科天润董事长陈彤向记者表示,新基建关注的信息基础设施多为用电大户,对用电的需求量和质量提出了更高的要求。而用电结构的优化,包括用电分配利用环节的高低压转换、交直流转换、变频转换等,都依托于功率半导体作为底层技术。碳化硅作为新一代半导体材料,具备更高的用电转换效率,将更有效率地面对新基建的用电需求。


“碳化硅提升了用电转换的效率和质量。相比硅,碳化硅在用电效率上能提升两到三个百分点,可靠性更高,而且器件的体积重量更小,将在用电结构优化中起到更大作用。”陈彤说。


具体来说,新基建涉及的5G、数据中心、新能源汽车等产业,都是碳化硅的目标市场。


英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源向记者指出,5G小基站对电源有着工作温度范围宽(-45℃~80℃)、高可靠性、高密度需求。相比硅器件,碳化硅器件散热系数更高,更适用于5G小基站的部署。


朱邵歆表示,新基建关注的特高压、新能源汽车充电桩、数据中心等都为碳化硅带来发展机遇。特别是数据中心对能耗的要求持续提升,更有可能在电源中规模使用碳化硅器件。数据中心使用的高端电源很可能成为碳化硅的下一个增量市场。


瀚天天成总经理冯淦向记者表示,碳化硅在大功率电力电子器件具有优势,新基建关注的大部分项目都与碳化硅的布局方向有关,对碳化硅产业是一个利好。尤其在新能源汽车以及充电桩领域,碳化硅的增长速度可观,碳化硅从业者非常看重新能源汽车对碳化硅产业的带动作用。


辩证看待碳化硅的“贵”


相比硅,碳化硅在大功率电子电力器件有着更优的物理特性。但是,碳化硅晶圆成本较高,性价比不如硅,这在一定程度上制约了碳化硅的市场发展。对此,相关企业负责人表示,要辩证看待碳化硅的成本和发展潜力。




冯淦表示,碳化硅的成本要从三个层次来看。在材料层面,碳化硅的晶圆和外延片,确实比硅要贵,甚至贵出100倍。但是在器件层面,同等规格的碳化硅器件与硅器件相比,单个管芯的价格可能只有三到五倍的差距。这是因为一个晶圆上面,碳化硅尺寸上可以做得很小,平均每个器件的成本就会降低。


“随着良率的提升,一个晶圆上可以切割出来的碳化硅器件会更多。近几年,碳化硅器件的成本有希望控制到和硅器件有竞争力的水平,甚至比硅器件还要便宜。”冯淦说。同时,在系统层面,也就是逆变器、电源、电动汽车等终端应用方面,使用碳化硅器件可以降低电容、电感、冷却等系统性成本,并实现更好的性能。


陈彤表示,碳化硅成本要进一步下探,需要足够大的消费市场。硅已经有了30年到50年的发展过程,而碳化硅在2010年左右才走向民用市场,已经有了几十亿元的市场规模,发展速度不算慢。


“上游供应商扩产,把成本摊下来,对于下游的终端应用才更有吸引力;同时,下游市场的应用规模足够大,买单足够多,上游供应商才能扩产;这是一个‘鸡生蛋、蛋生鸡’的问题,也是一个循序渐进的过程。”陈彤说。


中国企业应做好细分市场


碳化硅产业链主要分为上游衬底、中游外延、下游器件。目前我国企业在碳化硅的上、中、下游都有布局,但市占率与Cree等国际龙头企业还存在差距。


Cree作为碳化硅的先行者,在衬底、外延、器件都具有绝对优势。冯淦指出,Cree的优势源于先发优势和持续的技术投入。一方面,Cree是最早做碳化硅的企业之一,聚集、培育了碳化硅产业的第一批人才;另一方面,作为第一批从事碳化硅产业化经营的企业,Cree能够获得收益,支持对前沿技术的持续性资金投入,形成了技术优势。


碳化硅本身的产业特点,也增加了后发企业挑战Cree领先地位的难度。冯淦表示,碳化硅面向的终端领域是大功率电力电子器件,注重产品的可靠性和安全性,具有技术门槛较高、认证周期较长的特点。这意味着终端企业更换供货商要面临产品的重新认证,难度较大。


但是,碳化硅目前还处在市场部署的早期阶段,国内国际企业都尚未步入大规模的量产商用。陈彤表示,对于后发的功率半导体企业,要用已经成熟的技术工艺去追赶更有技术积淀的先发企业,难度较大。后发企业要成长,必须有一个新旧技术迭代的窗口期。


“碳化硅是一个新的产业机会,给了中国功率半导体企业参与国际竞争的机会。在新技术出现的时候,我们的反应要快。”陈彤说。


我国企业该如何抓住碳化硅的发展机遇?朱邵歆表示,国内企业需要锤炼内功,以国内客户的真实需求为前提,打磨产品和技术,不能僵硬地单一对标国外的发展路径,更不能在没有明确客户的情况下,过早扩充产能。


“提升客户需要的性能指标比直接扩充产线更加重要和紧迫。”朱邵歆说。


在发展模式上,冯淦认为,国内企业不要盲目追求Cree涉猎产业链所有环节的发展模式,这种模式不一定适合当前碳化硅的发展阶段。衬底企业应专注衬底,外延企业专注于外延,器件企业专注于器件,将更有利于形成竞争优势。


“将产业链做长的发展模式只适合市场早期。专注在自己的细分领域,将规模做大,成本才会下降,竞争力才会提升。”冯淦说。


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