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新能源汽车、5G通讯等领域对功率半导体需求大增,与此同时对功率器件也提出了更高的要求,性能更优异的碳化硅器件迎来发展加速期。与传统解决方案相比,利用SiC的解决方案可使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密。

集微网消息,新能源汽车、5G通讯等领域对功率半导体需求大增,与此同时对功率器件也提出了更高的要求,性能更优异的碳化硅器件迎来发展加速期。与传统解决方案相比,利用SiC的解决方案可使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密。

随着SiC器件成本逐年降低以及应用领域的不断拓宽,SiC器件市场发展前景广阔,但目前碳化硅器件市场份额主要集中在海外厂商手上,其中Infineon、Rohm、ST和Cree这四家占据近9成市场份额。在当前国际环境背景下,国产替代已成必然趋势,谈到本土SiC半导体设计公司,有必要提及深圳市森国科科技股份有限公司(简称“森国科”)。

森国科成立于2013 年11 月,属于无晶圆半导体设计企业,专注于提供整体芯片与系统解决方案,为客户提供Turn-key服务,赋能上下游合作伙伴。自成立以来,先后推出了Vision-ADAS(高级辅助驾驶)、AI记录仪系列芯片,主要应用在汽车及消费性电子产业,布局碳化硅功率器件领域则是从2018年开始。虽然进入这个领域的时间较晚,但凭借创始人杨承晋25年集成电路产业经历以及团队在碳化硅领域的积累,森国科产品已经开始在市场暂露头角,目前推出了650V肖特基二极管系列产品。

SiC器件成第二个革命性的产品

由ADAS芯片业务到开拓碳化硅器件领域的背后,是森国科对市场和自身定位综合考虑的结果。森国科董事长兼总经理杨承晋认为:“目前新能源汽车的飞速发展,尤其是中国的新能源汽车产销量领先全球,对功率器件提出了更高的要求,从市场来看,第三代半导体SiC 器件及模块已经成为不二之选。”

CSA Research的报告表明,2019年,新能源汽车细分市场的SiC器件应用规模(含整车和充电设施)约为4.3亿元,2024年市场规模达到16.24亿元,年均复合增长率达到30.4%。目前SiC 器件绝大部分市场份额主要被美、日、欧的企业占据,不过,在进口替代成为必然趋势的大背景下,本土企业研发SiC器件并供应国内市场是主流趋势。

基于当前趋势和自身发展,杨承晋表示:“森国科耕耘汽车电子半导体多年,一直在思考如何避免成为‘一代拳王’的命运,结合森国科自身情况,我们认为需要尽快孵化第二个革命性的产品,经过主要股东及管理团队的谨慎评估,结合企业自身的能力,2018年我们决定直接跳过IGBT进入SiC器件设计领域。”据杨承晋分析,国内IGBT水平与国外仍存在较大差距,相比之下,SiC市场刚发展起来,国内外企业间的差距还没那么大,在国内如电源、新能源汽车等多个应用市场的需求带动下,SiC器件市场将迎来爆发。

据了解,碳化硅器件具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式,SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。森国科在碳化硅产品研发进展顺利,已推出了TO220, TO252, PDFN三种封装形式的650V肖特基二极管系列产品,且都通过了1000小时可靠性测试,可靠性达到了100%。森国科的肖特基二极管系列已经通过了下游客户的上机测试,部分客户开始进入中批量的采用。

产品的高可靠性与其产品定位有着密切的关系。“森国科主要对标Cree、ROHM、Infineon、ST等国际品牌,与目前国际最前沿的技术作为对标,才能更好地实现国产替代。”杨承晋认为,开发产品要选择当前顶尖企业的产品来对标。森国科已推出的650V肖特基二极管有一高三低的特点,即Bv值高,都超过了900V,而Vf、Ir、Qr的值很低,主要指标接近或超过国际品牌。

从2018年的“0”到今天的“1”,森国科的产品开发战略是其产品快速推出并导入客户的主要原因之一。杨承晋透露,在产品开发上,森国科把所有力量聚焦在一点上做突破,沉下去研究中国本地客户的需求,研究中国本地的应用市场,深度分析系统应用中各种不同的电路结构对于SiC器件的要求,进而结合低成本创新的设计思想,形成独特的SiC器件系列。

根据产品特性不同,森国科已经形成高Bv系列(或通用系列),标称650V的产品,实际测试都能超过900V,确保了在高耐压的应用场景的适用性;还有Low Vf系列,在保证Bv值符合要求的条件下,Vf都能做到低于1.3V,这个系列很适合电源类产品应用,比如矿机电源、PC服务器电源等;此外,森国科还有漏电低于1nA的产品系列,是全球最低漏电的SiC二极管,在追求低漏电的应用中,无出其右。

以技术创新实现降本提效

就产业化应用而言,除了关键技术指标外,企业考虑更多的是成本问题。目前SiC成本仍处高位,限制了其大规模产业化应用。杨承晋深知,降低成本,是推动产品广泛应用的重要方式之一。

对于如何降本提效,杨承晋表示:“在低成本设计创新方面,依托森国科自有特色工艺技术,在满足技术特性的要求下,尽可能用创新结构实现低成本创新;同时,将设计和工艺线紧密结合,重点考虑一致性和如何保证良率,森国科的二极管良率已经超过了97%。此外,与全球顶尖的代工厂和封测厂合作,这是质量的保证。”森国科采用X-FAB的6英寸线代工,选择华天科技作为SiC 功率器件封测代工,可以确保在控制成本的前提下获得高良率。

除了成本外,SiC器件技术壁垒高也是影响其产业化应用的关键因素,其技术壁垒主要体现在碳化硅MOS器件栅氧的可靠性上,由于碳化硅MOS器件承受上千伏的高压,导致碳化硅器件栅氧的电场接近了它所承受的极限,因此带来了器件可靠性问题,容易造成器件失效。

杨承晋认为,目前改变这种状况,提高器件可靠性的途径主要有两点:一是通过工艺改善,消除界面电荷,提升器件的可靠性;二是从器件结构的角度出发,通过屏蔽栅氧的办法,来提升器件的可靠性,但这需要进行理论的研究和工程的实验。突破的方向主要是钻研理论,建好模型做仿真,从改进器件结构的角度出发,改善器件的特性;同时,通过工艺改良,提升器件的电特性。

本土SiC器件要实现大规模产业化应用,固不可少要面临CREE等国外企业的竞争。杨承晋认为:“与国外企业竞争,在MOSFET的良率及各种差异化特性的需求方面面临着当前最大的挑战,不过这也是国内企业的机遇,唯有迎难而上,才能攀登世界一流水平的高峰。”森国科肖特基二极管已经达到国际水平,从成本、性能都可以实现进口替代,但在MOSFET方面,在时间节点上落后于国际大品牌,尤其是车规级方面,需要团队以时间换空间,迎头赶上。

对于未来发展,杨承晋坦言,森国科的目标是继续脚踏实地做好产品,成为一家优秀的碳化硅器件设计公司,做中国新能源汽车的功率半导体基石,推动新能源汽车产业的发展。基于这个目标,森国科计划2021年在肖特基二极管上形成覆盖650V、1200V、1700V所有电流的产品系列,同时,实现1200V的 MOSFET量产出货;到2022年MOSFET 覆盖不同客户对650V、1200V、3300V所有电流的需求;2023年形成SiC模块研发能力。


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