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本文来源:第三代半导体联合创新孵化中心(ID:casazlkj )根据资料整理。


碳化硅(SiC)材料前景可观。随着SiC功率器件的成本下降,有望引领包括新能源汽车在内的诸多行业,在功率半导体使用上迎来大规模升级迭代,短期看与MOSFET、混合模块等器件的结合路径,在操作性和经济性角度存在一定优势,有望继续成为部分主机厂商未来2-3年的新选择、新需求。


碳化硅功率半导体近年来在能源转换应用中正在成为一个热门的话题:SiC功率半导体凭借其低功耗、长寿命、高频率、体积小、质量轻等优势,在EV、轨交、通信及光伏领域具备较强的替代潜力。

SiC处在爆发式增长的前期

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

▌SiC材料性能领先,全生命周期成本优势可期


据TexasInstruments的研究显示,SiC相对上两代材料具备高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高热导率等优势,更适用于高功率环境。以Model3为例,结合Microsemi的资料进行测算,在一定的成本降幅下,SiC器件系统成本经济性有望在未来3-4年实现。

SiC与Si相比,在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势,是材料端革命性的突破。

1)耐高压:SiC击穿场强是Si的10倍,这意味着同样电压等级的SiCMOS晶圆的外延层厚度只需要Si的十分之一,对应的漂移区阻抗大大降低,而且禁带宽度是Si的3倍,导电能力更强;

2)耐高温:SiC热导率及熔点非常高,是Si的2-3倍;

3)高频:SiC电子饱和速度是Si的2-3倍,能够实现10倍的工作频率。

▼SiC与Si相比具有优异的材料特性

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

▌SiC与功率器件加速融合,全球厂商加速布局

SiC-JBS二极管和MOSFET晶体管因其性能优越,成为目前应用最广泛、产业化成熟度最高的SiC功率器件;SiC(混合)模块成为当前较多厂商的应用选择。

根据IHS数据,2017年SiC器件市场,Cree占据了26%的市场份额,其次为罗姆(21%)和英飞凌(16%)。

SiC与功率器件:从二极管、晶体管到模块

SiC与功率器件主要的结合方式,包括二极管、晶体管和模块(混合模块)三大类。

(一)SiC功率二极管:主要包括肖特基二极管(SBD)、PIN二极管、结势垒控制肖特基二极管(JBS)三种类型。SiC-SBD的出现,帮助SBD的应用电压范围,从250V提高到1200V。在3kV以上的整流器应用领域,SiC-PiN和SiC-JBS较Si基整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度、更小的体积和更轻的重量,实际应用正不断增加。

(二)SiC晶体管:主要包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等,目前在车用领域,SiC-MOSFET已经在部分车型中开始商业化应用。

总体来看,SiCJBS二极管和MOSFET晶体管由于其性能优越,成为目前应用最广泛、产业化成熟度最高的SiC功率器件。

(三)SiC(混合)模块:随着由Si-IGBT芯片和Si-FWD芯片组成的IGBT模块在追求低耗的道路上走向理论极限,而具有耐热性和耐高压击穿能力的SiC器件成本仍较高,混合型SiC模块(Si-IGBT+SiC-SBD)被认为是综合器件性能和材料成本的折衷优化选择。

为进一步提升SiC功率器件的电流容量,通常采用模块封装的方法把多个芯片进行并联集成封装。

SiC功率模块率先从由IGBT-Si基芯片和SiCJBS二极管芯片组成的混合功率模块产品发展而来。

SiC混合模块采用大芯片面积、大电流等级的Si-IGBT作为主器件,小芯片面积、小电流等级的SiC-MOSFET作为辅助器件。

二者并联实现小电流时由SiC-MOSFET导通,此时SiC-MOSFET极低的导通电阻可以有效减少导通功耗;大电流时由IGBT导通,此时IGBT大电流下导通压降小的优势也可以减少导通损耗。

▼SiC混合模块结构原理图

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

随着SiC-MOSFET器件的成熟,Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司,相继开发了由SiC-JBS二极管和SiC-MOSFET组成的全SiC功率模块。

目前,SiC功率模块产品最高电压等级为3300V,最大电流700A,最高工作温度为175℃。

在研发领域,SiC功率模块最大电流容量达到1200A,最高工作温度达到250℃,并采用芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来提高模块性能。

性能优势显著,功耗与体积改善明显

SiC的功率器件如SiCMOS,相比于Si基的IGBT,其导通电阻可以做的更低,体现在产品上面,就是尺寸降低,从而缩小体积,并且开关速度快,功耗相比于传统功率器件要大大降低。

在电动车领域,电池重量大且价值量高,如果在SIC器件的使用中可以降低功耗,减小体积,那么在电池的安排上就更游刃有余;同时在高压直流充电桩中应用SIC会使得充电时间大大缩短,带来的巨大社会效益。

▼SiC MOS相比Si功率器件的对比

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

根据Cree提供的测算:将纯电动车BEV逆变器中的功率组件改成SiC时,大概可以减少整车功耗5%-10%;这样可以提升续航能力,或者减少动力电池成本。

总结来说,SiC器件具备的多种优势将带动电动车续航能力的提升:

• 高电能转换效率:SiC属于宽能隙材料,击穿场强度大比Si基半导体材料更适用在高功率的应用场景;

• 高电能利用效率:SiC属于宽能隙材料,击穿场强度大比Si基半导体材料更适用在高功率的应用场景;

• 低无效热耗:开关频率高,速度快,所产生无效的热耗减少,使电路、散热系统得以简化。


与传统Si-IGBT器件对比,混合SiC器件的IGBT导通损耗可以减少55%,二极管关断损耗可以减少95%,将该混合器件运用到铁路牵引系统,预计将减少30%的功率损耗。

工作损耗的降低以及工作温度的上升使得集成度更高,因此相比于相同电流大小的SiIGBT器件,混合SiC器件体积可以减小30%左右。

▼混合SiC器件和传统Si器件性能对比(一)

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▼混合SiC器件和传统Si器件性能对比(二)

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

▼SiC混合模块与IGBT(Si基)模块对比

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点


▌高功率场景前景光明,产业化在即

据IHS数据,2023年全球SiC器件需求有望达16.44亿美元,2017-2023年复合增速约为26.6%;下游主要应用场景包含EV、快充桩、UPS电源(通信)、光伏、轨交以及航天军工等领域,其中电动车行业有望迎来快速爆发(CAGR81.4%),通信、光伏等市场空间较大。伴随SiC器件成本下降,全生命周期成本性能优势有望不断放大,潜在替代空间巨大。

目前SiC功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用。

如电动汽车车载充电机与电驱系统、直流充电桩(快充桩)、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域,可替代部分硅基MOSFET与IGBT。

▼从功率和频率角度选取功率半导体器件

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功率半导体行业发展趋势

功率半导体用于所有电力电子领域,市场成熟稳定且增速缓慢。行业发展主要依靠新兴领域如新能源汽车、可再生能源发电、变频家电等带来的巨大需求缺口。

行业发展趋势一:不需要追赶摩尔定律,倚重制程工艺、封装设计和新材料迭代,整体趋向集成化、模块化

功率半导体整体进步靠制程工艺、封装设计和新材料迭代。

设计环节:功率半导体电路结构简单,不需要像数字逻辑芯片在架构、IP、指令集、设计流程、软件工具等投入大量资本。

制造环节:因不需要追赶摩尔定律,产线对先进设备依赖度不高,整体资本支出较小。

封装环节:可分为分立器件封装和模块封装,由于功率器件对可靠性要求非常高,需采用特殊设计和材料,后道加工价值量占比达35%以上,远高于普通数字逻辑芯片的10%。

提升性能和降低成本推动晶片向集成化、小型化发展。根据Omdia预测,2020-2024年分立器件市场增速为2.2%,而功率模块市场增速为5.4%。

新兴市场使中高端产品如IGBT和功率MOSFET需求变大。

根据WSTS数据统计,全球功率MOSFET增速为7.6%,IGBT为8.9%。

目前,根据在研项目和产品布局看,国内企业开始向价值量更高的中高端产品转型。

行业发展趋势二:新能源与5G通信推动第三代半导体兴起

新能源、5G等新兴应用加速第三代半导体材料产业化需求,我国市场空间巨大且有望在该领域快速缩短和海外龙头差距。

①天时:第三代材料在高功率、高频率应用场景具有取代硅材潜力,行业整体处于产业化起步阶段。

②地利:受下游新能源车、5G、快充等新兴市场需求以及潜在的硅材替换市场驱动,目前深入研究和产业化方向以SiC和GaN为主,国内市场空间巨大。

③人和:第三代半导体核心难点在材料制备,其他环节可实现国产化程度非常高,加持国家在政策和资金方面大力支持。

该行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高,中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。

行业发展趋势三:IDM模式更适合功率半导体行业,代工可以提供产能、工艺技术补充

海外功率半导体龙头企业都采用IDM模式,国内功率半导体行业商业模式以IDM为主,设计+代工为辅。

目前,国内IDM企业(如士兰微)和代工企业(如中芯绍兴)都在积极扩充产能和升级产线,从4/6寸升级到6/8寸甚至更高,整体追赶国际主流水平。

产能扩充可以认为公司技术储备和产品性能已经达到国际同类产品水平,后续通过开拓客户和抢占市场份额实现营收增长。

IDM与代工并行符合国内行业格局现状,双模式运行并不冲突,有效利用我国产能资源,实现优势互补。

IDM模式可以提高产品毛利并建立技术壁垒。

我国特色工艺和封装技术处于国际先进水平,工艺技术和产能部署完善。功

率半导体企业与代工企业长期合作,可以实现产能补充和获得工艺技术支持。

市场:龙头扩产,拉低器件价格

目前制约SiC功率器件大规模应用的核心原因依然是成本,主要源于低效的晶体生长过程。

传统硅晶圆制作是将多晶硅在1500℃左右融化后,将籽晶放入其中边匀速旋转边向上提拉形成约2m的硅锭,再进行切割、倒角、抛光、蚀刻、退火等步骤形成晶圆。

而SiC晶锭的制作相比Si则低效很多,普遍采用PVT法,将固态SiC加热至2500℃升华后再在温度稍低的高质量SiC籽晶上重新结晶,核心难点在于:

1)加热温度高达2500℃,且SiC生长速度很慢(<1mm/h);

2)生长出的晶锭尺寸远远短于Si;

3)对籽晶要求很高,需要具备高质量、与所需晶体直径一致等特点;

4)SiC晶锭硬度较高,加工及抛光难度大;

基于SiC衬底,普遍采用化学气相沉积技术(CVD)获得高质量外延层,随后在外延层上进行功率器件的制造。

由于SiC衬底晶圆相比Si具有更高的缺陷密度,会进一步干扰外延层生长,外延层本身也会产生结晶缺陷,影响后续器件性能。

▼SiC晶圆外延层生长

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

另一方面,SiC晶圆的尺寸迭代与Si相比仍处于较为早期的阶段。

目前Cree、ST等主流厂商都已经量产6英寸的晶圆,并同步进行8英寸的研发,计划最早于2022年量产8英寸晶圆。

单片8英寸晶圆芯片产量可达到6寸的1.8倍,但同时也面临着缺陷密度变高等难题。

据专业人士分析,2022年有望成为SiC价格下降的关键转折点,因为主流豪华品牌开始量产采用SiC方案的车型,这将大幅提升Cree等衬底厂商8英寸线的产能利用率,到2025年SiC器件价格有望下降到当前水平的1/4-1/3,结合电池成本的节省,SiC的经济性和性能优势将充分显现。

▼CreeSiC晶圆的迭代历史

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

从产业链分工的角度来看,目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC衬底→外延→器件→模块垂直供应的体系。

而Infineon、Bosch、OnSemi等厂商则购买SiC衬底,随后自行进行外延生长并制作器件及模块。

Infineon在收购Wolfspeed失败后,做出战略调整,认为衬底研发高风险、高投入、耗时久,希望在保持低CAPEX的同时提高衬底的利用效率,因此收购德国Siltectra,借助其ColdSplit技术有效降低每片SiC衬底晶圆的厚度,芯片产量至少提升一倍。

国内厂商在SiC领域还处于相对落后的阶段,在衬底端,天科合达(TankeBlue)、山东天岳(SICC)合计出货量仅有2%,中车时代6英寸SiC器件生产线于2018年2月通线,器件和模组端逐步向商业化推进。

SiC产业链分为三大环节:上游的SiC晶片和外延→中间的功率器件的制造(包含经典的IC设计→制造→封装三个小环节)→下游工控、新能源车、光伏风电等应用。

目前上游的晶片基本被美国CREE和II-VI等美国厂商垄断;国内方面,SiC晶片商山东天岳和天科合达已经能供应2英寸~6英寸的单晶衬底,且营收都达到了一定的规模(今年均会超过2亿元RMB);SiC外延片:厦门瀚天天成与东莞天域可生产2英寸~6英寸SiC外延片。


▼大陆第三代半导体SiC产业链分布图

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

▼国际及中国台湾第三代半导体SiC产业链分布图

2022年有望成SiC价格下降的关键转折点

目前,美、欧、日厂商在全球碳化硅产业中较为领先,其中美国厂商占据主导地位。随着中美贸易战的不断升级,半导体芯片领域成为了中美必争之地,伴随着中兴、华为事件,国家越来越重视芯片,高端装备等领域的国产化。此外,SiC材料和器件在军工国防领域的重要作用,也越来越突出。SiC外延设备在推动产业链国产化过程中,意义尤为重大。



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