碳化硅器件的性价比会越来越高

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具有优异特性的“第三代半导体材料”碳化硅（SiC）相比传统硅材料，因具有良好的带隙、击穿场强、高热导率、高电子迁移率、高饱和电子漂移速度而被制为SiC MOSFET和SiC二极体，大面积应用于汽车和工业市场。



图：Si、GaAS、GaN和SiC半导体材料特性对比


同被称为第三代半导体材料的氮化镓（GaN）因其特性，多被用于650V以下的中低压功率器件及射频和光电领域，而碳化硅（SiC）则主要用在650V以上的高压功率器件领域。


利用碳化硅器件可以明显获得小型轻量，高能效和驱动力强的系统性能。经过研究和长期的市场认证，利用碳化硅材料的特性优势，不仅可以缩小模块的体积的50%以上，减少电子转换损耗80%以上，还可全面降低综合成本。

图：碳化硅功率半导体器件相较于硅基功率器件优势 （资料来源：赛迪智库）


据Yole称，碳化硅功率半导体市场预计将达到15亿美元，另据IHS数据，碳化硅市场总量在2025年将有望达到30亿美元这一规模。

图：SiC市场总量走势 （数据来源：Yole、IHS）


随着汽车和工业市场的不断增速，碳化硅市场“疯狂生长”。据悉，安森美半导体的市场份额增长极快，2019年成为了排名第五的碳化硅供应商，而这家厂商的愿景是在2025年跻身前三甲。


拥有多重优势的碳化硅产品

安森美半导体（ON Semiconductor）宽禁带产品线经理Brandon Becker告诉记者，安森美半导体在汽车和工业应用方面取得了许多成就。他强调，安森美半导体在全球电源行业中排名第二，因此与客户互动，使碳化硅(SiC)产品被广泛应用于广泛的领域，包括但不限于电动汽车、逆变器、充电器、可再生能源、涡轮机、铁路、医疗、建筑、电器、照明等。

图：安森美半导体宽禁带产品线经理Brandon Becker


他表示，取得如此优异的成就源于安森美半导体所具有的多重优势：首先，器件性能和质量均坚固耐用，并符合AECQ101规格；其次，安森美半导体的供应链是无与伦比的，从基板到封装或模块均为自产；第三，拥有才华横溢、多元化的开发团队，推动着SiC性能的极限。


据了解，安森美半导体提供大范围的SiC MOSFET和SiC二极体，并推出了多代技术的产品。我们的所有器件都符合汽车标准，因此工业市场真正能同时获得最佳品质的器件。


在二极管方面，安森美半导体自2016年开始，便发布了650V和1200V二极管产品组合，并在2019年7月首次发布1700V二极管产品组合。


在MOSFET方面，安森美半导体在2018年12月发布了初代1200V产品，650V/750V/1700V产品现均已提供样品，将在今年发布。


具体如下：
● 650 V SiC 二极管
● 1200 V SiC 二极管
● 1700 V SiC 二极管
● 650 V SiC MOSFET   (现提供样品，2020年发布)
● 750 V SiC MOSFET   (现提供样品，2020年发布)
● 900 V SiC MOSFET
● 1200 V SiC MOSFET
● 1700 V SiC MOSFET (现提供样品，2020年发布)


6英寸晶圆产能每年都在翻番

在过去碳化硅晶圆还停留在4英寸基板时，晶圆短缺和价格高昂一直是碳化硅之前难啃的“硬骨头”，目前市场已逐步从4英寸转向6英寸。 据Yole预测数据显示，在2017年4英寸导通型碳化硅晶圆市场就接近10万片，而6英寸碳化硅晶圆则只有1.5万片；在2020年4英寸碳化硅晶圆仍然保持原有水平，而6英寸晶圆市场需求已超过8万片，并将在2030年逐步超越4英寸晶圆。

图：导通型碳化硅晶圆市场预测（数据来源：Yole）


另外，拥有更高频率和高电阻的半绝缘碳化硅晶圆亦是如此。在2017年4英寸的需求量在4万片左右，而到2020年4英寸的需求量将保持不变，6英寸半绝缘衬底市场迅速提升到4-5万片。

图：半绝缘碳化硅晶圆市场预测（数据来源：Yole）


那么在晶圆产能方面，安森美半导体处在什么状态呢？Brandon Becker告诉记者，安森美半导体每年的产能都在翻番，以领先于客户的进度计划量。


如此产能下，价格必然可以快速下降，究其原因Brandon Becker坦言，主要在于三个关键点：(1)基板质量在提高，带来更好的芯片良率；(2)更多的基板供应商达到了生产质量；(3)客户的采用率在增加，推动了更高的产量。


值得一提的是，在2020年3月19日，安森美半导体与美商GT Advanced Technologies（GTAT）宣布执行一项为期五年、潜在价值5000万美元的协议。根据协议，GTAT 将为推动节能创新的全球领导者安森美半导体生产和供应 CrystX™ 碳化硅（SiC）材料[笔者注：GTAT专有的150mm（6英寸）SiC晶体]，用于高增长市场和应用。


另外，科锐（CREE）与安森美半导体也于去年8月签署多年协议，将向安森美半导体供应价值8500万美元的先进150mm（6英寸）碳化硅裸片和外延片。


在如此充足的材料和裸片的保障下，加之安森美半导体40余年的大批晶圆生产经验，不仅保证了充足的市场供应，也能够引领器件性价比的提升。


此前，安森美半导体低压金属氧化物半导体场效应晶体管高级董事兼总经理Bret Zahn曾表示，碳化硅市场下一步关键是实现IGBT成本平价。加速成本平价及更低的关键是完全垂直整合，因此，实现完全垂直整合也是安森美半导体的目标之一。


不过，虽说碳化硅的单器件成本的确高于传统硅器件，但从整体系统成本来说碳化硅仍然比硅器件更具“系统级”成本优势，这主要归功于碳化硅的高能效以及低发热下使用寿命的延长。


Bret Zahn强调，碳化硅已为许多汽车应用提供了“系统级”成本效益，一旦碳化硅可以在器件级实现与IGBT的成本平价，更高的效率结合更低的价格所带来的优势必然可以牵引电动汽车市场的应用。


不平的开局下目标仍然明确

这个不平凡的2020年，开局便迎来重大公共卫生事件。Brandon Becker表示，新冠病毒给全球市场带来了严峻的冲击，在这前所未有的时期，我们祝愿大家健康安全。


“对于安森美半导体来说，这是个真正的机会，因为当供应链和材料保证被重视时，我们有内部供应能力，这在行业内是独一无二的。因为许多其他竞争对手都依赖外部的代工或封装服务，其供应链有不确定性。此外，我们还通过电话会议与客户保持紧密联系合作，远程支持他们的设计需求。”


那么在这种考验下，安森美半导体在汽车和工业业务原定目标能否实现？Brandon Becker告诉记者，尽管新冠病毒大流行扰乱了市场，但我们的业务被认为是必不可少的，在全球范围内都在非常严格的准则下运营。目前，即使员工在早期遇到困难，大家仍致力于实现这些项目，所以仍然看到业务和发展目标得以实现。


碳化硅整体市场逐步发展至今，安森美半导体认为，整个市场格局将是汽车约占60%的市场总量，其他40%来自一些不同的工业领域。Brandon Becker强调，碳化硅的未来在于模块，并将离开分立器件。模块在功率密度、额定功率和热性能等方面实现了应用的最大差异化。


值得一提的是，安森美半导体在中国拥有庞大的业务网络，拥有汽车和工业的专门碳化硅团队。相信伴随市场的脚步和安森美半导体强大的开发团队和合作网络，碳化硅器件的性价比会越来越高，相信未来的汽车和工业市场也将更加繁茂。

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