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国内SiC产业加速出击

2020-03-16
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最近关于SiC的消息层出不穷,小小一片碳化硅,它背后是千亿级的大产业。每生产一辆电动汽车,至少要消耗一片碳化硅。碳化硅材料自身的优越性引得包括特斯拉、保时捷、比亚迪在内的全球车厂积极拥抱碳化硅。另外它还是5G的新材料,华为自去年也开始出手布局碳化硅。国内SiC企业开始了加速进击,上市公司天通股份、露笑科技、扬杰科技、三安光电纷纷涉足了碳化硅项目。

据Yole统计预测,SiC器件业务总额从2018年的4.2亿美元增长至2019年的5.64亿美元,最大的增长动力是电池、电动汽车,电力供应和太阳能也是强劲的市场。五年的复合年增长率接近30%,2020年仍有增长。但真正的增长,特别是汽车市场的增长,要晚一些。不是在2020年。


SiC在半导体中的好处


随着电子设备和逻辑板的市场进一步增长,传统硅的缺点日益凸显,为此设计师和制造商一直在寻找更好,更智能的方法来制造这些重要组件。碳化硅就是这样一个存在,由于碳化硅材料具有较大的禁带宽度以及优异的导热性能,相比传统硅技术,碳化硅技术可以兼得高频和高压这两个重要特性。而且相同规格的碳化硅芯片只有硅芯片十分之一大小,不仅如此,基于碳化硅技术的系统应用中,更少的散热需求和更小的被动元器件导致整个装置的体积也大大减小。

因此碳化硅功率半导体在普通硅半导体中脱颖而出,在电子电力、光电子以及微波通讯等领域均有着广阔的应用前景。

电力行业是SiC功率半导体的重要市场之一,特别是由于其在大功率应用场合中仍然有较低的功耗。以SiC为代表的第三代半导体具有禁带宽、热导率高,击穿场强高,饱和电子漂移速率高,化学性能稳定,硬度高,抗磨损,高键和高能量以及抗辐射等优点,可广泛用于制造高温,高频,高功率,抗辐射,大功率和高密集集成电子器件。

用SiC制造的组件包括二极管,各种晶体管类型(例如MOSFET,JFET和IGBT)和栅极截止晶闸管,通过使用这样的基本构建块,可以创建更小,更轻,效率极高的电源模块,用于将电源切换到负载或从负载切换电源以及进行转换。用SiC衬底开发的电力电子器件可用在输变电、风力发电、太阳能、混合动力汽车等电力电子领域,降低电力损失,减少发热量,高温工作,提高效率,增加可靠性。

早期用例,特斯拉已经将意法半导体的基于SiC MOSFET的功率模块集成到Model 3逆变器中。Model 3具有一个主逆变器,该逆变器需要24个电源模块,每个电源模块均基于两个碳化硅MOSFET管芯,每辆汽车总共有48个SiC MOSFET管芯。这些MOSFET由位于意大利卡塔尼亚的意法半导体晶圆厂制造。

早在2014年5月,丰田汽车宣布通过使用SiC功率半导体,将混合动力汽车的燃油效率提高10%(在日本国土交通省的JC08测试周期下),并减少了汽车的使用。与仅含Si功率半导体的当前PCU相比,功率控制单元(PCU)的尺寸缩小了80%。但由于SiC晶圆(基板)不足,丰田还未采用。

在光电子领域,SiC材料具有与GaN晶格失配小、热导率高、器件尺寸小、抗静电能力强、可靠性高等优点,是GaN系外延材料的理想衬底,由于其良好的热导率,解决了功率型GaN-LED器件的散热问题,特别适合制备大功率的半导体照明用LED,这样大大提高了出光效率,又能有效的降低能耗。

在微波通讯领域,SiC作为一种宽带隙的半导体材料,同时还具有较宽的工作频带,(0~400GHz),加之其优异的高温特性,高击穿电场,高热导率和电子饱和速率等特性,在微波通讯领域也占有一席之地。实现了通讯器件的高效能,高机动,高波段和小型化的,特别是在X波段以上的T/R组件,5G通讯基站中的应用备受关注。

业内人士指出,电动汽车行业是SiC应用前景最广阔的行业,SiC技术带来的电池使用效率显著提升以及电驱动装置重量和体积的缩小正是电动汽车技术最需要的。而就目前来看,工业电源行业是SiC普及和应用率较高的行业,使用碳化硅产品可以显著提升工业领域的电能利用效率。

那么碳化硅半导体有不利之处吗?就目前而言,成本是将SiC技术引入更广泛的电气和电力产品中的少数明显缺点之一。SiC半导体的价格可能是普通硅IGBT的五倍。但回顾过去十年,可以清晰的看到碳化硅市场一直在快速增长,这也得益于碳化硅材料端技术的发展,材料成本的不断降低。因此各大公司都在大力拥抱SiC半导体,国内企业和投资者也在大力推动SiC产业的发展。

国内SiC产业动作频频


在全国“大基金”的带动下,在过去的一年中,全国半导体总投资达到700多亿元,其中SiC材料相关项目涉及65亿。三安光电、中科钢研、天通股份、比亚迪等企业已经开始在SiC衬底片项目进行布局。据业内从业人士透露,近几年,国内的碳化硅市场增速非常快,在节能减排政策的大背景下,越来越多的国内客户开始使用碳化硅器件来替代传统硅器件方案,国内电源领域的标杆企业也都在大规模使用碳化硅器件。

为此,国内SiC产业阵容不断扩大。相比于硅技术,国内碳化硅技术的发展更令人欣慰,毕竟国内外碳化硅技术的起跑线是相对接近的。可以看到无论是前端的衬底和外延,还是后端的器件和模组,国内都涌现了一批优秀的甚至在全球市场都有一席之地的企业,整个产业链已经接近实现全国产替代。

在衬底领域,我国有山东天岳、天科合达、河北同光、世纪金光、中电集团2所等;外延片领域有东莞天域、瀚天天成、世纪金光;在SiC功率器件研发制造方面,国内IDM企业有杨杰电子、基本半导体、苏州能讯高能半导体、株洲中车时代、中电科55所、中电科13所、泰科天润、世纪金光,Fabless有上海瞻芯、瑞能半导体,Foundry有三安光电;在模组方面,有嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气。


进入2020年来,企业和投资者关于SiC的动作不断。3月12日,合肥市人民政府发布指出,世纪金光6英寸碳化硅项目落户合肥,大基金持股10.55%。合肥产投资本管理的语音基金作为领投方参与了世纪金光C轮融资。世纪金光成立于2010年,致力于第三代宽禁带半导体功能材料和功率器件研发与生产。近几年来,世纪金光创新性地解决了高纯碳化硅粉料提纯技术、6英寸碳化硅单晶制备技术、碳化硅SBD、MOSFET材料、结构及工艺设计技术等,已完成从碳化硅材料生产、功率元器件和模块制备到行业应用开发与解决方案提供等关键领域的全面布局,是国内第一家拥有SiC全产业链技术的半导体公司。

今年2月份,全国最大生产规模的碳化硅产业基地在山西正式投产。中国电科(山西)碳化硅材料产业基地一期项目共有300台设备。山西烁科晶体有限公司总经理李斌介绍:“该碳化硅产业基地一期的300台设备,一个月能生产1200块碳化硅单晶,单块的估值在10万元左右,1200块就是一个多亿。”这个1000亩的产业园将串联起山西转型综改示范区上下游十多个产业,带动山西半导体产业集群迅速发展,实现中国碳化硅的完全自主供应。

还有也是在2月,比亚迪公布旗下中大型轿车汉EV首次应用自研“高性能碳化硅MOSFET电机控制模块”,助其0-100km/h加速仅需3.9秒!这个成绩刷新了之前由全新唐DM创造的4.3秒纪录,让汉EV成为比亚迪量产车家族的新加速冠军。其电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造的高性能碳化硅MOSFET控制模块,碳化硅模块能够降低内阻,增加电控系统的过流能力,让电机将功率与扭矩发挥到极致,大幅提升了电机的性能表现。

再往前时间段,2019年11月26日,露笑科技与中科钢研、国宏中宇在北京签署了《中科钢研节能科技有限公司与国宏中宇科技发展有限公司与露笑科技股份有限公司碳化硅项目战略合作协议》。这次三方进行共同合作,重点依托中科钢研及国宏中宇在碳化硅晶体材料生长工艺技术方面已经取得的与持续产出的研发成果,结合露笑科技的真空晶体生长设备设计技术及丰富的装备制造技术与经验,共同研发适用于中科钢研工艺技术要求的4英寸、6英寸、8英寸乃至更大尺寸级别的碳化硅长晶设备,目前首批2台套升华法碳化硅长晶炉已经完成设备性能验收交付使用,经过优化后的碳化硅长晶炉设备将应用于国宏中宇主导的碳化硅产业化项目中。

2019年8月,华为旗下的哈勃科技投资有限公司投资了国内领先的第三代半导体材料公司山东天岳,持股达10%。山东天岳公司成立于 2011 年 12 月,公司自主开发了全新的高纯半绝缘衬底材料,目前量产产品以 4 英寸为主,此外其 4H 导电型碳化硅衬底材料产品主要有 2 英寸、3 英寸、4 英寸及 6 英寸。山东天岳还独立自主开发了 6 英寸 N 型碳化硅衬底材料。公司已经实现宽禁带半导体碳化硅材料产业化,技术水平达到国际领先。

另外,基本半导体用于电动汽车逆变器、对标特斯拉Model 3所采用器件的车规级全碳化硅MOSFET模块已完成工程样品开发,将联合国内主流车厂开展测试。

直面国内外SiC产业的优劣势


虽然我国在整个产业链上已有所布局,但不得不直面的事实是,目前全球碳化硅市场基本被国外企业垄断。其中,尤以美国、欧洲、日本为大。美国的科锐Cree居于领导地位,占全球SiC产量的70%-80%;欧洲则拥有完整 SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,代表公司为英飞凌、意法半导体等;日本更是设备和模块开发方面的绝对领先者,代表企业为罗姆半导体、三菱电机等。

他们为何能够占据绝大部分市场呢?主要是这些企业大都采用IDM模式,如科锐、罗姆和其他公司都在自己的工厂生产器件,并以自己的品牌销售,基本覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件设计与制造全产业链环节,可以更好的加强成本控制与工艺品控的改进。总体来看,IDM模型适用于SiC。

虽然IDMs将继续占据主导地位,但无晶圆厂和代工厂供应商也有发展空间。事实上,一些无晶圆厂的公司已经开始使用代工厂来生产产品。KLA的Raghunathan曾谈到:“无晶圆厂模式允许初创企业和较小的公司在没有重大工艺器件投资的情况下测试他们的产品。相反,传统的晶圆厂保留了成为主要客户选择的战略供应商的优势。这两种模式都在发挥各自的优势,服务于当前工业景观的多样化需求,寻求共存的方式。”

与国外大厂相比,国内的SiC起步相对较晚,目前与美欧日这些公司在部分环节还存在一定的差距。但从整体产业链来看,相比于世界一流技术,我们大约是处于其五年前的水平阶段,而且这个时间差正在逐渐缩小,部分技术环节甚至是齐头并进。

具体来看,在SiC衬底方面,国外主流产品已经完成从4寸向6寸的转化,并且已经成功研发8英寸SiC衬底片;而国内SiC衬底片市场现在以4英寸为主,6英寸目前还在研发过程中,产品的成品率相对较低。SiC器件成本高的一大原因就是衬底贵,目前,衬底成本大约是加工晶片的50%。SiC衬底不止贵,生产工艺还复杂,与硅相比,碳化硅很难处理、研磨和锯切,挑战非常大。所以大多数都是从科锐、罗姆或第三方供应商那里购买衬底。

在外延片方面,我国已经取得了可喜的成果。六英寸的碳化硅外延产品可以实现本土供应,建成或在建一批专用的碳化硅晶圆厂等。比如瑞能的碳化硅二极管产品以及产业链上游的碳化硅外延产品,早已在国外市场和全球顶部厂商直接竞争。

在SiC功率器件方面,目前国内SiC功率器件制造商所采用的衬底片大多数都是进口。国外600-1700V SiC SBD、MOSFET已经实现产业化,主要产品集中于1200V以下。国内600-3300V SiC SBD研发初见成效,目前也向产业化方向实施,同时1200V/50A的SiC MOSFET也研发成功,中车时代、世纪金光、全球能源互联网研究院、中电55所的6英寸SiC功率器件线已经启动。

结语


作为全球半导体应用最大的国家,我国已经意识到发展第三代宽禁带半导体产业的重要性。行业专家推测,在未来的5年的时间内,中国第三代半导体产业将会迎来一个“高潮期”。希望有更多的企业投入到碳化硅产业链的各个环节,同时希望行业内企业能沉下心来发展碳化硅技术,成熟的技术和可靠的产品才是产业化发展的重要基石。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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