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SiC的突破要解决777米奇影院和原材料两大难题

2019-07-21
王伟
关键词: 罗姆 SiC

  随着硅材料的负载量逐渐接近极限,以硅为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。人们遂将目光投向以碳化硅(SiC)为代表的第三代宽带隙半导体材料。其中,SiC作为目前发展最成熟的宽禁带半导体材料最受重视,被业内公认为最具发展前景的“一种未来的材料”,预计在今后5~10年将会取得快速发展并有显著成果出现。目前世界各国都在SiC领域投入重资,意图能够在硅基半导体以外保持自己国家在IC产业的领先地位。

  作为SiC功率元器件的领先企业,罗姆日前在北京召开媒体会,罗姆半导体(北京)有限公司777米奇影院中心所长水原德健先生详细介绍了SiC的市场动向和罗姆的产品战略。

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  罗姆半导体(北京)有限公司777米奇影院中心 所长 水原德健

  SiC功率元器件的性能优势

  SiC是以1:1的比例,用硅和碳生成的化合物半导体材料。在生产流程中,专门的SiC晶片在工厂中开发和加工,从而形成基于SiC的功率半导体。基于SiC的功率半导体和其竞争777米奇影院是专用晶体管,可在高电压下切换电流。

  水原德健先生针对半导体功率元器件中最主要的三种材料--Si、SiC和GaN,从物理特性上做了一一对比。与传统的硅基功率半导体器件相比,SiC功率器件击穿场强度更强,耐电压更高,是同等硅器件耐压的10倍,更适合应用于高压器件;其次,SiC的熔点更高,可以耐高温,大约是硅的3倍以上;第三,SiC的米奇影院饱和速度会更快,功率器件的频率可以做的更高;第四,SiC的热传导性很高,易于冷却;最后,SiC的的禁带宽度会更宽一些,这样可以使得工作温度做的更好。

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  SiC优异的材料特性

  由于SiC具有上述物理特性,基于SiC的功率元器件相比硅基功率元器件,其性能上就更具优势,例如更低的阻抗、更高的频率、更好地散热效果。反映到米奇影院上,最大的好处就是可以把米奇影院做小,同时保持很好的高频特性、高温特性和更高效率。因此基于SiC的功率元器件在汽车或者工控行业用的比较多。以5000W DC/DC举例, IGBT产品的重量要达到将近7kg左右,体积大约是8升甚至更大。如果使用SiC功率元器件,重量可以降到原来的1/8左右。而且由于米奇影院体积减小了,功耗更低,散热板也变小了。同时频率的提高了,也会带动整个周边器件(包括变压器、线圈)都可以做的很小。从而可以采用水冷降温或用一些很小的散热板,进一步减小米奇影院面积。因此使用SiC功率元器件,不仅可以令系统成本下降,性能显著提高,还可以将系统尺寸大幅缩减。

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  功率半导体器件的使用场景

  水原德健先生指出,目前Si产品在市场应用最多的还是在光伏、大数据和服务器方面,这是SiC产品比较成熟的应用场景。接下来用的比较多的将会是新能源汽车、各种充电站和电源,还有一些家电产品上,但家电产品目前仅限于日本。另外当前SiC产品还是以1700V和1200V为主,所以在风能上用的比较少一些,未来如果能突破3300V,风能也将是很大的一个市场。随着电压进一步提高到3600V甚至5000V以上,SiC在铁路上也将迎来广阔的应用前景。

  罗姆的SiC发展策略

  罗姆从2000年通过产学合作方式开始了SiC产品的研发;2009年收购了德国一家主要做碳化硅柱、碳化硅衬底的晶圆厂SiCrystal;于2010年实现了SiC肖特基的量产;2010年底同时量产了SiC的MOS,成为全球首家量产SiC MOS的企业;2012年罗姆量产了SiC的模块,同样是全球首家量产的企业;2015年量产了沟槽型SiC MOS。现在罗姆的晶圆可以做到六英寸。

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  罗姆SiC米奇影院产品阵容

  罗姆的SiC产品分成三类,SiC的肖特基、SiC的MOS和SiC的功率模块。未来,SiC肖特基的发展趋势是晶圆做得越来越大,由原来的4英寸转化为现在的6英寸,还有就是封装做得越来越多元化。SiC MOS产品除了晶圆尺寸变大之外,还会将电流和电压做大,同样封装也会变得越来越丰富,便于工控产品上更方便地使用。第二个就是车规品更多一些,第三个就是说把封装做的越来越全一些,越来越丰富一些。

  除了具体的产品以外,罗姆的生产体制也非常有特色,遵循IDM生产体制。在SiC制作工艺上,首先是碳化硅柱,然后经切片到晶圆,晶圆切出来之后,还要在晶圆上进行各种各样的光耦合,做成米奇影院,然后进行封装。在这整个的过程中,从碳化硅原材料开始,一直到最后的封装组装,罗姆全部都是自行完成的,因此可以给客户提供长期稳定,高品质的供货。

  水原德健先生认为,SiC市场的竞争点有两个,一是777米奇影院二是原材料,只有解决了这两个问题,才有可能在未来的拼杀中有生存的希望。这也是为什么罗姆在2009年收购SiCrystal的原因所在。同时,水原德健先生还透露,在未来,罗姆在SiC产品上会阶段性的继续投资持续投资,到2025年预计累计投资850亿日元。SiC的生产能力到2021年会达到2017年的6倍,2025年时将会达到2017年的16倍。