碳化矽(SiC)功率半導體市場潛力大

面對日益嚴苛的能效要求,節能減碳已成為現今電子產品不可忽略的重要環節;傳統以矽為材料的功率半導體,正逐漸面臨發展瓶頸,而具有比矽更低導通電阻及更高切換速度的碳化矽(SiC)功率器件以其優異的高耐壓、低損耗、高導熱率等優異性能,有效做到電力電子系統的高效率、小型化和輕量化。

碳化矽(SiC)功率器件的能量損耗只有矽(Si)器件的功率50%,發熱量也只有矽(Si)器件的50%;且有更高的電流密度。在相同功率等級下,碳化矽(SiC)功率模塊的體積顯著小於矽(Si)功率模塊,以智能功率模塊(Intelligent Power Module,IPM)為例,利用碳化矽(SiC)功率器件,其模塊體積可縮小至矽(Si)功率模塊的1/3~2/3。

碳化矽(SiC)功率器件前景亮麗,市場驅動力主要基於:

1. 太陽能的PV(光伏)逆變器
主要提高電源的轉換效率。

2. 新能源汽車(EV/HEV)
充一次電可以跑更長裡程是新能源汽車的一個重要賣點。

3. 開關電源
用於服務器、空調;效率會更高,節電可觀。

4. 重型電機、工業設備
主要是用在高頻電源的轉換器上,可以帶來高效率、大功率、高頻率的優勢。

美國 Cree公司早在2003年就率先推出碳化矽(SiC)產品,但當時市場上並沒有很大的反響。2010年以後,業界才開始對碳化矽(SiC)功率產品真正關心,一些廠家如Cree、Rohm、Infineon、ST、Microsemi陸續推出了相關產品。

國內對碳化矽(SiC)功率器件的研究始於20世紀末, 直到2014年,國內的碳化矽(SiC)二極管做到了量產化,但還沒有形成完整的產業,與國外的產業規模相比有很大差距。

目前,國內做到碳化矽(SiC)功率器件量產的只有泰科天潤半導體科技(北京)有限公司,其量產的肖特基二極管600~1700V系列各項指標均已達到國際先進水平。

2014年全球碳化矽(SiC)功率器件的市場規模為1.2億美元,相較矽功率器件的150億美元市場,碳化矽(SiC)功率器件市場還很小,還不到矽(Si)功率器件的10%。

根據市場分析公司預計,碳化矽(SiC)功率器件的市場未來將保持18%的年增長速度,到2020年時可望達到3億美元以上的產值(圖1),說明市場對這一器件的接受度正進入加速階段。

 
圖1: 2014-2020年碳化矽(SiC)功率器件市場產值
受制於製造成本和產品良率影響,目前阻礙碳化矽(SiC)功率器件大規模進入市場的主要原因是價格昂貴,一般是同類矽(Si)產品的5-6倍。

為了降低成本,需要二個方面的改進。

1.開發上,晶圓做得更大,晶圓越大,每個晶圓上可以取得的die/chip也就越多,浪費的地方也會越少;但這需時日攻克工藝難關。
碳化矽(SiC)材料較傳統矽材料硬度要大,晶圓尺寸進一步擴大時工藝技術目前還很難控制。現在SiC產品的晶圓尺寸只能做到6英寸;相較目前大部分矽(Si)功率器件都已經向12英寸晶圓遷移的進度,碳化矽(SiC)功率器件肯定有些落後了,而這也將限制其成本控制的步伐。

針對SiC材料硬度的優化已成為業界重要課題,就像當年真空管向矽材料的過渡一樣,任何一種新材料都要經歷 一個優化到成熟的過程,相信通過業界的努力,SiC材料將成為一種成熟的主流的功率器件材料。

2.提高工廠的生產效率,碳化矽(SiC)的生產時間很長,因為SiC是Si加上C,生產時間大約是普通Si的6倍。

預計在2017年左右,隨著碳化矽(SiC)產品良率的大幅度提升,其價格也將下降,那時碳化矽(SiC)功率器件可能會做到大規模應用。


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