罗姆解读SiC功率元器件市场动向,分享公司产品战略

日期:2019-07-16

作者:刘洪,PSDC主编


 
日前,全球知名半导体制造商罗姆(ROHM)在北京举办“SiC功率元器件市场动向和罗姆产品战略分享”媒体沙龙,该公司北京技术中心所长水原德建先生谈了他对碳化硅(SiC)技术和当前市场的看法,并详细介绍了罗姆在碳化硅技术研发的进展和成果。
 
碳化硅优势很多
水原德建首先介绍了碳化硅的特点及其优势。他说,碳化硅是以1:1的比例,用硅和碳生成的一种化合物。其质地坚硬,硬度达仅次于钻石。与现在市场上用得最多的硅相比,其在物理特性方面,击穿场强更强,这决定了其耐压更高,可以做成高压的产品;第二个好处是其熔点和硅相比更高,可以耐受更高温度,大约是硅的3倍以上;另外,其电子饱和速度更快,所以产品频率可以做的更高。
他补充道,其热传导性也很高,产品冷却更容易实现;禁带宽度更宽,这样可以使工作温度做的更好一些。在下图的五角中可以看到上述优势。
 
碳化硅与硅的物理特性比较
 
那么,为什么碳化硅的产品应用范围广泛?水原德建表示,以MOSFET为例,其最大的优势有两个:第一击穿场比较强,高压特性更好;第二,产品实现可以更简单,采用硅衬底的电压隔离区越宽,这个地方的内阻就会越大,也就导通电组,功率损耗会越多。如果用碳化硅,就可以把电压隔离区做的更薄些,内阻就更低了,降低了导通电阻,能量损耗会更少。碳化硅既可以做高压,又可以使它内部的特性做的更好,这是其两个最大的优势。也就是说,硅MOSFET转化成碳化硅MOSFET,性能上会越来越好。
 
硅MOSFET与碳化硅MOSFET的性能比较
 
接下来讲的是硅和碳化硅产品的组合。首先说硅,一个二极管,一个晶体管,MOSFET也包含在里面。二极管有肖特基、整流和快恢复等几种。如果用肖特基构造来做,大约只能做到250伏左右。再往上做基本都是整流或FRD,也就是快恢复。但如果用碳化硅,采用肖特基构造,就可以做到大约4000伏左右。
在晶体管部分,晶体管硅产品主要以Power MOSFET和IGBT为主。可以看到,MOSFET特性可以做到900伏左右,市场上也有1500伏左右的MOSFET产品,但是其特性会变差。用SiC来做,现在基本可以做到3300伏以上。
 
硅和碳化硅产品组合对比
 
硅的多子器件,即Power MOSFET或超级结MOSFET,超级结MOSFET的耐压特性虽然不是很强,但是开关损耗少,开关特性很好。如果用SiC来做,二极管可以是肖特基,三极管就是MOSFET。这样可以把整个IGBT的高压特性和超级结开关特性变成最好。
水原德建还分享了功率半导体器件的使用场景。在低频、高压的情况下用硅IGBT最好。如果频率稍高但是电压不是很高,功率不是很高,用硅的MOSFET最好。如果既高频又高压,SiC MOSFET最好。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下可以用氮化镓。
 
 
功率半导体器件的使用场景
 
与硅功率元器件相比,使用碳化硅产品有哪些好处呢?第一,导通电阻更低,可以使效率提高更多,把尺寸做的更小;可以做成高频,把里面的电感、电容都变小,整个模块也就可以变小;高温运行情况下,可以把冷却做的更好些,以前用很大的散热板,可以用水冷或很小的散热板、很薄的散热片来实现。最大优势是把芯片做小,实现小型化、薄型化。这也是电动汽车行业或工控行业使用碳化硅比较多的原因。
 
有利于实现小型化
 
水原德建举例说明了上述优势,一个5000W左右的DC/DC,原来用IGBT做,它的重量将近7公斤,体积大约8升。如果用SiC,重量可以降到原来的1/8左右。为什么?第一,芯片更小,功耗更低,下面散热板变小了,因为把频率提高了,整个周边器件,包括变压器、线圈都可以做的很小,它的体积降了很多,重量也降了很多。
 
采用SiC,DC/DC的体积和重量大幅下降
 
SiC的主要应用
水原德建认为,SiC在市场应用最多的是光伏,还有大数据,也就是服务器。接下来用的比较多的是EV车,家电也有一些应用。接下来用的比较多的是各种充电站和电源。因为现在碳化硅是1700V和1200V,主要以1200V为主,车载产品使用比较多,风能上用的比较少,因为风能需要3300V,随着SiC的电压做的越来越高,接下来风能也是很大的市场。还有一个很大的市场是铁路,需要3300、3600甚至5000V以上。
 
SiC市场应用
 
根据IHS的调查数据,第一个应用大户是新能源,新能源主要是在太阳能和EV充电或智能电网,今后增长潜力很大。接下来一部分是汽车,随着电动汽车越来越普及,现在是OBC和DCDC应用比较多,但今后主机上也会得到很多应用,可以看得到在2021年之后有很大的发展。接下来是基础建设,跟Power有关的增长会很多。罗姆保守预估,到2025年市场规模将达到约23亿美金。
因为市场上有这么大的需求,罗姆在碳化硅方面也在做很多努力,首先是加大投资,到2025年会累计投资850亿日币。2021年SiC的生产能力会达到2017年的6倍,2025年时会达到2017年的16倍。除SiC外,罗姆的驱动SiC的栅极驱动器的产能也会越来越高。
 
罗姆SiC产品阵容强大
 
水原德建与媒体交流
 
之后,水原德建与大家分享了罗姆的SiC产品阵容。他说,罗姆的SiC研发始于2000年,当时罗姆通过产学合作开始研发碳化硅产品,之后在2009年收购了德国的一家晶圆厂——SiCrystal公司,主要做碳化硅晶棒和碳化硅衬底。2010年,罗姆实现了SiC肖特基的量产,当时罗姆于日本国内首家实现了SiC肖特基的量产。2010年底,罗姆同时量产了SiC的MOS,当时是全球第一家量产。两年之后,2012年罗姆量产了SiC模块,罗姆也是全球第一家量产。到2015年,罗姆量产了沟槽型SiC MOS,仍是全球的第一家量产。现在罗姆的晶圆可以做到六英寸。
 
罗姆的六英寸SiC Trench MOSFET晶圆
 
在SiC制作工艺上,包括碳化硅柱、切片、晶圆,之后是各种光耦合,做成芯片,然后进行封装。从碳化硅原材料开始,一直到最后的封装组装,罗姆全部都是由自己公司一条龙来完成。
 
罗姆的一条龙生产
 
罗姆的SiC产品主要有三种,一是SiC肖特基,二是SiC MOS,三是SiC模块。罗姆的SiC肖特基现在是第二代和第三代,主要是650V和1200V产品,从5安培开始一直到40安培的产品都有。MOS也主要以第二代和第三代为主生产,主要是650V、1200V、1700V,如果用导通电阻来说,最小可以做到17毫欧,最大是大约一千毫欧,也就是说电流来说大约将近有100安,96安左右,这个大约是3-4安左右。然后是模块,主要是半桥方式,封装主要有市场用的比较多的C型、E型和G型,产品以1200V和1700V为主,电流主要是以80安培一直到600安培。通用的模块罗姆自己做,六合一的模块(汽车上用的)是和国内的模块厂一起合作。除此以外,罗姆还销售SiC芯片,主要是以650V-1700V为主,从600安培一直到50安培。
 
 
搭载罗姆SiC芯片的SiC MOSFET功率模块
 
晶圆越来越大,产品线越来越宽
最后,水原德建介绍了罗姆的产品发展路线。首先是SiC肖特基,第一是把晶圆做得越来越大,由原来的4英寸到现在的6英寸。在车规品方面,是把封装做得越来越多元化,比如贴片封装。MOS也是晶圆越做越大,把电流和电压做大,封装越来越丰富,比如市场现在比较多的是TO-247 3Pin,接下来罗姆会推出TO-247 4Pin,在工控领域可以更方便地使用。
现在SiC在汽车上的应用主要是OBC、电压转换器(DCDC)和主机。目前,OBC充电和DCDC用的已经很多,接下来主机这块市场也将越来越多,现在还是以IGBT为主,大约在2021年后预计会有很多SiC的主机驱动在市场上出现。
 
SiC在汽车上的应用
 
说到这里,水原德建又讲起了SiC的一个应用案例——Formula E。罗姆自2016年Formula E第三赛季开始与参赛车队Venturi(文图瑞)车队展开官方技术合作,提供SiC产品。在第二赛季时,文图瑞赛车的逆变器还是用传统IGBT模块,在第三赛季的时候罗姆参与进来,用的是IGBT加上SiC的肖特基,在第四赛季时用了罗姆的全SiC模块。可以看得到,相比第二赛季、第三赛季的逆变器整个重量减轻了两公斤,尺寸减少了19%,在第四赛季搭载全SiC之后,重量减轻了将近6公斤,尺寸减少了43%,相应的是它的功率变得更大了(220kW)。
 
SiC的应用案例——Formula E
 
最大优势是重量下来之后,赛车的行驶距离更长了。在第三赛季时,采用碳化硅的只有文图瑞一支车队。在当时的赛制下,还需要两辆赛车替换来完成比赛。换车的时候,液晶上面会显示车的电池还剩多少,当时除了文图瑞车队之外,其他车队一般都剩下百分之零点几,而文图瑞的赛车最后还剩下2%左右,这在市场上有了很大的反响,得到一个很大的认可。
水原德建表示,罗姆关注的主要市场是汽车、工控和海外市场。产品分别是电源产品、模拟产品以及各种标准产品。同时,罗姆一直在强化制造,建立能够长期稳定供货和对应需求变动的生产体制。
接下来,罗姆将以碳化硅为首的电源解决方案,发挥既有自己的晶圆又有自己的芯片的优势,提供更加丰富的解决方案。未来将通过增强自有工厂和封测代工建立万全的供给体制。在增强自身产能的同时,利用封测代工,对应需求的变动和风险。
www.rohm.com.cn
 
 

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