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罗姆的SiC新战略

2019-08-10
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碳化硅(SiC)是半导体界公认的“一种未来的材料”,它具有1X1共价键的硅和碳化合物,其莫氏硬度为13,仅次于钻石(15)和碳化硼(14),作为半导体材料,SiC具有优异的性能,特别是用于功率转换以及控制的功率元器件。同时SiC还具有低导通电阻、高速开关以及耐高温高压工作的特性。

根据数据显示,SiC行业还会进一步向前发展。人类正在尝试SiC技术,以应用于具体且具有发展前景的项目,因此它具有广泛的发展前景。


作为最早一批将SiC功率元器件量产化的厂商之一,罗姆与SiC有诸多“不得不说”的故事。近日,罗姆在深圳举办了一场SiC功率器件主题的媒体交流会。在此次见面会中,罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心经理苏勇锦为大家详细介绍了SiC,并将它与传统Si功率器件性能进行了对比,最后介绍了当前SiC市场的动向以及罗姆在该领域的产品布局和战略。


什么是SiC?


SiC到底是什么?为什么能够受到众多厂商包括罗姆这样的全球知名半导体厂商的青睐?


据了解,SiC是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中,专门的SiC衬底被开发出来,然后在晶圆厂中进行加工,得到基于SiC的功率半导体。许多基于SiC的功率半导体和竞争技术都是专用晶体管,它们可以在高电压下开关器件的电流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。


与Si材料特性相比,SiC产品的耐高压特性使得器件可以使用更薄的半导体层(约1/10),并且由于其漂移区阻值只有Si器件的1/300,所以它的导通损耗非常低,这样的好处就是sic材料具有更低的功耗。


与Si功率器件相比,以二极管(PN、SBD)和晶体管(IGBT、MOSFET)这两种功率器件为例,SiC在这种功率器件的优势特征如下。在二级管中,Si-FRD构造电压可以达到250V,而换成SiC电压则可达到4000V左右;晶体管中Si-MOSFET可以做到900V,市场上也有1500V的,但特性会差些,而SiC产品电压可达3300V。目前在超过600V电压的少子和多子器件中,SiC在导通电阻和开关速度上都有绝对优势。由于SiC材料具有更低的导通阻抗,更高的运行频率以及更耐高温。

苏勇锦总结道,使用SiC可以获得更低的阻抗,因此可以拥有更小的尺寸以及更高的效率;更高的运行频率,可以使被动元器件更小;能以更高温度运行,使冷却系统更简单。以目前光伏和车载电源系统中常用的5kW LLC DC/DC转换器为例,SiC芯片面积只有Si-IGBT的1/4左右,重量也只有其1/8左右,而损耗能降低63%。


SiC的市场前景


苏勇锦表示,SiC有着非常广阔的市场前景,从2014年还不到一百万美金的非常小的市场,到2019年已经接近800百万美金的市场,接下来还会有一个更快速的发展。


SiC在很多领域均可应用,开始用得比较多的是光伏,包括逆变器、光伏逆变器、服务器电源、UBS等这一类,这些产品对转换效率要求高。近年来,随着新能源汽车的发展,SiC在纯电动汽车和混动汽车上有很多应用,SiC器件能提高纯电动汽车或混合动力汽车功率转化性能,采用SiC功率器件可有效提高其驱动系统,获得更高的速度和效率。而随着市场发展,SiC在能源、基础设备,汽车、工业等设备领域也开始广泛应用。


为了应对SiC市场的不断扩大,罗姆针对这个市场做了很多布局。苏勇锦提到,罗姆在两年前就已经做好了增加SiC产能的布局,计划到2025年把SiC产能增加到2017年的16倍左右,这应该是一个比较大胆的投资。另外与SiC配套的栅极驱动器等都会增加产能,因为这是一整套的解决方案。


罗姆的发展战略


苏勇锦介绍道,其实远在2000年,罗姆就已经开始研究SiC,直到2009年收购了欧洲的SiC晶圆厂家SiCrystal,真正有了实质性的进展;2010年推出SiC功率模块,2015年率先推出沟槽型的SiC MOSFET。从2000年到2017年,近20年的时间里,ROHM所生产的SiC晶圆也从2英寸逐渐发展到了可量产6英寸产品(SiC-SBD)。可以说,罗姆的技术以及产品一直在引领整个SiC产业的发展。


不仅是产品与技术具有强大的竞争力,罗姆在SiC产业链上也具有较大的优势。从晶棒到晶圆,到封测,罗姆具备一条龙生产的能力,是全球仅有的几家拥有垂直整合生产体系的厂家之一。


罗姆的SiC分立器件产品阵容分为两大产品:肖特基二极管、MOSFET。肖特基二极管分为第二代和第三代,第二代总共650V,从6A到40a,1200V,5a到40A;第三代JBS构造的肖特基二极管,罗姆先研发650V的产品,从2A到20A,接下来会开发1200V的产品;MOSFET分为平面型的第二代、沟槽型第三代。


罗姆也是全球第一个做出来全SiC功率模块的厂家,苏勇锦称,罗姆有三个封装类型,C型、E型、G型,它的区别是封装尺寸大小,越大可以放的芯片越多,电流可以做更大。罗姆目前的产品主要集中在1200V,小的电流80A,大的电流600A。罗姆拥有做芯片的实力,不只是分立器件,还会给一些模组厂提供SiC晶圆,晶圆的产品基本上跟罗姆提供的分立器件差不多。MOSFET就比较多,650V的主要集中在第三代产品。


苏勇锦继续说道,罗姆的发展战略集中在汽车电子、工控设备,重点产品主要与电源相关,比如马达推动相关的IPM,模拟的IC等等,同时还有一些标准产品,另外还会重点发展海外市场,中国是全球最大的新能源汽车应用国。罗姆在中国有很多汽车客户,包括OEM厂家,Tier厂家等,很多汽车厂家都已经用上了罗姆SiC的器件。


在新能源汽车上,罗姆SiC产品应用在三个地方,一是车载充电器,也叫OBC,一个是降压转换器或叫车载的DCDC,另一个是车载主机逆变器也叫电控。


目前主驱以IGBT为主,SiC应用正在研发中,预计2021年之后可以走向市场。苏勇锦表示,第一是行驶里程的提高,这个最有效的方法是把电池包容量加大;第二个是缩短充电时间,这个最直接有效的方法是把充电桩功率做大,或者把OBC功率做大;第三个是更高电池电压,如现在传统国内电动汽车大概是在400V系统,欧洲推出来800V电池平台容积,提倡一个高压,把里面充电电缆和内部线材重量减轻,最终达到汽车减重,相同电池容量可以跑得更远。


在著名的电动方程式(Formula-E)赛车中也用到了SiC技术,罗姆从2016年的第三赛季开始赞助Venturi车队。在第三赛季使用了IGBT+SiC SBD后,与传统逆变器相比,重量降低2kg,尺寸减小19%,而2017年的第四赛季采用Si MOS+SiC SBD后,其重量降低6kg,尺寸减小43%。苏勇锦表示,SiC技术在赛车上的作用效果很明显,因此SiC的逆变器在未来三到五年会有一个比较爆发性的增长,尤其在电控市场上。


除SiC之外,隔离栅极驱动器(Gate Driver)也是一个很大的市场,目前市场使用光学式隔离驱动器的仍占80%,但根据罗姆调查,随着电动汽车的小型化要求不断提高,磁隔离式的比例将在2025年左右超过光学式。罗姆2016年首家开始量产单芯片集成温度监控、电源的磁隔离栅极驱动器,目前在车载磁隔离栅极驱动器IC市场占据80%以上份额,位居全球首位。预计到2021年罗姆的生产能力将提高5倍,到2025年预计提高15倍。


在通用元器件方面,罗姆以不断发展的车载市场为核心,凭借供给能力和可靠性,在全球确立并强化不可动摇的市场地位。在小信号分立半导体市场,通过实施提高车载对应的产能,构筑面向车载工业的“零缺陷”等事项,罗姆想要成为不可动摇的全球NO.1厂商,在电阻市场,用过更新设备、提高供给能力以及强化具有附加价值的特殊电阻产品的产能等事项,罗姆想要在车载以及工控市场成为世界NO.1。


为了成为世界顶尖的厂商,罗姆在不断进行生产强化,增加产能。自2017年到2021年,罗姆有阶段性的投资在SiC上,计划到2025年投资850亿日元。产能到2021年会提高6倍,到2025年将达到16倍。罗姆还在日本国内建了一座占地面积20000平方米的Apollo新工厂,主要为SiC器件提供晶圆,已于2019年4月动工,预计2021年投入使用。保持长期稳定的供给,是罗姆一直坚持的发展方针。


*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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