【導(dǎo)讀】受限于價格過高等因素，迄今為止各種SiC功率器件產(chǎn)品系列的實際應(yīng)用都很少。隨著降低環(huán)境負荷的要求日益提高，傳統(tǒng)Si材料功率器件的局限性越來越突出。新一代材料SiC功率器件具有體積小、高效率、高耐溫等優(yōu)點，受到越來越多的重視，研發(fā)生產(chǎn)日益活躍。然而，SiC器件何時才會實現(xiàn)大規(guī)模商用，成為業(yè)界關(guān)注的焦點。
SiC覆蓋功率器件各系產(chǎn)品
隨著企業(yè)加大開發(fā)力度，SiC大體覆蓋功率器件各主要產(chǎn)品系列。
采用SiC材料是功率器件行業(yè)主要技術(shù)趨勢之一。以前功率器件基本以Si為材料，在人們對機電產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保要求不斷提高的情況下，Si材料的節(jié)能能力已經(jīng)接近極限，越來越多企業(yè)開始把注意力放到SiC材料的開發(fā)上。
“就一般的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻而言，存在著由Si材料性質(zhì)決定的性能極限。降低導(dǎo)通電阻的余地已經(jīng)所剩無幾。為了從使用Si的功率半導(dǎo)體手中接過接力棒，新一代功率器件的開發(fā)正在展開。”清華-羅姆聯(lián)合研究中心研究員吳海雷告訴記者。三菱電機董事技術(shù)總監(jiān)Gourab Majumdar博士也指出，SiC功率器件有四大優(yōu)點：第一，工作溫度范圍比較大，可在高溫下工作；第二，低阻抗、耐高破壞性；第三，可高頻工作；第四，散熱性好。因此自2001年由德國英飛凌公司率先投產(chǎn)SiC肖特基勢壘二極管(SBD)之后，越來越多企業(yè)致力于SiC功率器件的生產(chǎn)和開發(fā)。
近日飛兆半導(dǎo)體就向外界宣布推出該公司首款SiC雙極結(jié)型晶體管(BJT)功率器件，該產(chǎn)品可實現(xiàn)1200V功率轉(zhuǎn)換開關(guān)，額定工作溫度可達175℃，并實現(xiàn)穩(wěn)定持久的Vbe正向電壓和反向阻隔能力。而羅姆從2010年開始批量生產(chǎn)SiC-SBD，與以往的Si-FRD(快速恢復(fù)二極管)相比，大幅縮短反向恢復(fù)時間，因此恢復(fù)損耗可以降低至原來的1/3。本屆高交會上，羅姆又進一步展出性能升級的第二代SiC-SBD，具有原來的短反向恢復(fù)時間,同時降低正向電壓。在SiC-MOSFET方面，2010年12月羅姆在世界上首次以定制品形式量產(chǎn)SiC-MOSFET；2012年7月份開始量產(chǎn)1200V耐壓的第二代SiC-MOSFET。三菱電機也重視SiC功率器件的開發(fā)，于2010年在世界上首先開發(fā)成功完全采用SiC、搭載驅(qū)動電路和保護電路的SiC智能功率模塊(IPM)。
可以這樣說，隨著各個國際大型功率器件公司的不斷推進，目前SiC已大體覆蓋了功率器件中的主要產(chǎn)品系列。
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2015年有望大規(guī)模商用
隨著產(chǎn)品價格降低，市場真正發(fā)力的時點大約在2015年。
盡管SiC功率器件不斷被開發(fā)并推向市場，然而到目前為止其市場規(guī)模并不大，應(yīng)用范圍并不廣。根據(jù)市調(diào)機構(gòu)IMS Research的數(shù)據(jù)，2012年全球SiC功率器件市場只有1億美元左右，且大部分的應(yīng)用集中于電源供應(yīng)器上。
對此，飛兆半導(dǎo)體亞太區(qū)市場營銷副總裁藍建銅指出：“SiC應(yīng)用市場發(fā)展緩慢的主要原因是價格過高。目前，SiC功率器件的價格比Si器件貴10倍以上。造成價格高企的主要原因是SiC器件的制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)能上不去，良品率低。目前SiC芯片基本是在4英寸晶圓上生產(chǎn)，一片4英寸晶圓只能切幾十顆裸片。”
因此，只有擴大產(chǎn)量，解決良品率問題，使產(chǎn)品銷售價格降低，才有望啟動市場的應(yīng)用需求。而根據(jù)藍建銅的預(yù)測，市場真正發(fā)力的時點大約是在2015年。“預(yù)計制造工藝在未來2～3年內(nèi)會有大幅改進，提高良品率，降低產(chǎn)品價格。此外，2～3年后SiC器件有可能過渡到6英寸晶圓上生產(chǎn)，未來更可能過渡到8英寸晶圓。”在此情況下，預(yù)計2015年SiC功率器件的價格有望下降到2012年價格的一半左右，從而有望大幅提高其在市場上的應(yīng)用比率。
IMS Research的預(yù)測數(shù)據(jù)也印證了這一點，2105年預(yù)計整體SiC功率器件市場規(guī)模有望接近5億美元，2021年將超過20億美元，提高20倍。其中增長最快的應(yīng)用市場可能是UPS與電動汽車，工業(yè)驅(qū)動器、PV逆變器次之。
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在系統(tǒng)成本上下工夫
僅比價格，SiC很難體現(xiàn)優(yōu)勢，要從系統(tǒng)成本上做文章。
既然SiC仍是半導(dǎo)體業(yè)界中比較新的一個課題，存在著成本、良品率等多方面的問題，抑制市場需求，企業(yè)自然不能被動等待價格的下降。那么，如何才能有效擴大SiC的市場應(yīng)用，為未來的極速發(fā)展占據(jù)有利位置呢？
“如果僅比較價格，就SiC單品而言，其優(yōu)勢是很難體現(xiàn)出來的，即使未來幾年中價格下降，也不可能降到與Si器件價格相當?shù)牡夭剑虼似髽I(yè)在進行產(chǎn)品開發(fā)與市場推廣時，要從系統(tǒng)成本的降低上做文章。比如考慮減少系統(tǒng)中電感器、散熱片、輸出電容器的用量，增加輸出功率同時保持系統(tǒng)外形尺寸不變，實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)上的簡便，進而縮短上市時間等。”藍建銅指出。
在相對高端的市場上尋找突破口，打開應(yīng)用空間也非常必要。吳海雷認為，因為具有低功耗、高耐壓、高耐溫、高可靠性等優(yōu)點，SiC功率器件在相對價格不敏感的電動汽車/混合動力車等需要進行功率轉(zhuǎn)換的逆變器、轉(zhuǎn)換器、PFC電路等領(lǐng)域，以及太陽能、風能等新能源中的整流器、逆變器等領(lǐng)域，有更大的應(yīng)用機會。“基于SiC技術(shù)的MOS管可以做到1100V的耐壓，完全可以滿足汽車、新能源中大部分應(yīng)用的需求。電動汽車、混合動力汽車領(lǐng)域，是SiC可以發(fā)揮的領(lǐng)域。”吳海雷指出。
此外，將SiC功率器件制成模組，既可形成更高的附加價值，也更加有利于推廣。Gourab Majumdar指出，碳化硅的功率器件用在系統(tǒng)上有很多好處，功率的密度可以更高，體積可以更小，更加耐高電壓，設(shè)計容易，總體來講可以提高功率半導(dǎo)體的效率，運用的領(lǐng)域可以更加廣泛、更為方便。藍建銅告訴記者，飛兆推出的SiC-BJT目前裸片、器件和模塊都可接受客戶預(yù)訂，且已開發(fā)出一個針對汽車用逆變器的模組方案，可以提供300A電流，包括6顆50A、1200V的SiC-BJT器件與6顆50A的SiC整流器。羅姆半導(dǎo)體認為未來SiC功率器件將在電動汽車中扮演重要角色，特別是當把它做成模組后。羅姆已批量生產(chǎn)SiC二極管和SiC-MOSFET，并于2012年3月開始批量生產(chǎn)內(nèi)置上述兩種元器件的功率模塊。
