【導(dǎo)讀】在過去的兩三年里，晶圓供應(yīng)短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級(jí)玩家已經(jīng)意識(shí)到必須擴(kuò)大投資，以支持供應(yīng)鏈建設(shè)，而以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商就是SiC市場(chǎng)的一支重要力量。
碳化硅(SiC)作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們?cè)谔栂祫傉Q生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以其又被稱為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。
Yole預(yù)計(jì)，未來5年內(nèi)，將有數(shù)十億美元投資于晶體和晶圓制造以及設(shè)備加工，SiC功率器件將很快占據(jù)整個(gè)功率器件市場(chǎng)的30%。到2027年，其市場(chǎng)潛力將達(dá)到60億美元，高于2021年的約10億美元。
但在過去的兩三年里，晶圓供應(yīng)短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級(jí)玩家已經(jīng)意識(shí)到必須擴(kuò)大投資，以支持供應(yīng)鏈建設(shè)，而以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商就是SiC市場(chǎng)的一支重要力量。
10年，25倍產(chǎn)能提升
羅姆公司從2000年就開始進(jìn)行SiC MOSFET的基礎(chǔ)研究，并在2009年收購(gòu)德國(guó)SiC晶圓材料廠商SiCrystal，從而擁有了從晶棒生產(chǎn)、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合的制造工藝。其里程碑事件包括2010年全球首發(fā)SiC SBD(肖特基二極管)/MOS并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、2012年全SiC模塊量產(chǎn)、2015年溝槽型SiC MOS量產(chǎn)、2017年6英寸SiC SBD量產(chǎn)、以及在2021年發(fā)布了第4代溝槽SiC MOSFET，并有望在今年實(shí)現(xiàn)8英寸SiC襯底的量產(chǎn)和明年推出全SiC牽引功率模塊。
在中國(guó)國(guó)內(nèi)，羅姆近兩年內(nèi)也與大量客戶展開了合作，包括2020年與緯湃科技、臻驅(qū)科技合作開發(fā)碳化硅電源解決方案；2021年與吉利簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，與正海集團(tuán)成立碳化硅功率模塊合資公司海姆希科；2022年，Lucid公司OBC應(yīng)用了羅姆的SiC MOSFET。同年，羅姆的SiC MOSFET也通過了賽米控公司的認(rèn)證，應(yīng)用在其eMPack?模塊中。
市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2013年羅姆在全球SiC市場(chǎng)的份額為12%，到2018年已增長(zhǎng)至23%。面對(duì)市場(chǎng)對(duì)SiC產(chǎn)品急速增長(zhǎng)的需求，羅姆制定了積極的產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，準(zhǔn)備在2021-2025年為SiC業(yè)務(wù)投入1700-2200億日元，這一計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)將依托于羅姆位于宮崎的兩個(gè)基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預(yù)計(jì)2025年SiC產(chǎn)能將提升6倍，到2030年提升25倍。
SiC最初的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在光伏儲(chǔ)能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器UPS電源和智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但人們很快發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機(jī)械(更小尺寸)和熱性質(zhì)(更高溫度的運(yùn)行)也非常適合制造很多大功率汽車電子器件,例如車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。尤其是部分汽車廠商采用了SiC器件之后，使xEV汽車市場(chǎng)很快成為SiC市場(chǎng)興奮的源泉。
下圖展示了功率半導(dǎo)體器件的使用場(chǎng)景。如果以開關(guān)頻率作為橫坐標(biāo)，輸出功率或電壓作為縱坐標(biāo)，那么SiC-MOSFET的應(yīng)用主要集中在相對(duì)高頻高壓的區(qū)域，Si-IGBT/Si-MOSFET/GaN HEMT則分別對(duì)應(yīng)高壓低頻、高頻低壓和超高頻低壓應(yīng)用。
功率半導(dǎo)體器件使用場(chǎng)景總結(jié)
據(jù)羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司技術(shù)中心副總經(jīng)理周勁的介紹，該公司2021年推出的第4代SiC器件的導(dǎo)通電阻(RonA)較第3代下降了40%，預(yù)計(jì)2025年和2028年節(jié)點(diǎn)推出的第5代和第6代產(chǎn)品還將再降30%。另外，羅姆在今年將實(shí)現(xiàn)從6英寸升級(jí)到8英寸襯底的量產(chǎn)，并且通過技術(shù)提高單個(gè)元件尺寸，從目前主流的25平方毫米到2024年實(shí)現(xiàn)50平方毫米以支持更高電流輸出的需求。
第4代SiC功率器件
總體來說，相較于第3代，羅姆第4代SiC功率器件在低損耗、使用簡(jiǎn)單、高可靠性上表現(xiàn)突出。例如導(dǎo)通阻抗從30毫歐降低至18毫歐，降幅達(dá)到40%，改善了開關(guān)特性，提高了效率，減少了發(fā)熱和誤開通；8-15V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以與IGBT等廣泛應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)電路通用；750V耐壓可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；通過減小飽和電流去優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)通阻抗和短路耐受時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)的折中，以提高可靠性。
低損耗
RonA的改善，可在同等芯片尺寸的條件下實(shí)現(xiàn)約40-57%ON阻抗的減小，使導(dǎo)通損耗得以降低。熱探頭拍攝的照片顯示了這一特性，如圖所示，第3代產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用溫度達(dá)到了92度，更換為第4代產(chǎn)品后，只有71度。
此外，開關(guān)特性也得以大幅提升。對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)通阻抗大致等同的器件的條件下，開關(guān)損耗有66%的降低。能夠?qū)崿F(xiàn)高驅(qū)動(dòng)頻率，為外圍器件及散熱器的小型化做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，Crss/Ciss的容量比的改善抑制了自關(guān)斷，柵極和源極間電容值的降低有助于實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)動(dòng)作。
這意味著，在將第3代換為第4代產(chǎn)品的過程中，如果重視導(dǎo)通損耗，就大幅度降低導(dǎo)通阻抗，如前文所述，導(dǎo)通阻抗會(huì)降低40%；如果重視開關(guān)損耗，就使用同等的25度額定電流產(chǎn)品。與同類產(chǎn)品相比，全負(fù)載/1000-5000W范圍內(nèi)，羅姆的產(chǎn)品有效率上的提升。而在高頻率開關(guān)條件(100KHz)下的Boost-Inverter應(yīng)用電路中，得益于第4代產(chǎn)品具備更好的高速開關(guān)特性，使得產(chǎn)品開關(guān)損耗小，同樣實(shí)現(xiàn)了全負(fù)載范圍內(nèi)的高效率。
*以上測(cè)試數(shù)據(jù)來自5kW DCDC轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)機(jī)，謹(jǐn)供參考。
使用簡(jiǎn)便
所謂的使用簡(jiǎn)便，第一個(gè)就是柵極驅(qū)動(dòng)電壓為8-15V，使得與IGBT等共用柵極驅(qū)動(dòng)電路成為可能。下圖左側(cè)，第3代產(chǎn)品在15V和18V驅(qū)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)通阻抗差為30%，也就是說，如果我們要用15V與IGBT通用的電壓驅(qū)動(dòng)，就無法實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的理想狀態(tài)。但演進(jìn)到第4代后，15V跟18V兩種驅(qū)動(dòng)電壓的導(dǎo)通阻抗差值只有11%，可以滿足一般狀態(tài)下的碳化硅全負(fù)載驅(qū)動(dòng)。但需要強(qiáng)調(diào)的是，如果處于重負(fù)載狀態(tài)下，仍然還是推薦18V以上的驅(qū)動(dòng)電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的導(dǎo)通阻抗的情況。
其次，無負(fù)壓驅(qū)動(dòng)可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)損耗。羅姆第4代SiC MOSFET門限電壓較高，0V可有效關(guān)斷，同時(shí)寄生電容的減小，也會(huì)抑制器件的誤開啟。
第三是在內(nèi)部柵極電阻阻值方面，第3代產(chǎn)品為7歐姆，而第4代只有1歐姆。這樣，在外圍調(diào)整整個(gè)開關(guān)特性時(shí)，調(diào)整裕量會(huì)增大不少，電路設(shè)計(jì)會(huì)更加靈活，更容易實(shí)現(xiàn)客戶需求。高可靠性
盡管縮減了芯片尺寸并增大了電流密度，但由于采用了獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)，羅姆突破了RonA vs. SCWT的折中限制，實(shí)現(xiàn)了比同類產(chǎn)品更高的短路耐受時(shí)間。簡(jiǎn)單來說，就是在降低RonA的同時(shí)，飽和電流下降，短路時(shí)的峰值電流較低，成功延長(zhǎng)了短路耐受時(shí)間。
在實(shí)際應(yīng)用中，以6000W車載充電器為例，對(duì)比IGBT、Hybrid-IGBT、SJ-MOS、SiC MOSFET四種方案可以發(fā)現(xiàn)，從電路效果來看，最好的是SiC MOSFET，IGBT則器件損耗較高。當(dāng)然，如果從成本角度考慮，IGBT也是可以使用的，特別是在一些低負(fù)載應(yīng)用的場(chǎng)合，SJ-MOS也有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
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