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5G、新能源汽车驱动,SiC的时代来了?

发布时间:2020-01-08 责任编辑:lina

【导读】近年来,在5G和新能源汽车等市场驱动下,市场上不断传来IGBT缺货的消息,国际大厂的IGBT厂商交期拉长、涨价使得IGBT一再处于风口浪尖。
  
近年来,在5G和新能源汽车等市场驱动下,市场上不断传来IGBT缺货的消息,国际大厂的IGBT厂商交期拉长、涨价使得IGBT一再处于风口浪尖。
 
国内厂商虽在大力发展IGBT,但由于技术人才不足、工艺基础薄弱等历史原因,在技术和规模等各个方面都不足以与国外大厂比肩。目前,IGBT行业95%的市场被国外企业所垄断,包括新能源汽车、国家电网、光伏逆变器等。
 
 5G、新能源汽车驱动,SiC的时代来了? 
 
然而,SiC器件将替代硅基IGBT,是包括英飞凌、罗姆等国际大厂一直推崇的观点,也获得了业内普遍认同,5G和新能源汽车等高功率的应用,也是 SiC器件取代IGBT最重要的市场。那么 SiC为何迟迟未能替代IGBT,国内外布局SiC厂商有哪些?
 
 SiC为何没能替代IGBT?
 
众所周知,Si是集成电路最基础的材料,据资料显示,从半导体器件产值来看,全球95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料。
 
不过,Si材料的物理性质却限制了其在高频、高功率器件上的应用,由于其在高频下工作性能较差,不适用于高压应用场景,使得 SiC等第三代半导体(宽禁带半导体)逐步受到各大半导体厂商的青睐,成为继Si之后最有前景的半导体材料。
 
根据YoleDéveloppement报告指出,到2024年, SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,2018年至2024年期间的年复合成长约30%。其中,汽车市场无疑是最重要的驱动因素,其占 SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。
 
众所周知,应用在5G和新能源汽车上的产品大多具备高功率、高压、高温等特性,而据环球晶表示,碳化硅的性能具备高击穿电场强度与宽能带隙,可承受大电流与耐高压的运作,同时具备高热传导的特性,可在 SiC元件上实现高切换频率,耐高压,且缩小元件/模组体积,同时可使元件在高热环境下有效作动,适合制造超高效能的功率装置。
 
由于性能优异,特斯拉率先把 SiC MOSFET用到了其主驱动控制器上面。特斯拉在其Model 3中集成全 SiC功率模块,Model 3 使用了SiC后,AC / DC 的电流转换效率在长距离电动车市场上排名第一,驱动了 SiC器件在新能源汽车应用领域呈现爆发式的增长。
 
不过,据业内人士表示,由于成本过高,又是新技术, SiC器件在应用方面并不如成熟的硅基IGBT。
 
业内人士进一步指出,受制于制造成本和产品良率影响, SiC产品的价格是同类Si产品价格的10倍左右,由于其在中功率、高功率应用领域表现出来的高性能,未来随着技术改进和成本下降, SiC器件肯定会取代IGBT,但 SiC产品还得在可靠性上多做努力。
 
除成本过高外,近年来, SiC材料一直处于供不应求的状态,这也是影响其市场应用的不利因素。
 
 SiC晶圆供不应求,国际大厂纷纷加码
 
火爆的市场需求驱动着 SiC晶圆厂商纷纷加码。2019年年初,科锐(Cree)剥离照明业务,专注于化合物半导体射频和功率应用市场,以满足5G通信和新能源汽车的市场需求,同年宣布斥资10亿美元,扩大碳化硅产能。 
 
近年来,日本昭和电工已三度进行了碳化硅晶圆的扩产,罗姆也宣布在2026年3月以前投资600亿日圆(约5.6亿美元),让 SiC功率半导体产能提高16倍。德国X-Fab、台湾环球晶、嘉晶、汉磊也都斥资新建碳化硅生产线。
 
为了强化关键半导体材料的自制率,2019年,ST完成了对瑞典 SiC晶圆制造商Norstel的整体收购,SK Siltron也宣布,以4.5亿美元收购美国杜邦的碳化硅晶圆业务。
 
值得一提的是,由于 SiC的技术、资金门槛都很高,且目前单晶生长缓慢、品质不够稳定,导致生产出的 SiC晶圆良率不高、成本相对高,新入局的 SiC晶圆厂商普遍处于亏损状态。
 
美国、日本、欧洲在 SiC领域起步早,6 英寸碳化硅衬底已经量产,8 英寸已研制成功,仅Cree一家便占据了 SiC衬底市场约40%份额。
 
据业内人士表示,国内 SiC衬底厂商主要天科合达、河北同光、山东天岳、中科节能等,产品以4英寸为主,6 英寸尚处在攻关阶段,质量相对薄弱。在外延方面,国内厂商主要有东莞天域、瀚天天成等,部分公司已能提供4、6英寸碳化硅外延片,针对1700V及以下的器件用的外延片已比较成熟,但对于高质量厚外延的量产技术主要还是国外的Cree、昭和电工等少数企业具备。
 
国内厂商积极布局
 
在 SiC器件方面,英飞凌、Cree、Rohm、ST四家占据了近90%的市场份额,均为IDM模式,Cree和Rohm甚至覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件设计与制造全产业链环节,ST收购Norstel后亦是如此。
 
由此可见,SiC产业尚处于起步阶段,垂直整合型的生产模式更适合SiC企业发展。
 
值得一提的是,国内 SiC厂商也趋向这一模式,世纪金光在2017年完成了从粉料到功率器件产业链的建成并投产;山东天岳也从碳化硅衬底材料开始纵向扩展,2019年2月宣布投资 6.5 亿元人民币建设碳化硅功率芯片、碳化硅电动汽车驱动模块生产线各一条;中电55所从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计、制造领域实现全产业链;基本半导体旗下碳化硅器件产业链覆盖了外延制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等多个环节。
 
同时,中车时代、泰科天润、芯光润泽等均已完成 SiC产线建设,均为IDM模式,中车时代在2019上半年报告中表示,公司正在争取 SiC产品市场化订单。
 
不过,面向上海瞻芯电子等初创企业,国内也有专业的 SiC制造代工厂商,例如,三安光电旗下的三安集成可提供衬底、外延、芯片制造一站式服务,为Fabless厂商代工。
 
此外,扬杰科技也在积极布局,早在2015年,扬杰科技就与中电55所开展碳化硅芯片和模块产品方面的合作,并募资1.5亿元用于碳化硅芯片、器件研发及产业化建设项目。
 
2019年12月,扬杰科技表示,公司目前可批量供应650V、1200V 碳化硅JBS器件,积极研发碳化硅MOSFET器件;同时,持续增强碳化硅领域的专利布局,加大碳化硅芯片工艺相关的自主知识产权储备。
 
写在最后
 
业内人士表示,目前英飞凌、ST、罗姆等国际大厂600-1700V碳化硅SBD、MOSFET均已实现量产,国内碳化硅厂商目前主要推出二极管产品,MOSFET只有极少数厂商量产,还有待突破,产线方面Cree、英飞凌等已开始布局8英寸线,而国内厂商还在往6英寸线过渡。
 
三安集成技术中心技术总监叶念慈曾表示,在单位面积 SiC芯片制造上,6英寸的生产成本较4英寸最少可降低50%,国内 SiC芯片因局限于国外6英寸衬底的供应及国内6英寸量产技术尚未成熟,仅局限于4英寸的 SiC功率芯片晶圆制造,在价格上已无法与国外先进大厂相抗衡。
 
虽然无论从价格、技术还是规模上,国内厂商都无法与国外先进大厂相抗衡,但好在 SiC在5G、新能源汽车、光伏等各个领域的表现都极佳,市场足够大,且国产替代需求持续,使得国内外厂商都有自己的生存空间,未来可期。
 
 
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