新基建正加速SiC功率器件规模化应用

2021-02-25 13:01 来源:半导体世界

前言:

SiC(碳化硅)作为第三代半导体中的代表材料,可以应用于各种领域的高电压环境中,包括汽车、能源、运输、消费类电子等。

据预测,到2025年全球SiC市场将会增加到60.4亿美元,到2028年市场增长5倍,在SiC广阔的市场需求下,SiC晶圆争夺战已然打响。

新基建正加速SiC功率器件规模化应用

一个特斯拉就将消耗SiC晶圆总产能

这两年,由于SiC独有的优良特性,车厂陆续开始导入SiC器件,这对SiC晶圆的需求量是巨大的。

Tesla第1季宣称6月底美国工厂Model 3及Model Y的年产能将达50万辆,上海厂计划年底产能50万辆,使其总产能规模近100万辆,相当于Tesla一年平均约要50万片6英寸SiC。

而目前全球SiC硅晶圆总年产能约在40—60万片,如此就消耗掉全球当下SiC总产能。

在晶圆代工领域,SiC功率器件厂家基本上都自己拥有晶圆厂,不会委外代工。主要是因为要控制成本,自有晶圆厂产品才能有竞争力。

而生产一片碳化硅晶圆并不难,困难的是要怎么从一片到一百片、一千片的量产能力。

新基建正加速SiC功率器件规模化应用

全球及国内SiC晶圆市场份额

2020上半年全球半导体SiC晶片市场份额,美国CREE出货量占据全球45%,日本罗姆子公司SiCrystal占据20%,II-VI占13%;

目前全球生产SiC晶圆的厂商包括CREE、英飞凌、罗姆半导体旗下SiCrystal、II-IV、Norstel、新日铁住金及道康宁等。

国内出货量比较大或者比较知名的晶圆衬底企业有天科合达、山东天岳、河北同光、东莞天域、河北普兴、中科钢研、中电科二所和南砂晶圆等。

中国企业天科合达的市场占有率由去年3%上升至2020年5.3%,山东天岳占比为2.6%。

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SiC晶圆的技术要求导致量产难度

①在长晶的源头晶种来源就要求相当高的纯度、取得困难。

②SiC晶棒约需要7天,由于长晶过程中要随着监测温度以及制程的稳定,以免良率不佳,故时间拉长更增添长晶制作过程中的难度。

③长晶棒的生成,一般的硅晶棒约可有200公分的长度,但长一根碳化硅的长晶棒只能长出2公分,造成量产的困难。

④SiC本身属于硬脆性材料,其材料制成的晶圆,在使用传统的机械式切割晶圆划片时,极易产生崩边等不良,影响产品最终良率及可靠性。

⑤目前单晶生长缓慢和品质不够稳定,并且这也使得是SiC价格较高,没有得到广泛的推广。

⑥目前市面上4英寸和6英寸的SiC晶圆几乎占据市场100%,这是因为几乎所有厂商都无法处理8英寸SiC晶圆其超薄又超大的晶圆来进行批量生产。

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SiC的未来前景和核心领域

市场分析,碳化硅市场将于2025年达到25亿美元(约合人民币164.38亿元)的市场规模。

到2025年,新能源汽车与充电桩领域的碳化硅市场将达到17.78亿美元(约合人民币116.81亿元),约占碳化硅总市场规模的七成。

新基建正加速SiC功率器件规模化应用

①电动汽车领域:新能源汽车是未来几年SiC的主要驱动力,约占SiC总体市场容量的60%,因为SiC每年可增加多达750美元的电池续航力,目前几乎所有做主驱逆变器的厂家都将SiC作为主攻方向。

②电机驱动领域:使用SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及开关频率,通过降低开关损耗和简化电路的热处理系统来降低成本、重量、大小及功率逆变器的复杂性。

③5G/开关电源电源:对功率密度和高能效提出了非常高的要求,而碳化硅器件由于没有反向恢复,电源能效通常能够达到98%,受到追捧并不令人感到意外。

④电动汽车充电桩:消费者如想等效于在加油站加满油,就需要更高的充电功率和充电效率,因此随着功率和速度的提高,对SiC MOSFET的需求越来越强。

⑤太阳能逆变器:在目前的太阳能逆变器领域中,碳化硅二极管的使用量也非常巨大,安装量持续增长,主要用于替换原来的三电平逆变器复杂控制电路。

新基建正加速SiC功率器件规模化应用

结尾:新基建正加速SiC功率器件规模化应用

作为新基建的重要内容之一,我国新能源汽车行业的发展也能够给功率半导体器件带来新的发展机遇。

功率半导体器件被广泛应用于新基建各个领域,尤其是在特高压、新能源汽车充电桩、轨道交通及工业互联网方面更是起到了核心支撑作用。

作为新型功率半导体器件的代表之一,在新基建的助推下,SiC功率器件和整个SiC市场前景广阔。

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