【導讀】在過去的兩三年里，晶圓供應短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級玩家已經(jīng)意識到必須擴大投資，以支持供應鏈建設，而以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商就是SiC市場的一支重要力量。
碳化硅(SiC)作為半導體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉換和控制的功率元器件。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質，所以其又被稱為“經(jīng)歷46億年時光之旅的半導體材料”。
Yole預計，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備加工，SiC功率器件將很快占據(jù)整個功率器件市場的30%。到2027年，其市場潛力將達到60億美元，高于2021年的約10億美元。
但在過去的兩三年里，晶圓供應短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級玩家已經(jīng)意識到必須擴大投資，以支持供應鏈建設，而以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商就是SiC市場的一支重要力量。
10年，25倍產(chǎn)能提升
羅姆公司從2000年就開始進行SiC MOSFET的基礎研究，并在2009年收購德國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。
在中國國內(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，與正海集團成立碳化硅功率模塊合資公司海姆?？疲?022年，Lucid公司OBC應用了羅姆的SiC MOSFET。同年，羅姆的SiC MOSFET也通過了賽米控公司的認證，應用在其eMPack?模塊中。
市場調(diào)研機構的相關數(shù)據(jù)顯示，2013年羅姆在全球SiC市場的份額為12%，到2018年已增長至23%。面對市場對SiC產(chǎn)品急速增長的需求，羅姆制定了積極的產(chǎn)能擴張計劃，準備在2021-2025年為SiC業(yè)務投入1700-2200億日元，這一計劃的實現(xiàn)將依托于羅姆位于宮崎的兩個基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預計2025年SiC產(chǎn)能將提升6倍，到2030年提升25倍。
SiC最初的應用場景主要集中在光伏儲能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務器UPS電源和智能電網(wǎng)充電站等需要轉換效率較高的領域。但人們很快發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機械(更小尺寸)和熱性質(更高溫度的運行)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、降壓轉換器和主驅逆變器。尤其是部分汽車廠商采用了SiC器件之后，使xEV汽車市場很快成為SiC市場興奮的源泉。
下圖展示了功率半導體器件的使用場景。如果以開關頻率作為橫坐標，輸出功率或電壓作為縱坐標，那么SiC-MOSFET的應用主要集中在相對高頻高壓的區(qū)域，Si-IGBT/Si-MOSFET/GaN HEMT則分別對應高壓低頻、高頻低壓和超高頻低壓應用。
功率半導體器件使用場景總結
據(jù)羅姆半導體(上海)有限公司技術中心副總經(jīng)理周勁的介紹，該公司2021年推出的第4代SiC器件的導通電阻(RonA)較第3代下降了40%，預計2025年和2028年節(jié)點推出的第5代和第6代產(chǎn)品還將再降30%。另外，羅姆在今年將實現(xiàn)從6英寸升級到8英寸襯底的量產(chǎn)，并且通過技術提高單個元件尺寸，從目前主流的25平方毫米到2024年實現(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、使用簡單、高可靠性上表現(xiàn)突出。例如導通阻抗從30毫歐降低至18毫歐，降幅達到40%，改善了開關特性，提高了效率，減少了發(fā)熱和誤開通；8-15V的柵極驅動電壓可以與IGBT等廣泛應用的柵極驅動電路通用；750V耐壓可簡化電路設計；通過減小飽和電流去優(yōu)化標準導通阻抗和短路耐受時間這兩個參數(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現(xiàn)約40-57%ON阻抗的減小，使導通損耗得以降低。熱探頭拍攝的照片顯示了這一特性，如圖所示，第3代產(chǎn)品的實際應用溫度達到了92度，更換為第4代產(chǎn)品后，只有71度。
此外，開關特性也得以大幅提升。對比數(shù)據(jù)顯示，導通阻抗大致等同的器件的條件下，開關損耗有66%的降低。能夠實現(xiàn)高驅動頻率，為外圍器件及散熱器的小型化做出了貢獻。同時，Crss/Ciss的容量比的改善抑制了自關斷，柵極和源極間電容值的降低有助于實現(xiàn)高速開關動作。
這意味著，在將第3代換為第4代產(chǎn)品的過程中，如果重視導通損耗，就大幅度降低導通阻抗，如前文所述，導通阻抗會降低40%；如果重視開關損耗，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。而在高頻率開關條件(100KHz)下的Boost-Inverter應用電路中，得益于第4代產(chǎn)品具備更好的高速開關特性，使得產(chǎn)品開關損耗小，同樣實現(xiàn)了全負載范圍內(nèi)的高效率。
*以上測試數(shù)據(jù)來自5kW DCDC轉換器試驗機，謹供參考。
使用簡便
所謂的使用簡便，第一個就是柵極驅動電壓為8-15V，使得與IGBT等共用柵極驅動電路成為可能。下圖左側，第3代產(chǎn)品在15V和18V驅動時的導通阻抗差為30%，也就是說，如果我們要用15V與IGBT通用的電壓驅動，就無法實現(xiàn)SiC MOSFET的理想狀態(tài)。但演進到第4代后，15V跟18V兩種驅動電壓的導通阻抗差值只有11%，可以滿足一般狀態(tài)下的碳化硅全負載驅動。但需要強調(diào)的是，如果處于重負載狀態(tài)下，仍然還是推薦18V以上的驅動電壓，能夠實現(xiàn)最優(yōu)的導通阻抗的情況。
其次，無負壓驅動可以簡化電路設計，降低系統(tǒng)損耗。羅姆第4代SiC MOSFET門限電壓較高，0V可有效關斷，同時寄生電容的減小，也會抑制器件的誤開啟。
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)整整個開關特性時，調(diào)整裕量會增大不少，電路設計會更加靈活，更容易實現(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，但由于采用了獨特的器件結構，羅姆突破了RonA vs. SCWT的折中限制，實現(xiàn)了比同類產(chǎn)品更高的短路耐受時間。簡單來說，就是在降低RonA的同時，飽和電流下降，短路時的峰值電流較低，成功延長了短路耐受時間。
在實際應用中，以6000W車載充電器為例，對比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，特別是在一些低負載應用的場合，SJ-MOS也有獨特的應用優(yōu)勢。
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