功率半導(dǎo)體，迎來(lái)SiC時(shí)代
發(fā)布時(shí)間：2023-11-16 03:44:42
在汽車終端市場(chǎng)需求以及與硅的價(jià)格平價(jià)的推動(dòng)下，碳化硅產(chǎn)量正在迅速增加。
電動(dòng)汽車中已使用了數(shù)千個(gè)功率半導(dǎo)體模塊，用于車載充電、牽引逆變和直流到直流轉(zhuǎn)換。如今，其中大部分是使用硅基 IGBT 制造的。轉(zhuǎn)向基于碳化硅的 MOSFET 使功率密度加倍，并在更小、更輕的封裝中加快了開關(guān)速度。
電動(dòng)汽車和充電站對(duì)高電壓和在炎熱、惡劣環(huán)境下工作的能力的要求越來(lái)越高，但由于這種寬帶隙材料的制造和封裝成本較高，碳化硅(SiC) 需要一段時(shí)間才能獲得堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，這種情況正在改變。PowerAmerica 執(zhí)行董事兼首席技術(shù)官 Victor Veliadis 表示，SiC 功率模塊現(xiàn)在的價(jià)格與硅基模塊相當(dāng)，這反過來(lái)又促進(jìn)了供應(yīng)合作伙伴關(guān)系和新 SiC 工廠的建設(shè)。
還有很多工作要做。SiC晶圓技術(shù)需要升級(jí)。制造這些器件需要 20% 的新工藝工具和 80% 的改進(jìn)工具。我們的目標(biāo)是加快集成和分立功率器件的周轉(zhuǎn)速度，這就是汽車制造商轉(zhuǎn)向直接晶圓廠到模塊協(xié)作的原因。
圖 1：確保供應(yīng)和快速技術(shù)進(jìn)步的收購(gòu)和合作協(xié)議。
新的晶圓工藝工具包括高溫外延生長(zhǎng)（>1,500°C）、熱離子注入、快速熱處理（RTP）和更快的脈沖原子層沉積。用于硬而脆的 SiC 材料的晶圓研磨、CMP、拋光墊和漿料正在發(fā)生重大改進(jìn)。包括剝離劑和清潔化學(xué)品在內(nèi)的新材料可滿足設(shè)備和可持續(xù)性需求。
從封裝端來(lái)看，帶有分立元件的高功率印刷電路板正在被集成電路和芯片級(jí)封裝（CSP）等集成封裝所取代，以實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的高壓操作。這使得電動(dòng)汽車能夠配備更小、更輕的電池組，這有助于增加行駛里程。雖然今天的重點(diǎn)是 SiC 功率以及將 Si 功率模塊擴(kuò)展到混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車，但未來(lái)的 SiC 模塊將在電動(dòng)汽車中占據(jù)主導(dǎo)地位。此外，GaN 將在電動(dòng)汽車、電網(wǎng)電力和智能能源領(lǐng)域找到利基市場(chǎng)。
SiC 和 GaN 功率的市場(chǎng)和技術(shù)
到 2030 年，全球?qū)⑸a(chǎn) 3900 萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車，相當(dāng)于 2022 年至 2030 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 22%。這反過來(lái)又推動(dòng)了功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將利用到 2030 年，大約 50% 的硅器件、35% 的碳化硅器件和 12% 的氮化鎵器件。在電動(dòng)汽車中，牽引逆變器將電池組的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為驅(qū)動(dòng)前軸和后軸的電機(jī)提供動(dòng)力。SiC 還可以加速車載和非車載充電，將電網(wǎng)的電力引入電動(dòng)汽車。
最重要的是，SiC 模塊構(gòu)成了從 400V 電池向 800V 電池轉(zhuǎn)換的基石。當(dāng)車輛充電速度更快、續(xù)航里程充足且每輛車的電池成本低于 10,000 美元時(shí)，消費(fèi)者將更快地采用電動(dòng)汽車。
SiC 模塊正在達(dá)到與硅基電源解決方案價(jià)格相當(dāng)?shù)呐R界點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高效、更緊湊的系統(tǒng)。再加上目前使用的 400V 電池（包含 600V 或 650V 器件）的 800V 電池范圍的擴(kuò)展，正在刺激 1,200V SiC 器件的大批量生產(chǎn)。然而，晶圓晶體缺陷對(duì)良率的影響、器件封裝和模塊集成的損失以及汽車制造商和電力系統(tǒng)制造商之間更緊密聯(lián)系等供應(yīng)鏈變化仍在進(jìn)行中。從實(shí)際角度來(lái)看，新的碳化硅晶圓和晶圓廠產(chǎn)能需要一段時(shí)間才能達(dá)到大批量。
然而，這并沒有影響人們對(duì)該技術(shù)的熱情。分析師繼續(xù)上調(diào) SiC 市場(chǎng)預(yù)測(cè)。Yole Group 預(yù)計(jì)，到 2027 年，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將達(dá)到63億美元，其中 70% 用于汽車應(yīng)用。僅看 SiC 晶圓產(chǎn)量（從 SiC 晶圓開始），TECHCET 預(yù)測(cè) 2022 年至 2027 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 14%。
圖 2：汽車制造商正在轉(zhuǎn)向與模塊供應(yīng)商、最終與芯片制造商進(jìn)行更直接的合作。
IDM、代工廠、無(wú)晶圓廠活動(dòng)
Wolfspeed、意法半導(dǎo)體、安森美、羅姆、英飛凌和博世等領(lǐng)導(dǎo)者是芯片制造方面的關(guān)鍵參與者。這些設(shè)備的最大成本貢獻(xiàn)者，碳化硅晶圓，正開始從 150 毫米制造遷移到 200 毫米制造，但生長(zhǎng)、切片和制備過程仍然依賴于昂貴、耗時(shí)的手工操作。
各方，尤其是 IDM 和晶圓廠，都在努力降低 SiC 晶格的缺陷率，開發(fā) SiC 專用工具平臺(tái)，例如高溫離子注入、在 1,500°C 以上運(yùn)行的外延沉積爐，以及改進(jìn)的 CMP 漿料、拋光墊和清潔化學(xué)品加工幾乎與金剛石一樣堅(jiān)硬的材料。
由于基于硅、SiC 和 GaN 的電源電路都在 400V 電池范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，因此技術(shù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。然而，SiC 電源系統(tǒng)能夠提供比 GaN 高得多的功率水平（見圖 3）。
“我稱其為 650V 戰(zhàn)場(chǎng)，因?yàn)閷?shí)際上所有三種技術(shù)在這個(gè)范圍內(nèi)都具有競(jìng)爭(zhēng)力，”PowerAmerica 的 Veliadis 說(shuō)道，他參加了 SEMICON West 舉辦的“連接汽車生態(tài)系統(tǒng)與 SiC 制造”論壇。GaN具有比SiC更高的電子遷移率，但其成熟度較低，無(wú)法與SiC的高功率水平相匹配。即便如此，GaN 在制造高頻器件方面仍具有巨大的吸引力。此外，英特爾、imec 等公司目前采用的一些硅基 GaN 方法看起來(lái)非常有前途。
圖 3：SiC、Si 和 GaN（左）的功率密度工作窗口在 650V 器件（400V 電池）的低端重疊，但用于 800V 電池的 1,200V 器件即將推出
碳化硅模塊被認(rèn)為對(duì)于提高電動(dòng)汽車的電力傳動(dòng)系統(tǒng)效率至關(guān)重要。從硅基設(shè)備到碳化硅設(shè)備的巨大轉(zhuǎn)變將大大有助于提高電力系統(tǒng)的功率密度，同時(shí)減小電動(dòng)汽車的尺寸、重量，最重要的是，降低成本。發(fā)生這種情況是因?yàn)楣杌β拾雽?dǎo)體雖然仍在優(yōu)化，但在傳導(dǎo)和開關(guān)損耗方面已達(dá)到其運(yùn)行極限。碳化硅更寬的帶隙（硅為 3.26eV，硅為 1.12eV）可減少此類損耗，并提供卓越的高溫和高頻性能。
迄今為止，許多 SiC 芯片制造商已將 150mm 硅生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變?yōu)?SiC 制造。Veliadis 表示：“迄今為止非常成功的模式是在成熟的、完全折舊的硅工廠中加工碳化硅，資本投資約為 3000 萬(wàn)美元，回報(bào)當(dāng)然是巨大的?！睂?duì)于電源模塊來(lái)說(shuō)，成本最為重要?！笆褂锰蓟瑁鷮榘雽?dǎo)體芯片支付大約三倍的費(fèi)用，但最終的系統(tǒng)成本低于硅功率模塊，這是違反直覺的。但答案很簡(jiǎn)單。在高頻下高效運(yùn)行的能力大大減少了磁性元件和無(wú)源元件的體積，以至于抵消了芯片制造的較高成本?！?/span>
然而，該行業(yè)已經(jīng)沒有可以花費(fèi) 3000 萬(wàn)美元進(jìn)行翻新的舊工廠了。新的碳化硅晶圓廠正在迅速建設(shè)中。與此同時(shí)，無(wú)晶圓廠公司正在爭(zhēng)奪產(chǎn)能。
“我們有兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)——汽車市場(chǎng)和可再生能源市場(chǎng)，它們都在尋求產(chǎn)能，”羅伯特·博世功率半導(dǎo)體和模塊高級(jí)副總裁拉爾夫·博內(nèi)菲爾德 (Ralf Bornefeld) 表示?！拔覀儚男鹿谝咔橹辛私獾?，一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)可能會(huì)關(guān)閉另一個(gè)市場(chǎng)，因此我們需要考慮到這一點(diǎn)?！?博世目前正在生產(chǎn)第三代 SiC MOSFET 模塊，擊穿電壓為 1,200V。
SiC器件特別適合汽車，因?yàn)樗鼈兛梢栽趷毫迎h(huán)境下以更高的溫度運(yùn)行提供高功率密度。SiC功率器件可以實(shí)現(xiàn)極低的開關(guān)損耗和超低的RDSon（工作時(shí)源極和漏極之間的電阻）。較小的 RDSon 與 MOSFET 的較低功率損耗相關(guān)。
器件能力始于 SiC 材料?！熬w質(zhì)量是關(guān)鍵參與者在過去 20 年里一直在解決的首要因素，但晶體中仍然存在基面位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)等，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)才能制造 20、30 和40 平方毫米設(shè)備，”SOITEC Innovation 高級(jí)副總裁 Christophe Maleville 說(shuō)道?！八哪昵?，當(dāng)我們進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域時(shí)，我們首先注意到的是每個(gè)晶錠和每個(gè)晶圓的可行性都不同，工程師通常需要調(diào)整和驗(yàn)證外延。因此，它在制造業(yè)中的實(shí)施方式還不是精益的?！?/span>
在電氣方面，功率器件可能對(duì)寄生電感、火花和其他挑戰(zhàn)敏感。與模擬混合信號(hào)工廠不同，參數(shù)是主要關(guān)注點(diǎn)，電源工程師要應(yīng)對(duì)變化。
“過去，（模擬）缺乏收縮。但他們?cè)谌毕莘矫嬉呀?jīng)有了成熟的流程，”DR Yield首席執(zhí)行官 Dieter Rathei 說(shuō)道?！半S著碳化硅、氮化鎵和砷化鎵等化合物半導(dǎo)體變得更加主流并且增長(zhǎng)率更快，參數(shù)良率問題將會(huì)得到改善?！?/span>
垂直整合與協(xié)作晶圓開發(fā)？
目前100mm和150mm尺寸的晶圓大多采用六方晶格結(jié)構(gòu)的單晶碳化硅（4H和6H表示4英寸和6英寸六方晶圓）。但最大的 SiC 器件生產(chǎn)商正在順利進(jìn)行從 150mm 到 200mm 的轉(zhuǎn)變，其他生產(chǎn)商也在利用這一供應(yīng)。
例如，據(jù) Yole Group 分析師稱，英飛凌從多個(gè)供應(yīng)商處獲得晶圓。其中包括意法半導(dǎo)體收購(gòu)瑞典Nortel的多數(shù)股權(quán)。硅功率器件供應(yīng)商瑞薩電子正在加強(qiáng)產(chǎn)能和合作伙伴關(guān)系。7 月，瑞薩電子簽署了一份為期 10 年的協(xié)議，并向 Wolfspeed 支付了 20 億美元的定金，以供應(yīng) 150mm 裸露和外延 SiC 晶圓。瑞薩電子還與三菱達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，三菱將斥資 2600 億日元用于技術(shù)和擴(kuò)張，其中包括在日本新建一座 SiC 工廠。
“[瑞薩]是傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的后來(lái)者，但現(xiàn)在[我們的產(chǎn)品]因其高效率而受到重視，”該公司總裁 Hidetoshi Shibata 在最近的一份新聞稿中表示?！?/span>SiC 也可以做到這一點(diǎn)?！?/span>
與此同時(shí)，SOITEC和意法半導(dǎo)體正在探索單晶上多晶SiC方法，該方法將單晶硅晶圓分成多個(gè)切片并重新使用供體晶圓基板以減少浪費(fèi)。多晶硅基底的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崃客ㄟ^基板傳導(dǎo)至金屬連接器，從而實(shí)現(xiàn)更快的切換和出色的散熱。
在某些方面，碳化硅正在追隨硅的發(fā)展軌跡。但由于 SiC 的缺陷水平，需要一些數(shù)據(jù)共享。
“我們與硅晶圓供應(yīng)商的原材料數(shù)據(jù)交換設(shè)備數(shù)據(jù)，”博世的 Bornefeld 說(shuō)?！拔覀冞€使用先進(jìn)的基于人工智能的系統(tǒng)來(lái)識(shí)別良好的相關(guān)性并分享這一點(diǎn)，以便兩家公司都能向前邁進(jìn)?！?/span>
盡管如此，數(shù)據(jù)共享并不普遍。與硅不同的是，從 150 毫米到 200 毫米的晶錠尺寸并不能帶來(lái)更多晶圓/晶錠形式的高回報(bào)。此外，200毫米需要更大的種子，這需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能在2,500°C下生長(zhǎng)。如今，生產(chǎn)率（晶圓/晶錠）的提高可能在 20% 范圍內(nèi)。TECHCET 分析師估計(jì)，相對(duì)于切片、研磨、拋光和 CMP 等，晶錠生長(zhǎng)的成本貢獻(xiàn)將下降（見圖 4）。
圖 4：由于每毫米晶柱高度的材料成本很高，因此最大化每晶柱的 SiC 晶圓數(shù)量至關(guān)重要。
汽車芯片超過電動(dòng)汽車
意法半導(dǎo)體汽車智能電源和分立產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Lee Bell 表示：“我們看到汽車應(yīng)用半導(dǎo)體需求的增長(zhǎng)速度快于電動(dòng)汽車產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度?！?“這是由于多種因素造成的。先進(jìn)的駕駛員安全功能、自動(dòng)駕駛車輛控制、先進(jìn)的連接性和便利性功能都推動(dòng)了半導(dǎo)體需求，但與動(dòng)力系統(tǒng)電氣化的方式不同，”他說(shuō)?！暗?2022 年，約三分之二的電動(dòng)汽車是混合動(dòng)力汽車，其中約三分之一是電池驅(qū)動(dòng)的。到 2030 年，這一趨勢(shì)將發(fā)生逆轉(zhuǎn)。這是由于市場(chǎng)接受度提高、充電基礎(chǔ)設(shè)施可用性提高，但可能最重要的是，這是汽車制造商放置研發(fā)和制造預(yù)算的地方?！?這一變化是使用 SiC MOSFET 的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。
貝爾指出，牽引逆變器往往采用更大的芯片。他補(bǔ)充說(shuō)，車輛中的充電系統(tǒng)以及降低從電池到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是功率半導(dǎo)體的巨大消費(fèi)者?；旌蟿?dòng)力汽車架構(gòu)中兩者都不存在。
他還強(qiáng)調(diào)，首要關(guān)注的是效率（封裝設(shè)備和模塊），因?yàn)橄到y(tǒng)中的功率損耗越少，汽車和卡車的續(xù)航里程就越長(zhǎng)。“我們進(jìn)行了一項(xiàng)研究，比較了 210kW 逆變器系統(tǒng)（大約相當(dāng)于 280 馬力）與 SiC MOSFET 和硅 IGBT（絕緣柵雙極晶體管），”他說(shuō)。“碳化硅方法始終能提供 98% 的運(yùn)行效率，而 IGBT 方法的效率較低，尤其是在低運(yùn)行負(fù)載范圍內(nèi)，而車輛在該范圍內(nèi)的使用壽命約為 95%?！?/span>
總功率是通態(tài)損耗加上開關(guān)損耗。“碳化硅的開關(guān)損耗降低了四倍，”他說(shuō)。ST 正在生產(chǎn)第四代 SiC 產(chǎn)品，其 RDSon 性能提高了 30%。
博世的 Bornefeld 展示了到 2030 年的需求和產(chǎn)能預(yù)估，表明日本、韓國(guó)、中國(guó)、馬來(lái)西亞、德國(guó)、奧地利和美國(guó)的全球晶圓和晶圓廠產(chǎn)能相當(dāng)可觀。事實(shí)上，該行業(yè)需要小心不要過度建設(shè)（見圖 5）?！皢栴}是，‘中國(guó)正在發(fā)生什么？’ 中國(guó)在碳化硅原材料方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，他們正在提供質(zhì)量非常高、價(jià)格合理的晶圓，”博內(nèi)菲爾德說(shuō)?！八麄?cè)谠O(shè)備方面也正在快速追趕。所以我們確實(shí)需要觀察和跟蹤整體容量?！?/span>
圖 5：全球?qū)?SiC 原材料加工成晶圓的設(shè)施分布圖。
最后，PowerAmerica 的 Veliadis 談到了在晶圓廠中熟練實(shí)施 SiC 和 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體所需的工作場(chǎng)所培訓(xùn)?！霸?SiC 和 GaN MOSFET 制造方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師供不應(yīng)求，而且 SiC 晶圓廠和硅晶圓廠之間存在顯著差異?！?/span>
結(jié)論
清潔能源和電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型將需要 SiC 和 GaN 等替代半導(dǎo)體材料，并且功率器件肯定會(huì)在未來(lái)幾十年內(nèi)得到顯著優(yōu)化。技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)能擴(kuò)張的狂熱可能不會(huì)持續(xù)，但功率器件仍將是許多公司路線圖的關(guān)鍵。
“我們知道半導(dǎo)體行業(yè)正在邁向 1 萬(wàn)億美元的市場(chǎng)，但每個(gè)人都想知道 2030 年之后會(huì)發(fā)生什么，”應(yīng)用材料公司 ICAPS 戰(zhàn)略營(yíng)銷主管 David Britz表示?！拔襾?lái)這里是為了證明半導(dǎo)體的第五個(gè)時(shí)代確實(shí)是由能源生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)型推動(dòng)的?！?/span>
碳化硅晶圓、器件和模塊的增長(zhǎng)管理可能是迄今為止碳化硅市場(chǎng)最困難的方面，此外還有供應(yīng)鏈問題、填補(bǔ)技術(shù)空白和地緣政治變化。盡管如此，半導(dǎo)體技術(shù)界似乎在許多事情上達(dá)成了一致，特別是對(duì)下一代電源效率和性能的需求。
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