系统成本具优势SiC器件市场瓶颈待突破

随着降低环境负荷的要求日益提高，传统Si材料功率器件的局限性越来越突出。新一代材料SiC功率器件具有体积小、高效率、高耐温等优点，受到越来越多的重视，研发生产日益活跃。然而，受限于价格过高等因素，迄今为止各种SiC功率器件产品系列的实际应用都很少。SiC器件何时才会实现大规模商用，成为业界关注的焦点。



SiC覆盖功率器件各系产品

随着企业加大开发力度，SiC大体覆盖功率器件各主要产品系列。



采用SiC材料是功率器件行业主要技术趋势之一。以前功率器件基本以Si为材料，在人们对机电产品的节能环保要求不断提高的情况下，Si材料的节能能力已经接近极限，越来越多企业开始把注意力放到SiC材料的开发上。

“就一般的功率MOSFET的导通电阻而言，存在着由Si材料性质决定的性能极限。降低导通电阻的余地已经所剩无几。为了从使用Si的功率半导体手中接过接力棒，新一代功率器件的开发正在展开。”清华-罗姆联合研究中心研究员吴海雷告诉记者。三菱电机董事技术总监Gourab Majumdar博士也指出，SiC功率器件有四大优点：第一，工作温度范围比较大，可在高温下工作；第二，低阻抗、耐高破坏性；第三，可高频工作；第四，散热性好。因此自2001年由德国英飞凌公司率先投产SiC肖特基势垒二极管(SBD)之后，越来越多企业致力于SiC功率器件的生产和开发。

近日飞兆半导体就向外界宣布推出该公司首款SiC双极结型晶体管(BJT)功率器件，该产品可实现1200V功率转换开关，额定工作温度可达175℃，并实现稳定持久的Vbe正向电压和反向阻隔能力。而罗姆从2010年开始批量生产SiC-SBD，与以往的Si-FRD(快速恢复二极管)相比，大幅缩短反向恢复时间，因此恢复损耗可以降低至原来的1/3。本届高交会上，罗姆又进一步展出性能升级的第二代SiC-SBD，具有原来的短反向恢复时间,同时降低正向电压。在SiC-MOSFET方面，2010年12月罗姆在世界上首次以定制品形式量产SiC-MOSFET；2012年7月份开始量产1200V耐压的第二代SiC-MOSFET。三菱电机也重视SiC功率器件的开发，于2010年在世界上首先开发成功完全采用SiC、搭载驱动电路和保护电路的SiC智能功率模块(IPM)。

可以这样说，随着各个国际大型功率器件公司的不断推进，目前SiC已大体覆盖了功率器件中的主要产品系列。



2015年有望大规模商用

随着产品价格降低，市场真正发力的时点大约在2015年。



尽管SiC功率器件不断被开发并推向市场，然而到目前为止其市场规模并不大，应用范围并不广。根据市调机构IMS Research的数据，2012年全球SiC功率器件市场只有1亿美元左右，且大部分的应用集中于电源供应器上。

对此，飞兆半导体亚太区市场营销副总裁蓝建铜指出：“SiC应用市场发展缓慢的主要原因是价格过高。目前，SiC功率器件的价格比Si器件贵10倍以上。造成价格高企的主要原因是SiC器件的制造工艺复杂，产能上不去，良品率低。目前SiC芯片基本是在4英寸晶圆上生产，一片4英寸晶圆只能切几十颗裸片。”

因此，只有扩大产量，解决良品率问题，使产品销售价格降低，才有望启动市场的应用需求。而根据蓝建铜的预测，市场真正发力的时点大约是在2015年。“预计制造工艺在未来2～3年内会有大幅改进，提高良品率，降低产品价格。此外，2～3年后SiC器件有可能过渡到6英寸晶圆上生产，未来更可能过渡到8英寸晶圆。”在此情况下，预计2015年SiC功率器件的价格有望下降到2012年价格的一半左右，从而有望大幅提高其在市场上的应用比率。

IMS Research的预测数据也印证了这一点，2105年预计整体SiC功率器件市场规模有望接近5亿美元，2021年将超过20亿美元，提高20倍。其中增长最快的应用市场可能是UPS与电动汽车，工业驱动器、PV逆变器次之。



在系统成本上下工夫

仅比价格，SiC很难体现优势，要从系统成本上做文章。



既然SiC仍是半导体业界中比较新的一个课题，存在着成本、良品率等多方面的问题，抑制市场需求，企业自然不能被动等待价格的下降。那么，如何才能有效扩大SiC的市场应用，为未来的极速发展占据有利位置呢？

“如果仅比较价格，就SiC单品而言，其优势是很难体现出来的，即使未来几年中价格下降，也不可能降到与Si器件价格相当的地步，因此企业在进行产品开发与市场推广时，要从系统成本的降低上做文章。比如考虑减少系统中电感器、散热片、输出电容器的用量，增加输出功率同时保持系统外形尺寸不变，实现系统开发上的简便，进而缩短上市时间等。”蓝建铜指出。

在相对高端的市场上寻找突破口，打开应用空间也非常必要。吴海雷认为，因为具有低功耗、高耐压、高耐温、高可靠性等优点，SiC功率器件在相对价格不敏感的电动汽车/混合动力车等需要进行功率转换的逆变器、转换器、PFC电路等领域，以及太阳能、风能等新能源中的整流器、逆变器等领域，有更大的应用机会。“基于SiC技术的MOS管可以做到1100V的耐压，完全可以满足汽车、新能源中大部分应用的需求。电动汽车、混合动力汽车领域，是SiC可以发挥的领域。”吴海雷指出。

此外，将SiC功率器件制成模组，既可形成更高的附加价值，也更加有利于推广。Gourab Majumdar指出，碳化硅的功率器件用在系统上有很多好处，功率的密度可以更高，体积可以更小，更加耐高电压，设计容易，总体来讲可以提高功率半导体的效率，运用的领域可以更加广泛、更为方便。蓝建铜告诉记者，飞兆推出的SiC-BJT目前裸片、器件和模块都可接受客户预订，且已开发出一个针对汽车用逆变器的模组方案，可以提供300A电流，包括6颗50A、1200V的SiC-BJT器件与6颗50A的SiC整流器。罗姆半导体认为未来SiC功率器件将在电动汽车中扮演重要角色，特别是当把它做成模组后。罗姆已批量生产SiC二极管和SiC-MOSFET，并于2012年3月开始批量生产内置上述两种元器件的功率模块。