【導讀】在過(guò)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(cháng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠(chǎng)在內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(chǎng)商就是SiC市場(chǎng)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(jiàn)，最早是人們在太陽(yáng)系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現了少量這種物質(zhì)，所以其又被稱(chēng)為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導體材料”。
Yole預計，未來(lái)5年內，將有數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整個(gè)功率器件市場(chǎng)的30%。到2027年，其市場(chǎng)潛力將達到60億美元，高于2021年的約10億美元。
但在過(guò)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(cháng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠(chǎng)在內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(chǎng)商就是SiC市場(chǎng)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(kāi)始進(jìn)行SiC MOSFET的基礎研究，并在2009年收購德國SiC晶圓材料廠(chǎng)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(shí)現量產(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(shí)現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，羅姆近兩年內也與大量客戶(hù)展開(kāi)了合作，包括2020年與緯湃科技、臻驅科技合作開(kāi)發(fā)碳化硅電源解決方案；2021年與吉利簽署了戰略合作協(xié)議，與正海集團成立碳化硅功率模塊合資公司海姆?？?；2022年，Lucid公司OBC應用了羅姆的SiC MOSFET。同年，羅姆的SiC MOSFET也通過(guò)了賽米控公司的認證，應用在其eMPack?模塊中。
市場(chǎng)調研機構的相關(guān)數據顯示，2013年羅姆在全球SiC市場(chǎng)的份額為12%，到2018年已增長(cháng)至23%。面對市場(chǎng)對SiC產(chǎn)品急速增長(cháng)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(wù)投入1700-2200億日元，這一計劃的實(shí)現將依托于羅姆位于宮崎的兩個(gè)基地和筑后工廠(chǎng)新廠(chǎng)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(chǎng)景主要集中在光伏儲能逆變器、數據中心服務(wù)器UPS電源和智能電網(wǎng)充電站等需要轉換效率較高的領(lǐng)域。但人們很快發(fā)現，碳化硅的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機械(更小尺寸)和熱性質(zhì)(更高溫度的運行)也非常適合制造很多大功率汽車(chē)電子器件,例如車(chē)載充電器、降壓轉換器和主驅逆變器。尤其是部分汽車(chē)廠(chǎng)商采用了SiC器件之后，使xEV汽車(chē)市場(chǎng)很快成為SiC市場(chǎng)興奮的源泉。
下圖展示了功率半導體器件的使用場(chǎng)景。如果以開(kāi)關(guān)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(chǎng)景總結
據羅姆半導體(上海)有限公司技術(shù)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年節點(diǎn)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(shí)現從6英寸升級到8英寸襯底的量產(chǎn)，并且通過(guò)技術(shù)提高單個(gè)元件尺寸，從目前主流的25平方毫米到2024年實(shí)現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(lái)說(shuō)，相較于第3代，羅姆第4代SiC功率器件在低損耗、使用簡(jiǎn)單、高可靠性上表現突出。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(kāi)關(guān)特性，提高了效率，減少了發(fā)熱和誤開(kāi)通；8-15V的柵極驅動(dòng)電壓可以與IGBT等廣泛應用的柵極驅動(dòng)電路通用；750V耐壓可簡(jiǎn)化電路設計；通過(guò)減小飽和電流去優(yōu)化標準導通阻抗和短路耐受時(shí)間這兩個(gè)參數的折中，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(shí)現約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(shí)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(kāi)關(guān)特性也得以大幅提升。對比數據顯示，導通阻抗大致等同的器件的條件下，開(kāi)關(guān)損耗有66%的降低。能夠實(shí)現高驅動(dòng)頻率，為外圍器件及散熱器的小型化做出了貢獻。同時(shí)，Crss/Ciss的容量比的改善抑制了自關(guān)斷，柵極和源極間電容值的降低有助于實(shí)現高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
這意味著(zhù)，在將第3代換為第4代產(chǎn)品的過(guò)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(huì )降低40%；如果重視開(kāi)關(guān)損耗，就使用同等的25度額定電流產(chǎn)品。與同類(lèi)產(chǎn)品相比，全負載/1000-5000W范圍內，羅姆的產(chǎn)品有效率上的提升。而在高頻率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)特性，使得產(chǎn)品開(kāi)關(guān)損耗小，同樣實(shí)現了全負載范圍內的高效率。
*以上測試數據來(lái)自5kW DCDC轉換器試驗機，謹供參考。
使用簡(jiǎn)便
所謂的使用簡(jiǎn)便，第一個(gè)就是柵極驅動(dòng)電壓為8-15V，使得與IGBT等共用柵極驅動(dòng)電路成為可能。下圖左側，第3代產(chǎn)品在15V和18V驅動(dòng)時(shí)的導通阻抗差為30%，也就是說(shuō)，如果我們要用15V與IGBT通用的電壓驅動(dòng)，就無(wú)法實(shí)現SiC MOSFET的理想狀態(tài)。但演進(jìn)到第4代后，15V跟18V兩種驅動(dòng)電壓的導通阻抗差值只有11%，可以滿(mǎn)足一般狀態(tài)下的碳化硅全負載驅動(dòng)。但需要強調的是，如果處于重負載狀態(tài)下，仍然還是推薦18V以上的驅動(dòng)電壓，能夠實(shí)現最優(yōu)的導通阻抗的情況。
其次，無(wú)負壓驅動(dòng)可以簡(jiǎn)化電路設計，降低系統損耗。羅姆第4代SiC MOSFET門(mén)限電壓較高，0V可有效關(guān)斷，同時(shí)寄生電容的減小，也會(huì )抑制器件的誤開(kāi)啟。
第三是在內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，在外圍調整整個(gè)開(kāi)關(guān)特性時(shí)，調整裕量會(huì )增大不少，電路設計會(huì )更加靈活，更容易實(shí)現客戶(hù)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(shí)現了比同類(lèi)產(chǎn)品更高的短路耐受時(shí)間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在降低RonA的同時(shí)，飽和電流下降，短路時(shí)的峰值電流較低，成功延長(cháng)了短路耐受時(shí)間。
在實(shí)際應用中，以6000W車(chē)載充電器為例，對比IGBT、Hybrid-IGBT、SJ-MOS、SiC MOSFET四種方案可以發(fā)現，從電路效果來(lái)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(chǎng)合，SJ-MOS也有獨特的應用優(yōu)勢。
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