碳化矽為何讓人又愛又恨？
2019-09-05
作者
邵樂峰，ESMC
SiC領域的專業人士對SiC元件往往是 「又愛又恨」。一方面，SiC元件具有高壓、高頻和高效率的優勢，但另一方面，SiC在製造和應用方面又面臨很高的技術要求...
Yole Développement在近日發佈的《功率碳化矽(SiC)：材料、元件及應用2019版》報告中預計，到2024年，SiC功率半導體市場規模將增長至20億美元，2018~2024年期間的複合年增長率將高達29%。其中，汽車市場無疑是最重要的驅動因素，其SiC功率半導體市場份額到2024年預計將達到50%。
晶圓短缺還會持續嗎？
過去的兩三年裡，晶圓供應短缺一直是制約SiC產業發展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內的眾多重量級玩家已經意識到必須擴大投資，以支援供應鏈建設。
科銳(Cree)在今年5月宣佈將投資10億美元建造一座200mm SiC生產工廠和一座材料超級工廠，從而確保Wolfspeed SiC和GaN-on-SiC(碳化矽基氮化鎵)產能在2024年實現30倍的增長，以滿足電動車(EV)和5G市場需求。
意法半導體(STMicroelectronics；ST)2018年SiC收入約為1億美元，其2019年的目標收入為2億美元，2025年目標收入定為10億美元，並希望由此佔據30%的SiC市場份額。為此，ST在今年1月與Cree簽署了SiC晶圓多年供貨協定，根據協定，Cree將向ST供應價值2.5億美元的150mmSiC裸晶圓和外延晶圓。一個月後，ST又宣佈收購瑞典SiC晶圓供應商Norstel AB 55%的股份，並享有在滿足某些條件下收購剩餘45%股本的期權，如果行使期權，最終收購總價為1.375億美元。
同為SiC生產大廠的英飛凌(Infineon)自然也不甘落於人後。除了早在2018年2月就宣佈與Cree達成SiC晶圓長期供貨戰略協定外，還於同年11月收購了初創企業Siltectra，並借此獲得了一種名為「冷切割(Cold Spilt)」的高效晶體材料加工製程。英飛凌計畫將這項技術用於SiC晶圓的切割，並在未來5年內實現該技術的工業化規模使用，從而讓單片晶圓可出產的晶片數量翻一背。據瞭解，截止至2018年，英飛凌SiC在充電樁市場的市佔率超過五成。
以羅姆(Rohm)為代表的日系廠商則是SiC市場的另一支重要力量。該公司從2000年就開始進行SiC MOSFET的基礎研究，並在2009年收購德國SiC晶圓材料廠商SiCrystal，從而擁有了從晶棒生產、晶圓製程到封裝組裝的完全垂直整合的製造製程。其里程碑事件包括2010年全球首發SiC SBD(蕭特基二極體)/MOSFET並實現量產、2012年全SiC模組量產、2015年溝槽型SiC MOSFET量產，以及2017年6吋SiC SBD量產。
羅姆6吋SiC MOSFET晶圓。
市場調研機構Yole Développement的資料顯示，2013年羅姆在全球SiC市場的市佔為12%，而富士經濟的資料則顯示，2018年羅姆的市場份額已增長至23%。羅姆半導體(北京)技術中心所長水原德健表示，從2017年到2025年，羅姆將階段性投資共計850億日元用於SiC生產。作為該項投資的一部分，羅姆在時隔12年之後再次在日本國內修建了一座佔地面積20,000m2的Apollo新工廠，主要為SiC元件提供晶圓，已於2019年4月動工，預計2021年投入使用。屆時，其SiC產能將是2017年的6倍，到2025年將達到16倍。
但安森美半導體(ON Semiconductor)低壓及電池保護MOSFET和寬能隙資深總監兼總經理Bret Zahn對「晶圓供應短缺制約了SiC市場發展」的說法持保留意見。
「我認為平台導入設計的嚴格流程和隨後的認證一直是門檻，市場採用反而是在持續增加。」他分析稱，SiC市場此前主要使用100mm晶圓，直到最近2~3年，更多的SiC元件供應商開始進入市場，帶來了更激烈的市場競爭，由於具備成本優勢，150mm晶圓開始受到青睞。不過，150mm晶圓成品率不能與100mm晶圓成品率相當，所以供應商一直在努力提高更大直徑晶體的品質，這導致了高成品率150mm SiC晶圓的短缺。但隨著100mm晶圓供應商現在開始提供同等或更好裸片品質的150mm晶圓，以及不斷有新的晶圓供應商加入市場，SiC晶圓短缺現象已經開始得到緩解。
安森美於2017年進入SiC元件供應商市場，技術來自2016年末收購的Fairchild半導體。作為一家相對較新的SiC元件供應商，安森美從一開始就使用150mm晶圓生產，其核心策略是認證多個供應商，再重點收購那些能夠提供最高裸片成品率晶體的供應商，以確保SiC晶圓供應。同時，安森美還制定了內部SiC晶體成長計畫，目標是在2022年底提供至少50%的自有SiC晶圓，這種全面的SiC垂直整合對於保證供應(尤其是汽車客戶)和提供最低成本的SiC製造基礎設施極為關鍵。
汽車為重塑SiC市場關鍵
SiC最初的應用場景主要集中在太陽能儲能逆變器、資料中心伺服器UPS電源和智慧電網充電站等需要轉換效率較高的領域。以一款5KW LLC DC/DC轉換器為例，其電源控制板在採用矽絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)時，重量7kg，體積8,775cc；而當採用SiC MOSFET之後，重量銳減至0.9kg，體積減小到1,350cc。這得益於SiC MOSFET的晶片面積僅為Si-IGBT的1/4，並且其高頻特性使損耗相比Si-IGBT下降了63%。
但人們很快發現，SiC的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機械(更小尺寸)和熱性質(更高溫度的運作)也非常適合製造很多大功率汽車電子元件，例如車載充電器、降壓轉換器和主驅逆變器。尤其是特斯拉(Tesla)在其Model 3主驅逆變器中採用了SiC元件之後，示範效應被迅速放大，使xEV車市場很快成為SiC市場振奮的源泉。
著名的電動方程式賽車(Formula-E)中也用到了SiC技術。從2016年第三賽季開始，羅姆開始贊助Venturi車隊，並在賽車中使用IGBT+SiC SBD組合取代傳統200kW逆變器中的IGBT+Si FRD方案，相比之下，使用SiC方案後，逆變器在保持功率不變的前提下，重量降低2kg，尺寸減小19%。而當2017年第四賽季採用SiC MOS+SiC SBD後，不但重量降低了6kg，尺寸減小43%，逆變器功率也由此前的200KW上升至220kW。
目前，xEV車中的主驅逆變器仍以IGBT+Si FRD方案為主，但考慮到未來電動車需要更長的行駛里程，更短的充電時間和更高的電池容量，採用SiC MOSFET元件將是大勢所趨，時間節點大約在2021年左右。此外，車用OBC和DCDC應用，也已經先後在2017/2018年迎來重大革新，分別由SiC SBD轉向SiC SBD+SiC MOSFET和從矽MOSFET演變為SiC MOSFET。同時，採用SiC SBD＋SiC MOSFET方案的無線充電和採用SiC MOSFET方案的大功率DCDC正在研發中。
SiC在汽車應用中的趨勢。
「將SiC逆變器用於電動車所帶來的經濟收益顯而易見。」水原德健說，透過SiC可以提高3~5%的逆變器效率，降低電池成本/容量，並且SiC MOSFET有很大機會被率先引入高檔車中，因為其電池容量更大。
但Zahn提醒業界說，在開發SiC時，晶圓製造、封裝/測試、應用測試和最終合格檢驗等開發鏈中的一切都必須重新考慮。例如，被認為在xEV市場最具吸引力的大裸片低導通電阻Rdson元件已被認定是個巨大的挑戰。由於SiC不同的屬性和小得多的裸片尺寸，業界需要再次重新考慮許多熱機械應力問題，也需重新設計互連技術，以獲得更高的電流密度和更低的電感。此外，在xEV市場，為了充分利用SiC所有的優勢，還必須強化夥伴關係，加強客戶溝通，以創建高度定制的系統方案。
離散元件 VS. 功率模組
和IGBT一樣，對於SiC，業界也普遍希望模組扮演關鍵角色。但是全SiC模組將採用什麼形式？儘管一些製造商採用了標準矽封裝，但大多數製造商已經開發出自己的SiC模組，例如特斯拉透過與ST、Boschman合作開發，已經成功打造了具有自主智慧財產權的SiC模組設計供應鏈，相關元件由意法半導體完成製造。
Zahn說太陽能和xEV市場在SiC使用方面的發展路徑很有趣。過去兩年，太陽能市場經歷了IGBT/SiC混合升壓模組的加速推出，並在2019年開始邁向全SiC模組。也就是說，太陽能市場選擇的是一條從IGBT到混合IGBT/SiC，再到全SiC的路徑。
但xEV市場有些不同，它們繞過了混合方案，直接向全SiC模組發展。這裡有兩個原因：第一、相比IGBT/SiC混合方案，xEV供應商發現使用全SiC模組逆變器能夠以更低的系統成本為xEV市場提供更好的性能；第二，競爭因素也在起作用，許多xEV供應商在看到同行採用全SiC系統方案後獲得了更好的行駛里程後，意識到他們也必須這樣做，否則就會被市場迅速淘汰。
降低價格最快方法
SiC領域的專業人士對SiC元件往往是 「又愛又恨」。一方面，SiC元件具有高壓、高頻和高效率的優勢，在縮小體積的同時提高了效率，為市場帶來的機遇也遠遠大於挑戰。但另一方面，SiC在製造和應用方面又面臨很高的技術要求，如何降低使用門檻成為業界熱議的話題。
ST總裁兼技術長Jean-Marc Chery認為，業界需要在短期內應對兩個關鍵挑戰：一個是供應鏈，另一個是成本。原材料供應商和設備供應商需要在數量上調整供應鏈，並採取相關措施來推動、證明在電動車等領域採用SiC是節能的。同時，與矽相比，儘管SiC在擊穿場強、能隙寬度、電子飽和速度、熔點，以及熱導率方面都更具優勢，但堅硬的材質和複雜的製造製程流程大幅提高了成本，相關企業必須要在縮小元件、增加晶圓尺寸、降低材料成本、最佳化模組設計等方面下功夫。
但即便如此，「單個SiC元件的成本還是會高於傳統矽元件」。不過，Chery說ST強調的是系統成本的最終節省。例如，在電動車中，SiC元件可能會額外增加300美元的前期成本，但總體而言，由於電池成本、電動車空間和冷卻成本的降低，卻節省了2,000美元的系統成本。
Zahn對此持同樣的觀點，原因也基本類似，主要源於SiC能夠提供更高的能效，延長電池使用壽命，減少熱量，並且有助於減少汽車電源管理系統的尺寸和重量，從而帶來更遠的行駛里程。雖然目前在元件級SiC價格仍然比矽IGBT貴，但是這些優點節省了系統級成本，這對xEV市場極具吸引力。
安森美方面認定垂直整合是實現SiC與IGBT成本平價(cost parity)的最快方法。除了垂直整合從晶棒生長到成品(包括裸片、離散元件和模組)用於工業和汽車市場外，建構包括驅動器、全系列離散二極體和MOSFET、定制和插入即用的模組方案、先進的SPICE模型和世界一流應用工程團隊在內的SiC生態系統亦非常關鍵，這能夠協助使用者加速定制設計和上市時間。
在英飛凌工業功率控制事業部總監馬國偉看來，SiC的價格問題一直很嚴峻，客戶永遠希望價格越低越好。但作為一個新興技術，SiC自然也有新興技術所存在的普遍問題：產量小、穩定度不夠、價格高。雖然大家都希望SiC技術可以普及，但是從新興技術發展到通用技術這個過程往往十分漫長。
「IGBT從1990年發展至今，30年間經歷了7代技術革新，晶圓尺寸從4吋增加到12吋，晶片厚度從300μm降低到60μm，最終成本降到了原先的五分之一。所以SiC技術也同樣需要時間來進行技術上的打磨，從而降低成本。」馬國偉說。
下圖是羅姆提供的功率半導體元件使用場景總結。如果以開關頻率作為橫坐標，輸出功率或電壓作為縱坐標，那麼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。
功率半導體元件使用場景總結。(資料來源：羅姆)
因此，儘管非常看好SiC，但ST方面還是強調，SiC並不會完全取代矽基IGBT或MOSFET，這些技術產品在開關特性、功耗和成本方面各不相同，每一種都有自己非常適合應用領域。英飛凌大中華區副總裁于代輝則認為，SiC能在某個產業對其效率有革命性的提升，比如提高能效、減少重量與體積。但SiC元件也不是萬能藥，在接下來的很長一段時間內，矽與SiC元件都會長期並存並共同發展。
本文為姊妹刊國際電子商情原創文章並同步刊登於國際電子商情2019年9月號雜誌
