寬禁帶半導(dǎo)體器件的春天要來了嗎？

從智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，到家電、工廠和汽車，電力電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了我們生活的一部分。隨著云計(jì)算、工業(yè)4.0，以及電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的發(fā)展，電力電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)的革命正在全面展開，人們除了關(guān)注電力電子產(chǎn)品的安全性和可靠性之外，也開始關(guān)注效率、性能和尺寸問題了，這讓人們開始認(rèn)識(shí)到我們需要對(duì)現(xiàn)在能源的產(chǎn)生、分配和管理模式做一些改變了。

特別是近幾年來，在電動(dòng)汽車的推動(dòng)下，SiC功率器件的需求猛增。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2017年SiC功率器件業(yè)務(wù)達(dá)到3.02億美元，較2016年的2.48億美元增長22%。由于采用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產(chǎn)能增長，在汽車行業(yè)的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)2018年會(huì)實(shí)現(xiàn)飛躍。Yole估計(jì)，到2023年，SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將達(dá)到15億美元。

安森美半導(dǎo)體Technical Fellow，SiC開發(fā)領(lǐng)域負(fù)責(zé)人Thomas Neyer也透露，“今天的SiC市場(chǎng)已經(jīng)是3.5億美元的市場(chǎng)。”他預(yù)計(jì)未來五年內(nèi)會(huì)增長到13億美元。

他還補(bǔ)充說，如果未來幾年成本加速下降，這一預(yù)測(cè)很容易翻番，甚至增至3倍。Thomas Neyer承認(rèn)目前GaN的使用率還比較低，市場(chǎng)規(guī)模小于5000萬美元，“但在未來5到10年，GaN將會(huì)主導(dǎo)80V~600V的中壓應(yīng)用，并有可能在該領(lǐng)域完全取代硅基MOSFET，吞食掉這一超過100億美元的市場(chǎng)蛋糕。”

圖1：安森美半導(dǎo)體Technical Fellow，碳化硅(SiC)開發(fā)領(lǐng)域負(fù)責(zé)人Thomas Neyer

為何是寬禁帶半導(dǎo)體？

GaN晶體管在20世紀(jì)90年代首次出現(xiàn)，2010年宜普電源轉(zhuǎn)換公司(EPC)推出第一個(gè)器件后，宣布了GaN開始了的正式商業(yè)化應(yīng)用之路。SiC二極管自2001年推出，到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了所有高性能電源、可再生能源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。

基于SiC的功率半導(dǎo)體用于600V~10kV應(yīng)用。大多數(shù)SiC應(yīng)用是在600V到1700V，但當(dāng)電壓達(dá)到3.3kV~10kV時(shí)，它他仍然非常適合，例如風(fēng)力發(fā)電和小型電網(wǎng)。而GaN適用于30V~600V的中壓電源應(yīng)用。因此，GaN和SiC其實(shí)是互補(bǔ)的技術(shù)，而非相互競(jìng)爭的技術(shù)。

最近幾年GaN的應(yīng)用開始逐漸增多，比如近幾年興起的汽車用激光雷達(dá)(LiDAR)有很多就是采用了GaN器件來做高頻開關(guān)的；在電動(dòng)汽車市場(chǎng)，EPC和Transphorm的GaN器件已經(jīng)取得了車規(guī)認(rèn)證，為汽車領(lǐng)域使用GaN器件做好了準(zhǔn)備；在消費(fèi)電子領(lǐng)域，據(jù)悉蘋果公司對(duì)基于GaN技術(shù)的無線充電解決方案充滿了興趣，Navitas和Exagan今年已推出一款集成了GaN解決方案的45 W快速充電電源適配器。

GaN Systems公司CEO Jim Witham在接受采訪時(shí)表示，電力電子技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，GaN可作為數(shù)據(jù)中心、汽車、可再生能源、工業(yè)和消費(fèi)電子等解決方案的基石技術(shù)。這是因?yàn)镚aN與硅基功率器件相比有很明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖2：GaN Systems公司CEO Jim Witham

GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

ADI在一篇技術(shù)文章中談到，從工程角度來看，SiC和GaN具有的優(yōu)勢(shì)主要有下面4個(gè)：

首先，寬禁帶半導(dǎo)體具有卓越的dV/dt切換性能，這意味著開關(guān)損耗非常小。這使得高開關(guān)頻率(SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上)成為可能，結(jié)果有助于減小磁體體積，同時(shí)提升功率密度。

二是，電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時(shí)還能減少電容數(shù)量，使最終轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量僅相當(dāng)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。

三是無源元件和機(jī)械部件(包括散熱器)的用量可節(jié)省約40%，增值部分則體現(xiàn)在控制電子IC上。

四是寬禁帶半導(dǎo)體對(duì)高結(jié)溫具有超高的耐受性，這種耐受性有助于提升功率密度，減少散熱問題。

現(xiàn)代電子技術(shù)偏愛高壓，轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體的高壓系統(tǒng)，是因?yàn)椋菏紫?，高壓意味著低電流，這也意味著系統(tǒng)所用的銅總量會(huì)減少，結(jié)果會(huì)直接影響到系統(tǒng)成本的降低；其次，寬禁帶技術(shù)(通過高壓實(shí)現(xiàn))的阻性損耗減少，結(jié)果意味著更高的效率，還能減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，降低其必要性；最后，在子系統(tǒng)層次，它們使工程師可以從基于基板功率模塊的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向分立式設(shè)計(jì)或基于功率模塊的輕型設(shè)計(jì)。這也就是說要采用兼容型PCB和較小的電線，而不是采用匯流條和較重的電線。

在Jim Witham看來，目前最適合寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的市場(chǎng)有數(shù)據(jù)中心、汽車、可再生能源等行業(yè)。“數(shù)據(jù)中心、汽車和可再生能源之前是三個(gè)非常獨(dú)立的市場(chǎng)，而現(xiàn)在發(fā)生了巨大的變化，它們開始變得相互關(guān)聯(lián)了。它們現(xiàn)在都非常關(guān)注效率問題。”

在數(shù)據(jù)中心方面，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心消耗的電量占全球總用電量的2%，Jim Witham認(rèn)為未來可能會(huì)到5%，甚至更多。“GaN技術(shù)可以發(fā)揮重要作用，通過在服務(wù)器機(jī)架中使用更高效和更小的電源，可以在同一機(jī)架空間中，使用更多的服務(wù)器，這就意味著該數(shù)據(jù)中心可以獲得更多的收入。”

當(dāng)然，數(shù)據(jù)中心除了關(guān)注輕量級(jí)和小尺寸外，更為關(guān)注的其實(shí)是能源效率問題，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本里，有40%是電力成本。降低能源消耗，可以節(jié)省一大筆成本。Jim Witham表示，“微軟在過去5年，數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長了5倍，預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模會(huì)增長5到10倍。”

現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心開始與汽車行業(yè)聯(lián)系起來了，汽車公司也預(yù)測(cè)其數(shù)據(jù)中心將增長10倍。因?yàn)樽詣?dòng)駕駛會(huì)收集大量數(shù)據(jù)，并將一部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到云端，然后對(duì)其進(jìn)行分析，并通過AI和機(jī)器學(xué)習(xí)后，在返回給汽車，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的目標(biāo)。

意法半導(dǎo)體總裁兼CEO Jean-Marc Chery也看到了寬禁帶半導(dǎo)體的市場(chǎng)前景。他在參加ASPENCORE舉辦的“全球雙峰會(huì)”的主題演講中就提到，ST在積極推進(jìn)SiC器件的產(chǎn)業(yè)化，他認(rèn)為SiC器件是賦能電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。

電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛是驅(qū)動(dòng)汽車市場(chǎng)向前發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)因素。在汽車當(dāng)中有三大應(yīng)用是與電源相關(guān)的，即充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。在這三大用途中，牽引逆變器是目前為止可以從GaN和SiC技術(shù)中受益最多的。因?yàn)槭褂肎aN和SiC器件后，可以減輕汽車的重量，提高能效，讓電動(dòng)汽車能夠行駛更遠(yuǎn)距離，同時(shí)可以使用更小的電池和冷卻系統(tǒng)。

在自動(dòng)駕駛中，由于汽車中需要安裝很多傳感器，而GaN可以幫助LiDAR改善傳感器的性能，還有車內(nèi)為手機(jī)和電腦充電的無線充電，也是GaN的用武之地。

Thomas Neyer也認(rèn)為，從2020年起，寬禁帶器件將主導(dǎo)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵應(yīng)用，包括充電基礎(chǔ)設(shè)施、車載充電器、牽引逆變器和車載DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，服務(wù)器電源和5G基礎(chǔ)設(shè)施可在高壓直流(HVDC)輸電類型的拓?fù)渲惺褂脤捊麕骷?/p>

寬禁帶半導(dǎo)體面臨的挑戰(zhàn)

雖然GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體正在快速增長中，但其實(shí)它們的發(fā)展還是面臨著許多挑戰(zhàn)的。

首先是所有新技術(shù)在推廣初期都會(huì)遇到的成本問題。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，目前SiC MOSFET器件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上。這主要是由于下游應(yīng)用目前大多處在研發(fā)階段，還沒有形成批量產(chǎn)業(yè)化，尤其是在國內(nèi)。孫克博士在9月份的“2018年國際泛半導(dǎo)體投資論壇”上表示，“從整個(gè)國際半導(dǎo)體市場(chǎng)來看，我們判斷寬禁帶半導(dǎo)體基本上處在爆發(fā)式增長的前期。”

安森美的Thomas Neyer對(duì)成本沒那么在意，他認(rèn)為寬禁帶半導(dǎo)體目前遇到的最大挑戰(zhàn)在于為了充分利用SiC器件的功率和性能，必須對(duì)封裝進(jìn)行顯著改進(jìn)。因?yàn)镾iC器件的尺寸要小得多，因此，必須優(yōu)化分立封裝和模塊的熱性能，為此需要改進(jìn)粘晶材料(die attach materials)和方法，這需要直接散熱和/或雙面散熱的方案。提高開關(guān)速度需要盡可能降低寄生電感，高電流密度需要覆晶(flip-chip)和非引線鍵合(non-wire bonded)方案。

他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，真正的挑戰(zhàn)是為市場(chǎng)提供強(qiáng)固和高性能的器件，實(shí)現(xiàn)與硅電源半導(dǎo)體相當(dāng)或優(yōu)于硅電源半導(dǎo)體的穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行。而這需要深入的專知和了解SiC故障模式。

在孫克博士看來，最大的挑戰(zhàn)來自材料的制備，“做芯片、做模塊可以借鑒硅的技術(shù)，但是材料的制備難度非常大，碳化硅的制備和硅的制備不同，這是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展很核心的障礙。要先解決材料問題，降低材料成本，然后再提高材料的一致性。”

寬禁帶半導(dǎo)體的現(xiàn)狀和未來

當(dāng)前市場(chǎng)上，大約有15家SiC二極管制造商和約5家SiC MOSFET制造商，還有一些公司致力于SiC JFET、SiC BJT或SiC IC技術(shù)?，F(xiàn)階段對(duì)于更多供應(yīng)商還有足夠的發(fā)展空間。

目前ROHM，英飛凌、美高森美(Microsemi) 、安森美等公司都在投入SiC的研發(fā)和產(chǎn)品量產(chǎn)。

安森美半導(dǎo)體已確定SiC技術(shù)為下一代電源管理器件技術(shù)的核心戰(zhàn)略，并相應(yīng)地大量投資于制造基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)專長。“因此，我們提供不同尺寸和封裝的600 V至1700 V SiC二極管和900 V至1200 V SiC MOSFET，并積極致力于擴(kuò)增產(chǎn)品陣容，雖然這其中一些技術(shù)要在未來2至3個(gè)季度才投放到市場(chǎng)，但安森美半導(dǎo)體已看到這些技術(shù)對(duì)所有工業(yè)和汽車高功率市場(chǎng)有很大的吸引力。” Thomas Neyer對(duì)《電子工程專輯》表示。

Jean-Marc Chery表示，“SiC器件是賦能電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，我們的SiC器件已經(jīng)量產(chǎn)， 我們是SiC唯一供應(yīng)商，同時(shí)我們和行業(yè)領(lǐng)先汽車保持合作，我們有30多個(gè)SiC項(xiàng)目在汽車上被廣泛采用。”他透露，“今年我們?cè)赟iC市場(chǎng)會(huì)占據(jù)90%份額，這個(gè)市場(chǎng)到2020年會(huì)有6億美元規(guī)模。到2025年會(huì)有30億美元規(guī)模而我們會(huì)占據(jù)30%市場(chǎng)份額。”

英飛凌在11月13日宣布以1.24億歐元的價(jià)格收購德國初創(chuàng)公司Siltectra，將“冷切割”(Cold Spilt)這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)收入囊中。這是一種高效的晶體材料加工工藝，能夠?qū)⒉牧蠐p失降到最低。英飛凌將會(huì)把這項(xiàng)技術(shù)用到SiC晶圓切割上，從而讓單片晶圓可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番。

英飛凌 CEO Reinhard Ploss 博士表示：“此次收購有助于我們利用 SiC 新材料，并拓展我司優(yōu)秀的產(chǎn)品組合。我們對(duì)薄晶圓技術(shù)的系統(tǒng)理解和獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)，將與 Siltectra 的創(chuàng)新能力和冷切割技術(shù)相輔相成。”

Ploss還希望該技術(shù)有助于改善其經(jīng)濟(jì)和資源使用，特別當(dāng)前不斷增長的電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)。

一直致力于硅基GaN的研究的MACOM也在今年2月份宣布了與ST的一份硅基GaN合作開發(fā)協(xié)議，來增強(qiáng)GaN器件的供應(yīng)能力。MACOM預(yù)計(jì)這項(xiàng)協(xié)議在擴(kuò)大MACOM供應(yīng)來源的同時(shí)，還將促進(jìn)擴(kuò)大規(guī)模、提高產(chǎn)能和成本結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而加速硅基氮化鎵技術(shù)在大眾市場(chǎng)的普及。

總之，電力電子產(chǎn)品正在蓬勃發(fā)展，從智能手機(jī)、汽車、數(shù)據(jù)中心、到可再生能源系統(tǒng)，電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了我們生活中越來越大的一部分，而寬禁帶半導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)這一切的過程中將發(fā)揮重要作用。相信未來幾年將會(huì)是寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的“春天”。