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    第三代半導體與硅器件將長期共存

    作者:時間:2022-07-18來源:電子產品世界收藏

    受訪人:科技

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202207/436349.htm

    1.氮化鎵和碳化同屬,在材料特性上有什么相似之處和不同之處?根據其不同的特性,分別適用在哪些應用領域?貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產品?

      相似之處:相較于傳統的材料,以碳化(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的材料,具有更大的禁帶寬度、更高的臨界場強,使得基于這兩種材料制作的功率半導體具有耐高壓、低導通電阻、寄生參數小等優異特性。

      不同之處及分別適用于哪些應用:碳化硅和氮化硅這兩種寬禁帶半導體材料之間也存在著諸多差異。

      ?適用的電壓等特性不同目標應用不同:碳化硅適用的電壓范圍為650 V-3.3 kV,是1200V以上的高頻器件,同時兼有功率密度高的特點,有著廣泛的應用領域,比如太陽能逆變器、新能源汽車充電、軌道交通、燃料電池中的高速空氣壓縮機、DCDC和電動汽車電機驅動以及數字化趨勢下的數據中心等等,這些都將成為碳化硅的應用市場。在這些市場向超過3000個客戶供應碳化硅產品。

      相對于碳化硅,氮化鎵適用的電壓范圍會低一些,從中壓80 V到650 V。不過它具有快速開關頻率的特性,氮化鎵的開關頻率可以達到MHz級,因此它適用于開關頻率最高的中等功率應用,例如快充、數據中心等。

      SiC/GaN增長前景:一般來說:碳化硅市場的增長是強勁的。最初,需求主要由工業應用驅動,例如太陽能和電動汽車充電等,到現在,這一需求正日益被汽車應用的高需求所超越。另一種非常有前途的半導體材料是氮化鎵。例如,在結構緊湊、高性能和特別高效的充電系統領域,例如消費類設備的充電器以及電信設備的電源裝置等應用,特別顯現其優勢。氮化鎵市場也將呈現高速增長:從4700萬美元(2020年)到8.01億美元(2025年)(CAGR:76%)。

      的主要產品:相對于友商,英飛凌的優勢是同時擁有硅、氮化鎵、碳化硅三種主要的功率半導體技術,在半導體設計、生產和各種應用領域積累了豐富的經驗,這樣可以完全做到以客戶需求為導向,為其提供出色的產品和解決方案,從而滿足客戶獨特的應用需求。

    2.隨著雙碳政策的不斷推進,在節能增效方面能夠帶給相關的系統哪些全新的競爭優勢,貴公司有哪些與第三代半導體功率器件相關的方案可以助力系統的節能增效?

      進入后摩爾時代,一方面,人類社會追求以萬物互聯、人工智能、大數據、智慧城市、智能交通等技術提高生活質量,發展的步伐正在加速。另一方面,通過低碳生活改善全球氣候狀況也越來越成為大家的共識。

      目前全球能源需求的三分之一左右是用電需求,能源需求的日益增長,化石燃料資源的日漸耗竭,以及氣候變化等問題,要求我們去尋找更智慧、更高效的能源生產、傳輸、配送、儲存和使用方式。

      在整個能源轉換鏈中,第三代半導體技術的節能潛力可為實現長期的全球節能目標做出很大貢獻。除此之外,寬禁帶產品和解決方案有利于提高效率、提高功率密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本,因此將在交通、新能源發電、儲能、數據中心、智能樓宇、家電、個人電子設備等等極為廣泛的應用場景中為能效提升做出貢獻。

      例如在電力電子系統應用中,一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現,這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。

      除高速之外,碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點,尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用。

      功率密度是器件技術價值的另一個重要方面。SiC MOSFET芯片面積比IGBT小很多,譬如100A 1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續流二級管之和的五分之一。因此,在電機驅動應用中,SiC MOSFET的價值能夠得到很好的體現,其中包括650V SiC MOSFET。

      在耐高壓方面,1200V以上高壓的SiC高速器件,可以通過提高系統的開關頻率來提高系統性能,提高系統功率密度。這里舉兩個例子:

      a)碳化硅器件作為高壓、高速、大電流器件,簡化了直流樁充電模塊電路結構,提高單元功率等級,功率密度顯著提高,這為降低充電樁的系統成本鋪平了道路。

      在電動汽車直流充電樁的功率單元,如果采用Si MOSFET,則需要兩路串聯,而如果采用SiC MOSFET,單路就可以實現,從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。

      采用英飛凌的碳化硅單管,充電模塊的功率可以達到30千瓦以上。采用英飛凌的碳化硅模塊,充電模塊的功率可以達到60千瓦以上。而采用MOSFET/IGBT單管的設計還是在15-30千瓦水平。

      b)三相系統中的反激式輔助電源,1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案。

      在可靠性和質量保證方面,SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類型,英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規避平面柵的柵極氧化層可靠性問題,同時功率密度也更高。

      正是由于SiC MOSFET這些出色的性能,其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機驅動和電動汽車等領域都有相應的應用。

      然而,碳化硅是否會成為通吃一切應用的終極解決方案呢?

      眾所周知,硅基功率半導體的代表——IGBT技術,在進一步提升性能方面遇到了一些困難。開關損耗與導通飽和壓降降低相互制約,降低損耗和提升效率的空間越來越小,于是業界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術。但是,這樣的看法不是很全面。首先,以英飛凌為代表的硅基IGBT的技術也在進步,伴隨著封裝技術的進步,IGBT器件的性能和功率密度越來越高。同時,針對不同的應用而開發的產品,可以做一些特別的優化處理,從而提高硅器件在系統中的表現,進而提高系統性能和性價比。因此,第三代半導體的發展進程,必然是與硅器件相伴而行,在技術發展的同時,還有針對不同應用的大規模商業化價值因素的考量,期望第三代器件很快在所有應用場景中替代硅器件是不現實的。

    3.新能源汽車和充電樁,也是第三代半導體的主要應用領域之一,您認為,在這兩個方面,第三代半導體主要的技術應用優勢有哪些?對系統的效率和性能,又能帶來哪些新的提升以及新應用的可能?

      新能源汽車:

      在新能源汽車相關領域,續航里程和電池裝機量是關鍵,SiC技術能夠顯著的提升續航里程,或者相同續航里程下,降低電池裝機量和成本。因此,SiC正在越來越多地被采用,特別是在牽引主逆變器、車載充電機OBC以及高低壓DC-DC轉換器中。

      SiC為上述應用帶來的技術優勢:

      牽引主逆變器:

      -提升電池利用率超過5%

      -更高功率密度可減小系統尺寸

      -輕載情況下具有更低導通損耗

      -比硅基IGBT更低的開關損耗

      -對冷卻要求較低,被動元件更少,進而降低系統成本

      車載充電機OBC及DCDC:

      -更快的開關速度有助于減少被動元件,從而提升功率密度,或者實現更小的尺寸。

      -CoolSiC?車規級MOSFET在高速開關的情況下具有業界最低的開關損耗

      -在PFC和DC-DC階段,車載充電機的效率可提升1%,因而冷卻要求更低。

      -在圖騰柱拓撲結構中支持雙向充電

      這里需要強調的是,在未來數年中,不同的半導體技術將并存于市場中,在不同的應用場景中分別具有特殊的優勢。在牽引逆變器中,基于不同的里程、效率和成本考量,SiC和硅基IGBT各有各的發揮空間。例如,SiC用于后輪主牽引驅動,可提升巡航里程;而硅基IGBT則用于前輪,以便優化成本。在極端情況下,例如車載充電機中,在同一架構下,會同時采用多達五種不同的半導體技術,包括IGBT,硅基二極管、硅基MOSFET,超結MOSFET和SiC MOSFET。

      英飛凌在汽車級碳化硅產品方面的布局:

      英飛凌針對多種xEV系統已經推出了廣泛的SiC的解決方案及全方位的車規級產品系列,包括CoolSiC?車用二極管、CoolSiC?車用MOSFET、全SiC模組的HybridPACK?Drive CoolSiC?等。

      近期來看,我們在2021年3月份發布了能提供業界最佳開關和導通損耗的650V CoolSiC?Hybrid分立器件。與對應的硅器件相比,它具有更高的可擴展性,已廣泛用于多款車型。該器件在圖騰柱拓撲中以理想的性價比完美契合了雙向充電的趨勢。

      在5月份,英飛凌發布了用于牽引逆變器的HybridPack-Drive CoolSiC?產品。HybridPack-Drive系列產品的發貨量已超過一百萬片,被用于全球超過20個汽車平臺。新的HybridPack-Drive CoolSiC?產品是市場上首款經過車規認證的模組,與對應的硅器件相比,可擴展能力很強,可輕松覆蓋180kw功率段。該產品基于我們改進的溝槽柵MOSFET技術,同時具備高可靠性和高性能的特點。該產品可用于800伏電池系統,具有2個可選擇的電流等級,并已在現代汽車(Hyundai)800V e-GMP平臺新款車型Ioniq 5上投入使用。

      英飛凌的Si和SiC產品線均具有很高的可擴展性,這是我們區別于其他品牌的重要特征。用戶可根據需要在我們的Si和SiC產品線中自由選擇不同的封裝、電壓等級、功率等級,總而實現很高的設計靈活性,加速產品上市進程,降低設計難度。這一特點在諸如電動汽車之類的快速變化的市場上,是客戶非常重視的考量因素。此外,我們產品高效率特性幫助客戶實現了提升電動車續航里程的設計目標。

      下圖為英飛凌汽車級CoolSiCTM產品的列表

      充電樁:關于充電樁的部分,請參考第3題

    4.數據中心是節能降耗的一個重要應用領域,您認為第三代半導體可以在哪些方面提升數據中心的能源利用效率?在數據中心中,哪些第三代半導體的產品可以得到廣泛的應用。第三代半導體的應用又會如何影響數據中心功能的升級?

      其實數據中心的能耗是非常大的。2021年耗電量大概是937億度電。也就是說大部分能耗其實是來源于IT設備的消耗,但是整個電源的輸電結構、配電結構也決定了整個數據中心的能效。所以我們看到一個新的趨勢,有可能會由現在的傳統UPS的配電結構轉變成以電力電子變壓器SST為主要接口的一體化的供電,是直流供電系統。

      基于碳化硅技術,有助于這種電力電子變壓器直接將10千伏的市電轉化成380伏的直流。就當前實際已經開始使用的案例來看,供電效率能夠提升到95%以上,而直流配網的效率也可以提升到97%以上,所以相信在這一領域,未來在2022年也會有更多長足的發展和驗證。在這一進程中,我們也非常期待用英飛凌先進的碳化硅技術,保障數據中心的供電連續性和安全性。

    5.隨著第三代半導體材料的推廣應用,氮化鎵除了在快充領域迅速占領市場以外,未來還將可能在哪些領域嶄露頭角?貴公司有哪些產品和方案?

      氮化鎵市場的發展變化:這兩年硅基氮化鎵開關器件的商用化進程,和五年前市場的普遍看法已經發生了很大的變化,其中有目共睹的是基于氮化鎵件的高功率密度快充的快速成長。這說明影響新材料市場發展的,技術只是眾多因素當中的一個。未來五年,我們比較看好的氮化鎵的應用領域包括:消費類快充、服務器/通信電源,馬達驅動,工業電源,音響,無線充電,激光雷達等,其中快充會繼續引領氮化鎵開關器件的市場成長。

      氮化鎵落地的技術挑戰及英飛凌的解決方案:作為功率開關器件的硅基氮化鎵在商用化的進程中,除了性能和價格,最引起關注的話題是長期可靠性。目前氮化鎵開關器件絕大多數都是在硅襯底上生長氮化鎵,并以二維電子氣作為溝道的GaN HEMT。從2010年IR發布的業界第一款硅基氮化鎵開關器件到現在,整個業界對硅基氮化鎵的研究可以說已經很深入了,但真正大規模的應還是在最近幾年的事。相對而言,硅乃至碳化硅在市場上運行的時間要長得多,現存器件數量也大得多,因此氮化鎵相對其他兩種材料而言,可供分析的失效案例要少很多。這也是消費類的快充成為氮化鎵快速成長引擎的其中一個原因。另外,因為硅基氮化鎵超小的寄生參數,使其為用戶帶來極低開關損耗的優勢之外,也大大提高了驅動此類器件的難度。

      英飛凌很早就將著眼點放在硅基氮化鎵可靠性的研究實踐上,并在JEDEC標準之上增加了多重措施,確保我們生產的硅基氮化鎵的長期可靠性遠高于市場平均水平。另外,硅基氮化鎵的長期可靠性與器件在其應用場景中的電壓擺幅、開關頻率、占空比、溫度等等都高度相關。因此我們建議用戶在產品設計中,與硅基氮化鎵供應商的技術支持人員就具體應用場景作深度交流,以對長期可靠性做出評估。在器件驅動方面,英飛凌開發了專用的氮化鎵驅動器,減輕了用戶設計驅動電路時的壓力。

    6.隨著這一輪缺芯潮的逐漸平息,我們可以看到芯片供應鏈有諸多待改善的地方,那么第三代半導體在供應鏈上會有怎樣的優化?功率半導體企業如何來應對材料供應鏈的問題?

      ?今天,英飛凌引領著SiC的工業應用市場,并以業界最廣泛和最可擴展的產品組合成功地推動SiC在汽車領域的應用。公司直接或通過分銷向3,000多個客戶供貨。20多年來,碳化硅(SiC)對英飛凌來說一直很重要。早在2001年,我們就已經在市場上推出了基于S iC的產品和解決方案。

      ?在去年10月份的資本市場日上,英飛凌提出了對碳化硅和氮化鎵(GaN)業務的展望。英飛凌預計,本財年碳化硅業務將增長90%,到2025年左右銷售額將達到10億美元,占有30%的市場份額。

      ?為了確保供應的可靠性,英飛凌依靠廣泛的供應商網絡和與不同合作伙伴的共同努力。

      ?英飛凌還宣布,將投資20多億歐元在居林建立一個廠區,主要生產化合物半導體。我們還將繼續擴大菲拉赫的產能。

      ?2018年,英飛凌戰略性地收購了Siltectra公司的晶圓和晶錠切割技術,通過大幅減少SiC生產過程中的原材料損耗來提高產出,從而提升了我們的競爭優勢。

    7.您認為隨著成本的下降,未來GaN在中低功率領域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件?在功率器件的工藝上第三代半導體帶來了哪些改變?

      至少在可見的將來,第三代半導體不會完全取代第一代半導體。因為從性價比的角度來說,在非常寬的應用范圍中,硅基半導體目前依然是不二之選。第三代半導體目前在商業化上的瓶頸就是成本很高,雖然在迅速下降,但依然遠高于硅基半導體。

      當然,我們可能在市面上看到一些定價接近硅基半導體的第三代半導體器件,但并不代表它的成本就接近硅基半導體,那是一種商業行為,就是通過低定價來催生這個市場。以目前的工藝來講,第三代半導體的成本還是遠高于硅基半導體。

      在可預見的將來,基本上硅基半導體還是會占據大部分市場。碳化硅主要用在高功率、高電壓的場景。氮化鎵則主要是用在追求超高頻率的場景,手機快充就是一個很顯著的例子。



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