SiC功率器件為什么如此受關(guān)注？

單祥茹

目前，半導(dǎo)體功率元器件主要以三種材料為基礎(chǔ)，分別是硅、碳化硅（SiC）以及氮化鎵（GaN）。當(dāng)這些元器件用于電力電子設(shè)備等高功率系統(tǒng)時(shí)，硅材料存在著如下局限性：一是熱導(dǎo)率有限，二是在某些應(yīng)用中切換頻率困難，三是低帶隙能量，四是更高的功率損耗。與普通的硅材料相比，碳化硅（SiC）的優(yōu)勢非常突出，它不僅克服了普通硅材料的某些缺點(diǎn)，在功耗上也有非常好的表現(xiàn)，因而成為電力電子領(lǐng)域目前最具前景的半導(dǎo)體材料。正因?yàn)槿绱?，已?jīng)有越來越多的半導(dǎo)體企業(yè)開始進(jìn)入SiC市場，羅姆半導(dǎo)體（ROHM）、恩智浦半導(dǎo)體（NXP）、三菱電氣、英飛凌、Cree就是氮化鎵和SiC功率半導(dǎo)體市場最具代表性的企業(yè)，尤其是羅姆半導(dǎo)體在最近幾年的市場表現(xiàn)尤其引入關(guān)注。據(jù)羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司技術(shù)中心所長水原德健先生介紹，羅姆半導(dǎo)體連續(xù)多年均以較大資金投入到SiC產(chǎn)品的研發(fā)和制造上面，現(xiàn)在是業(yè)內(nèi)唯一既有自己的晶圓廠又有最終產(chǎn)品的SiC器件提供商，同時(shí)還是日本國內(nèi)第一家量產(chǎn)SiC肖特基產(chǎn)品的企業(yè)。

SiC功率器件有哪些優(yōu)點(diǎn)？

SiC功率器件帶來的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是耐高壓。由SiC材料制成的功率器件能夠承受比普通硅材料高10倍的電壓。這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本均產(chǎn)生較大影響。因?yàn)镾iC可以承受更高的電壓，所以建立在SiC功率器件上的系統(tǒng)就會(huì)需要更少的串聯(lián)開關(guān)，與之相對(duì)應(yīng)的則是更簡單、更可靠的系統(tǒng)布局，以及由于組件數(shù)量減少而降低的制造商成本。

按照水原德健先生給出的例子，一個(gè)5000W左右的DC/DC系統(tǒng)，如果采用基于硅材料的IGBT功率器件，它的重量將達(dá)到7公斤左右，體積約8升。如果用SiC功率器件來置換，系統(tǒng)的重量可以降到原來的1/8左右。為什么可以做到這么??？一是SiC芯片的尺寸更小一些，相應(yīng)地功耗也會(huì)降低，使用的散熱板也變小。二是SiC器件的工作頻率更高，帶動(dòng)了整個(gè)周邊的器件都可以做的很小，比如變壓器、線圈等。

二是耐高溫。由硅材料制成的功率器件其額定工作溫度通常不超過150℃，因此IGBT的導(dǎo)熱系數(shù)不是太好。相比之下，SiC器件在2001C或更高的溫度下仍可以保持功能性和完整性。應(yīng)注意的是，大多數(shù)商用級(jí)SiC功率器件通常給出175℃的推薦溫度額定值。

三是更小尺寸。SiC的物理特性使得器件的導(dǎo)通電阻可以做得更低，效率有了較大提高，尺寸因此可以做得更小，在高頻應(yīng)用中這一優(yōu)勢尤其明顯。因?yàn)镾iC器件的這一特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者就可以使用越來越小的電容器和存儲(chǔ)電感，從而降低了電氣系統(tǒng)的總成本，整個(gè)模塊的尺寸也會(huì)做得更小。

SiC器件在哪些行業(yè)中最有用？

在功率轉(zhuǎn)換過程中，效率是行業(yè)確保更好績效的關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)所需效率的局限性往往導(dǎo)致更高成本，以SiC和GaN為代表的新一代功率半導(dǎo)體材料為這一市場提供了巨大的增長機(jī)會(huì)。這些寬頻帶隙（WBG）器件使小型封裝緊湊的高功率密度電子器件成為可能。

圖3為羅姆公司提供的不同功率器件更適合的應(yīng)用場景。從中可以看出，低頻、高壓的情況下用硅IGBT是最好的選擇。頻率稍高但電壓不太高，且功率也不是很高的情況下，用硅MOSFET更合適。既是高頻又是高壓的情況下，SiC MOSFET則是最好選擇。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下可以選用GaN器件。

有一點(diǎn)是肯定的，IGBT模塊應(yīng)用的興起是GaN和SiC功率半導(dǎo)體市場發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，現(xiàn)在，這些新一代的功率器件逐漸應(yīng)用于鐵路牽引和推進(jìn)等領(lǐng)域。地鐵、電力和柴油電力機(jī)車、有軌電車和高速列車越來越多地采用IGBT模塊。SiC因提供更高效率和更低損耗的能力使其在高功率應(yīng)用領(lǐng)域脫穎而出。其中，由功率因數(shù)校正（PFC）和光伏（PV）應(yīng)用中使用的二極管驅(qū)動(dòng)的SiC市場是一個(gè)不可忽視的重要因素。不過，水原德健先生認(rèn)為，主要的SiC市場驅(qū)動(dòng)力仍將是晶體管。由于近幾年來幾乎所有的汽車制造商都有在主逆變器中實(shí)施SiC的項(xiàng)目，因此，著名的市場咨詢機(jī)構(gòu)YoleDevelopment預(yù)計(jì)，一些業(yè)界先驅(qū)在2017-2023年期間采用SiC主逆變器的復(fù)合年增長率將達(dá)到108%，中國汽車制造商采用SiC器件的意愿尤其強(qiáng)烈。

現(xiàn)在，汽車市場越來越成為SiC功率半導(dǎo)體需求和創(chuàng)新的“零地帶”。2016年至2017V-，SiC電力設(shè)備市場從2.48億美元躍升至3.02億美元。特斯拉、豐田和其他在電動(dòng)汽車（EV）創(chuàng)新方面處于領(lǐng)先地位的公司，有力地帶動(dòng)了SiC功率半導(dǎo)體的市場需求。根據(jù)Yole Development報(bào)告，2017年，SiC功率半導(dǎo)體市場以29%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，至2023年，市場有望達(dá)到14億美元。目前，帶車載充電單元和牽引逆變器的電動(dòng)和無人駕駛車輛是SiC的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

除此之外，太陽能逆變器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等電力系統(tǒng)也將為SiC器件的應(yīng)用提供用武之地。普通硅在歷史上一直是5V或以下功率需求的首選材料，在高達(dá)IOOOV的電壓范圍內(nèi)GaN完全滿足設(shè)計(jì)要求。如果必須能夠承受1000V或更高的電壓，SiC無疑是目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

盡管在電機(jī)中使用SiC可以降低80%的功率損失，但成本是將SiC引入到更廣泛的電氣和電力產(chǎn)品中的主要障礙，目前SiC的成本大約是普通硅IGBT的5倍。

據(jù)水原德健先生介紹，SiC在市場上應(yīng)用最多的領(lǐng)域主要有光伏、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、EV車等，日本的部分家電企業(yè)也開始使用SiC。接下來，各種充電站、電源的應(yīng)用也會(huì)逐漸多起來，因?yàn)楝F(xiàn)在的碳化硅主要以1700V和1200V產(chǎn)品為主，這一范圍非常適合車載應(yīng)用。風(fēng)能市場很大，但因?yàn)轱L(fēng)能需要3300V電壓，隨著SiC器件的電壓被做得越來越高，這一市場也會(huì)不斷擴(kuò)大。羅姆公司保守預(yù)估，到2025年SiC市場規(guī)模將達(dá)到23億美元。

鑒于巨大的市場需求和潛力，羅姆公司在SiC技術(shù)的開發(fā)上投入了巨大資金。到2025年，累計(jì)投資額將達(dá)到850億日元。根據(jù)計(jì)劃，2021年羅姆公司的SiC生產(chǎn)能力將達(dá)到2017年的6倍，2025年時(shí)將翻到16倍。水原德健先生表示，羅姆公司還將同步提供與SiC器件配套的柵極驅(qū)動(dòng)器，其產(chǎn)能也會(huì)隨之提高。

羅姆半導(dǎo)體SiC產(chǎn)品發(fā)展路線圖

2000年，羅姆公司通過產(chǎn)學(xué)合作開始了SiC產(chǎn)品的研發(fā)。2009年，收購了德國的SiCrystal公司，該公司主要從事碳化硅柱、碳化硅襯底的研發(fā)制造。2010年，羅姆率先在日本國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了SiC肖特基的量產(chǎn)，此時(shí)羅姆的SiC肖特基產(chǎn)量位居全球第四位。2010年底，羅姆成為全球第一家實(shí)現(xiàn)SiC MOS量產(chǎn)的企業(yè)。兩年后，羅姆又領(lǐng)先業(yè)界實(shí)現(xiàn)了SiC模塊的量產(chǎn)。2015年，羅姆再次以全球第一的身份實(shí)現(xiàn)了溝槽型SiC MOS的量產(chǎn)。水原德健先生表示，現(xiàn)在，羅姆的SiC晶圓可以做到六英寸，從碳化硅柱、切片、晶圓，直至最終的成品，羅姆采取了一條龍做法，全部由自己獨(dú)立完成。

羅姆的SiC產(chǎn)品主要有三大類，即SiC肖特基、SiC MOS、SiC模塊，其中SiC肖特基以第二代的650V和第三代的1200V產(chǎn)品為主。SiC MOS的生產(chǎn)同樣以第二代和第三代為主，電壓覆蓋650V、1200V、1700V，導(dǎo)通電阻最小可以做到17毫歐，最大約1000毫歐。羅姆的SiC模塊主要采用半橋模式，封裝是市場上常用的c型、E型和G型，電壓在1200V～1700V之間。

根據(jù)水原德健先生的介紹，羅姆SiC產(chǎn)品將按照?qǐng)D4的路線圖來發(fā)展。SiC肖特基的目標(biāo)是把晶圓做得越來越大，已從原來的4英寸轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的6英寸，并向8英寸方向發(fā)展。因是車規(guī)品，封裝的多元化也是必須考慮的因素。SiCMOS的發(fā)展路徑，不僅要把晶圓做大，器件的電流、電壓也要不斷提高，羅姆公司現(xiàn)在主要提供TO-2473Pin封裝，接下來將推出TO-2474Pin產(chǎn)品，更便于在工控產(chǎn)品上使用。

電動(dòng)方程式大賽Formula E是SiC成功應(yīng)用的最佳案例。羅姆在2016年第三賽季開始與Formula E文圖瑞車隊(duì)進(jìn)行官方技術(shù)合作。文圖瑞賽車的逆變器在第二賽季時(shí)延用的是傳統(tǒng)IGBT模塊。在第三賽季，羅姆參與進(jìn)來，率先采用了IGBT+SiC肖特基方案。第四賽季時(shí)，則換成羅姆的全SiC模塊，即SiC MOS+SiC肖特基。相比第二賽季，第三賽季逆變器的重量減輕了2Kg，尺寸縮減19%。在第四賽季搭載全SiC后，逆變器的重量減輕了約6 Kg，尺寸更是減少了43%，但功率卻變得更大，達(dá)到220kW o對(duì)賽車來說，SiC器件帶來的最大好處是重量減輕，動(dòng)力更強(qiáng)勁，賽車的行駛距離更長一些。

SiC的應(yīng)用雖然沒有全面鋪開，但市場競爭已經(jīng)日漸激烈。首先是各企業(yè)在技術(shù)上的競爭，其次是在原材料上的競爭?，F(xiàn)在，SiC器件未能獲得大規(guī)模商用，較高的產(chǎn)品價(jià)格是主要因素。價(jià)格高的原因有兩個(gè)，一個(gè)是襯底，一個(gè)是晶圓尺寸。隨著晶圓尺寸越做越大，成本也會(huì)相應(yīng)地下降。這個(gè)時(shí)候，對(duì)原材料的把控就會(huì)成為企業(yè)競爭力的重要一環(huán)。

CEVA和Immervision結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴攜手發(fā)展先進(jìn)圖像增強(qiáng)技術(shù)

CEVA宣布與加拿大蒙特利爾的私有企業(yè)Immervision， Inc.達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議。作為廣角鏡頭和圖像處理技術(shù)的開發(fā)商和許可公司，Immervision的專利圖像增強(qiáng)算法和軟件技術(shù)可以顯著改善圖像質(zhì)量，消除使用廣角相機(jī)引致的扭曲，特別是在圖幀的邊緣。迄今為止，Immervision技術(shù)已經(jīng)通過包括宏碁、大華、Garmin、韓華、聯(lián)想、摩托羅拉、廣達(dá)、索尼和Vivotek的廣泛客戶群出貨超過5，000萬臺(tái)設(shè)備。

根據(jù)合作協(xié)議，CEVA進(jìn)行1，000萬美元技術(shù)投資，以獲得hnmervision先進(jìn)的專利廣角圖像處理技術(shù)和軟件的獨(dú)家許可權(quán)，其中包括實(shí)時(shí)自適應(yīng)去扭曲、拼接、圖像顏色和對(duì)比度增強(qiáng)，以及電子圖像穩(wěn)定技術(shù)。CEVA還將獲得Immervision的Data-in-Picture專有技術(shù)授權(quán)許可，該技術(shù)可在每個(gè)視頻幀數(shù)據(jù)內(nèi)融合綜合傳感數(shù)據(jù)，例如由CEVA最近收購的Hillcrest Labs公司的技術(shù)所提供的綜合傳感數(shù)據(jù)，這為每個(gè)視頻幀添加關(guān)聯(lián)信息，從而在AI應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更好的圖像質(zhì)量、視頻穩(wěn)定性和精確的機(jī)器視覺。兩家企業(yè)還將合作授權(quán)完整的端到端解決方案，包括Immervision的專利廣角Panomorph光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)和補(bǔ)充圖像增強(qiáng)軟件。

Immervision將繼續(xù)為包含GPU的所有系統(tǒng)級(jí)芯片平臺(tái)提供硬件無關(guān)型軟件產(chǎn)品，并且提供用于包含CEVA-XM4或CE VA-XM6智能視覺DSP之Soc的功耗優(yōu)化型軟件產(chǎn)品。結(jié)合Immervision軟件產(chǎn)品，CEVA還提供廣泛的其他計(jì)算機(jī)視覺和AI軟件技術(shù)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖形編譯器cEVA深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CDNN）、CEVA-SLAM軟件開發(fā)套件和CE VA-C V優(yōu)化計(jì)算機(jī)視覺軟件庫。

CEVA首席執(zhí)行官Gideon Wertheizer評(píng)論道：“我們與Immervision達(dá)成重要的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和技術(shù)投資，這為CEVA提供了面向快速增長的廣角相機(jī)市場的顯著優(yōu)勢，特別是在智能手機(jī)、監(jiān)控、ADAS和機(jī)器人領(lǐng)域。通過結(jié)合Immervisi皿的圖像技術(shù)和CEVA的視覺及人工智能軟件技術(shù)，我們正在大幅降低半導(dǎo)體供應(yīng)商和OEM客戶進(jìn)入這個(gè)利潤豐厚但較為復(fù)雜的技術(shù)領(lǐng)域的門檻。Immervision發(fā)明的Panomorph鏡頭技術(shù)提供了優(yōu)于傳統(tǒng)廣角相機(jī)魚眼鏡頭的出色圖像質(zhì)量，該公司是CEVA在智能傳感領(lǐng)域擴(kuò)展產(chǎn)品和權(quán)益金收益潛力的卓越合作伙伴。”