半决赛迎来碳化硅时代

碳化硅生产正在迅速增加,由汽车和终端市场需求与硅价格平价。

成千上万的功率半导体元件模块已经在使用电动汽车车载充电,牵引力反演,DC-to-DC转换。今天,大多数使用硅igbt是捏造的。转向carbide-based硅mosfet双打加速转换速度和功率密度更小、更轻的包。

热的高电压和运营能力,严酷的环境下越来越要求电动汽车充电站,但是碳化硅(原文如此)花时间来获得坚实的基础,由于这个宽禁带的制造成本和包装材料。然而,这种情况正在改变。与硅碳化硅功率模块现在价格平价模块,根据维克多Veliadis,执行董事兼首席技术官PowerAmerica,进而促使供应合作伙伴和新SiC晶圆厂的建设。

还有很多要做。碳化硅晶片技术需求升级。新流程工具,制造这些设备需要20%和80%修改工具。和集成的目标是更快的周转和离散动力设备,这就是为什么汽车制造商正在直接fab-to-module协作。

图1:收购和合作协议,以确保供应和快速的技术进步。来源:Yole情报,2023年电力SiC报告新闻

新的晶片过程工具包括高温epi增长(> 1500°C),热离子注入,快速热处理(RTP),和更快,脉冲原子层沉积。重大修改发生在晶圆研磨、CMP,抛光垫,和料浆硬脆性SiC材料。新材料包括脱衣舞女和清洁化学处理设备和可持续发展的需要。

包装结束,大功率印刷电路板与离散组件的集成电路和集成包替换芯片级包(csp)更小、更可靠的高压操作。使电动汽车与更小、更轻的电池,这有助于增加练习场。虽然今天是关注SiC的权力,和扩展Si为混合动力车和电动汽车动力模块,明天的SiC模块将在电动汽车占主导地位。此外,甘将在电动汽车找到利基,电网电力、智能能源。

市场、技术碳化硅和氮化镓功率
世界将在2030年生产3900万电动汽车电池,对应于一个增长率为22%的复合年增长率从2022年到2030年。反过来,这燃料电源半市场,预计使用大约50% Si设备,35%的碳化硅器件,GaN设备由2030年的12%。在电动汽车电池组的牵引逆变器将直流交流,这力量的驱动马达前后轮轴。SiC也加速了车载和场外的充电,使电网为电动汽车。

最重要的是,SiC模块形式的基石从400 v到800 v的电池电池。消费者将采用电动汽车更快的获得更快的车辆收费时,足够的范围,和每辆车的电池成本不到10000美元。

SiC模块到达临界点在哪里与硅基电力解决方案价格平价,而使一个更高效,紧凑的系统。再加上800 v电池的扩展范围在今天使用的400 v(包含600 v或650 v设备),是刺激高容量1200 v碳化硅的生产设备。然而,收益率达到晶体缺陷的晶片,损失设备包装和模块集成,和供应链的变化如汽车制造商之间更紧密的联系和电力系统制造商仍处于开发过程中。从实用的角度来看,新碳化硅压扁和工厂产能需要时间大量增加。

这并没有影响到对技术的热情,然而。分析师继续向上调整SiC市场预期。Yole集团预计电力半市场在2027年达到6.3美元,其中70%是汽车应用。只是看着SiC晶圆生产(SiC晶圆开始),TECHCET预测14%的复合年增长从2022年到2027年的14%。

图2:汽车制造商正朝着更直接与模块供应商合作,并最终芯片制造商。来源:Yole集团/半导体西方

一、铸造厂、专业活动
领导人Wolfspeed,意法半导体,onsemi罗姆,英飞凌,博世是关键球员在晶片制造方面。这些设备成本最大的贡献者,碳化硅晶片,开始从150毫米到200毫米制造,但增长,切片,和准备过程仍然依靠昂贵,耗时的手工操作。

各方,尤其是IDMs和铸造厂,努力降低defectivity碳化硅晶格,开发SiC-specific工具平台高温离子注入,epi沉积炉运作超过1500°C,和改进的CMP泥浆、垫子和清洁化学处理材料,几乎是和钻石一样难。

技术开关完成,因为硅、碳化硅和GaN-based电池电源电路中所有竞争400 v范围内。然而,碳化硅电力系统能够提供更高的功率比氮化镓(参见图3)。

“我称之为650 v的战场,因为真的在这个范围内所有三个技术竞争力,“说PowerAmerica Veliadis,谁参加了“连接汽车生态系统与碳化硅制造”论坛在半导体西方。氮化镓高电子迁移率比原文如此,但它是不成熟,不能匹配SiC的高功率水平。即便如此,甘拥有大量生产高频设备的吸引力。此外,一些当前GaN-on-silicon方法由英特尔imec,其他人看起来很有前途的。

图3:碳化硅功率密度的操作窗口,硅和氮化镓(左)重叠在低端领域为650 v设备(400 v的电池),但1200 v 800 v电池设备。来源:PowerAmerica

碳化硅模块是必不可少的使电动电动汽车的动力传动系统效率更高。戏剧性的转变,从硅应用设备将会对提高电力系统的功率密度,同时减少的大小、重量和最重要的是,电动汽车的成本。这一切都因为功率半导体硅,尽管仍在优化,达到他们的操作极限的传导和切换损失。碳化硅的宽能带隙(3.26 ev和1.12 ev硅)减少这种损失,提供卓越的高温和高频性能。

到目前为止,许多SiC芯片制造商已经将150毫米硅碳化硅制造工厂生产线。“非常成功的模型到目前为止在成熟过程中碳化硅,完全贬值硅晶圆厂温和的资本投资约3000万美元,奖励,当然,是巨大的,”Veliadis说,注意到它的系统成本最重要的模块。碳化硅,你要付三倍的半导体芯片,但你最终系统成本低于硅功率模块,这是反直觉的。但答案很简单。运营能力有效地在高频率降低磁学和被动元件的体积显著大于芯片制造的高成本。”

然而,该行业的老工厂,可以翻新为30美元。新的SiC晶圆厂正在迅速方便。与此同时,专业企业都在努力寻找产能。

“我们有两个市场相互竞争的汽车市场和可再生能源市场,寻找能力,”拉尔夫Bornefeld说,电力半导体和模块高级副总裁罗伯特博世。“我们从Covid大流行,竞争市场可以关闭另一个市场,因此我们需要把这个因素考虑进去。“目前博世生产的第三代SiC mosfet模块,击穿电压为1200 v。

SiC设备尤其适合汽车,因为他们可以提供高功率密度较高的温度在严酷的环境下操作。碳化硅电力设备可以达到极低的切换损失和超低RDSon(电阻在源极和漏极之间在操作)。小RDSon关联在mosfet功率损耗较低。

设备能力始于SiC材料。“晶体质量的第一个元素是关键球员已经解决过去20年,但仍有底面混乱,堆积层错,水晶等等,需要工程20,30和40平方毫米设备,“克利斯朵夫Maleville说,高级副总裁SOITEC创新。“当我们进入了碳化硅池四年前,我们注意到的第一件事是每一个议会和薄片的生存能力是不同的,而且经常工程师需要调整和验证外延。所以制造业中实现的方式,它不是瘦。”

电、电力设备对寄生电感可以敏感,引发和其他挑战。不像模拟混合信号工厂,参数化是主要关心的,电力工程师应对变化。

“过去,(模拟)缺乏萎缩。但是他们已经有了成熟的过程的缺陷,“CEO Dieter Rathei说博士产量。“等化合物半导体碳化硅、氮化镓和砷化镓变得更为主流,有更快的增长速度,将改善参数产生问题。”

垂直整合与协作晶片开发?
今天的100毫米和150毫米晶圆尺寸主要使用单晶碳化硅六角晶格结构(4 h和6 h表示4。和6。六角晶片)。但此举从150 mm到200 mm最大SiC设备生产商正在有条不紊地进行中,而其他人则是利用供应。

英飞凌,例如,取得晶片从多个供应商,根据Yole集团分析师。这些包括圣的多数收购北电在瑞典。和瑞萨,硅电力设备的提供者,是加强能力和它的伙伴关系。今年7月,瑞萨签署了10年期协议和放置2 b美元存款与Wolfspeed供应150毫米裸露和外延碳化硅晶片。瑞萨与三菱也有一个协议,这是支出¥2600亿技术和扩张,包括一个新的SiC在日本工厂。

“瑞萨是一个后来者在传统电力半导体,但现在(我们的产品)以其效率高、重视“Hidetoshi Shibata说,该公司总裁,在最近的一次释放。“同样的可以用原文如此。”

同时,SOITEC和意法半导体正在探索monocrystalline-on-polycrystalline SiC方法,它分裂monoSi晶片为多个切片和再利用捐献者晶片衬底来减少浪费。polySiC基地的优点是信道的能力通过衬底热金属连接器,为更快的转换和优越的散热。

在某些方面,SiC硅后的轨迹。但由于SiC defectivity水平,一些数据共享是必要的。

“我们设备数据交换与硅片供应商的原材料数据,“博世的Bornefeld说。“我们也使用先进的基于ai系统识别良好的相关性和分享这这两家公司都让一步。”

尽管如此,数据共享并不普遍。也不像硅,议会比例从150到200毫米没有高回报的形式更多的晶圆/议会。此外,一个更大的种子需要200毫米,这需要更长的时间来增长2500°C。提高生产率(晶圆/议会)今天可能在20%左右。TECHCET分析师估计的成本因素议会增长将下降相对于切片,磨,波兰和CMP等等。(见图4)。

图4:最大化每个议会的碳化硅晶片数量是至关重要的,由于高成本的材料每毫米议会高度。来源:TECHCET

汽车芯片超过电动汽车
“我们看到增长的需求为汽车应用半导体变化速度更快,生产电动汽车的增长,”李Bell说,汽车产品营销总监巧实力和离散意法半导体产品营销。“这是由于许多因素。先进司机安全特性,自主车辆控制,先进的连接,所有驱动半导体需求和便利功能,但不以同样的方式,电气化的力量训练,”他说。“在2022年,大约三分之二的所有电动汽车混合动力汽车,约有三分之一是电池驱动的。到2030年,这一趋势会逆转。这是由于市场接受度增加,更大的充电基础设施的可用性,但可能最重要的是,这就是汽车制造商研发和生产预算。“这变化是使用SiC mosfet的关键驱动因素。

贝尔指出,牵引逆变器往往是更大的死亡。他补充说,车辆的充电系统,和低电压的直流-直流转换器从电池到物联网系统,功率半导体的是巨大的消费者。既不存在于混合动力汽车架构。

他还强调了主要关注效率——包装设备和模块系统中,因为更少的功率损耗直接翻译不再范围的汽车和卡车。“我们做了一个研究比较210 kw变频系统,相当于大约280马力,而碳化硅硅MOSFET和IGBT(绝缘栅双极型晶体管),”他说。“碳化硅方法始终有98%的运营效率,而IGBT方法提供低效率尤其是低操作负荷范围,在车花大约95%的生活。”

总功率是开态损失+切换损失。“在碳化硅开关损耗是减少四倍,”他说。圣是生产碳化硅的第四代产品,提供RDSon提高30%。

博世的Bornefeld显示的需求和容量估计到2030年,这表明全球晶片和工厂产能上网在日本,韩国,中国,马来西亚,德国,奥地利和美国相当可观。事实上,这个行业需要注意不要过度建设(见图5)”。问题是,“在中国发生了什么?“中国已经是领先的原料为碳化硅,并提供高质量,价格合理的晶片,”Bornefeld说。“他们正在迅速追赶设备上,。所以我们需要观察和追踪整体能力。”

图5:映射处理全球设施碳化硅原料到晶片。来源:半导体工程/劳拉·彼得斯

最后,Veliadis PowerAmerica谈到了工作场所培训需要巧妙地实现宽禁带半导体晶圆厂的碳化硅和氮化镓等。“工程师重大建设经验的场效电晶体在碳化硅和氮化镓短缺SiC工厂之间有显著差异,硅晶圆厂”。

结论
清洁能源和电动汽车的转换需要替代半导体材料碳化硅和氮化镓和电力设备在未来几十年里肯定会大大优化。技术改进和产能扩张的狂热可能不会持久,但电力设备仍将是许多公司的路线图的关键。

“我们知道,半导体行业在一个路径达到1万亿美元的市场,但是每个人都想知道2030年之后会发生什么,”大卫·拉夫说。毅联汇业的战略营销主管应用材料。“我在这里,第五半导体的时代是真正由转换能源发电和运输。”

碳化硅晶片的增长,设备的管理,和模块可能是最艰难的方面的SiC市场到目前为止,随着供应链问题,填写技术差距和地缘政治变化。半导体科技社区似乎仍然是一致的在很多事情上——特别是下一代功率效率和性能的需求。

相关的
功率半导体2023电子书:深入探究材料、制造业和商业

这些设备和如何工作,挑战制造、相关的初创公司,以及为什么如此多的精力和资源投入开发新材料和新工艺。