碳化硅晶片需求激增

碳化硅(SiC)功率半导体市场正在经历一场突然激增电动车和其他系统的需求在增长。

但需求也导致市场供应紧张的应用设备,促使一些供应商添加工厂能力中一个棘手的wafer-size过渡。有些SiC设备制造商转变从4 - 6英寸晶圆工厂。

原文如此是一个基于硅和碳的化合物半导体材料。在生产流程中,开发专门的碳化硅衬底,然后在工厂加工,导致应用功率半导体元件。许多应用电力半决赛和竞争对手技术专业晶体管,在设备在高电压开关电流。它们用于电力电子领域,设备的转换和控制的电力系统。

SiC脱颖而出,因为它是一个宽的带隙技术。与传统的硅设备相比,SiC击穿场强的10倍和3倍的热导率,使其适合高压应用程序,如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。在另一个应用程序中,碳化硅是用来制造发光二极管。

最大的增长机会是在automotive-especially电动车。应用功率半导体用于电动汽车车载充电单元,而技术正在进入系统牵引逆变器的一个关键部分。牵引逆变器提供了牵引电动机驱动汽车。

对于这个应用程序,特斯拉在一些模型,使用碳化硅电力设备在其他电动汽车制造商正在评估技术。“汽车市场绝对是焦点的中心当人们讨论碳化硅电力设备。SiC先锋活动,如丰田和特斯拉,带来很多兴奋和噪声市场,”香港林Yole开发署分析师说。“SiC mosfet在汽车市场潜力。但有一些挑战,诸如成本、长期可靠性和模块设计。”

汽车和其他市场所推动的,碳化硅电力设备业务在2017年达到3.02亿美元,从2.48亿年的2016美元上涨了22%,据Yole。“我们预计在2018年,由汽车工业与特斯拉的增加模型3中,已经采用碳化硅MOSFET模块,”林说。

碳化硅功率半导体市场预计将达到15亿美元,到2023年,根据Yole。SiC供应商设备包括富士、英飞凌Littelfuse,三菱、半导体、意法半导体、罗门哈斯、东芝和Wolfspeed。Wolfspeed是克里族的一部分。X-Fab SiC的铸造供应商。

使原文如此
电力电子在世界上发挥关键作用的电力基础设施。工业中使用的技术(马达驱动器)、运输(汽车、火车),计算(电源)和可再生能源(太阳能、风能)。电力电子转换或转换交流和直流(AC和DC)系统。

对于这些应用,工业用各种电力半导体。有些电源元件专业晶体管,操作系统的开关。他们允许功率流在“开”状态,停止它处于“关闭”状态。

权力半决赛是捏造出来的成熟的节点。这些设备是为了提高系统的效率,减少能量损失。通常情况下,他们是额定电压和其他规格,而不是过程的几何图形。

多年来,占主导地位的电力半技术一直是(现在仍然是)基于硅,即功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。被认为是最便宜和最受欢迎的设备,使用功率mosfet适配器,电源和其他产品。它们用于应用程序900伏特。

在传统MOSFET器件,源和排水装置的顶部。相比之下,功率场效应管垂直结构特征,在源和排水设备的两侧。垂直结构使设备能够处理更高的电压。

领先的中档电力半导体器件IGBT结合了场效应管的特点,双极晶体管。igbt 10-kilovolt应用程序用于400伏。

问题是,功率mosfet和igbt达到他们的理论极限和遭受不必要的能量损失。设备的能量损失有可能两个reasons-conduction和切换。传导损失是由于电阻的装置,而开关期间发生的损失。

“从5伏特到几百伏,硅是一个很好的技术,“家伙Moxey说,电力营销高级总监在Wolfspeed和应用程序。“当你从600到900伏,硅场效应管是好的,但他们开始丧失一些动能。igbt是好沉重的调剂品,但它们不是快速或高效。”

这就是原文如此)符合。电源元件的基础上出(甘)也正在出现。GaN和碳化硅都是宽禁带的技术。硅的能带隙1.1 eV。相比之下,SiC的能带隙3.3 eV,而甘为3.4 eV。

“电子能带之间的能隙的价带和导带底部的固体材料,”据兰达特森,捕鼠动物电子在一篇博客的贡献者。“这是出半导体的能带隙开关电流开关根据需要的能力以达到给定的电气功能”。

宽的带隙设备有几个优势。例如,电动汽车电机驱动所推动的,传统上使用功率mosfet和igbt。“如果你与碳化硅代替电动机驱动,驱动低80%亏损,“Wolfspeed Moxey说。“这意味着你可以有一个更小的电池相同的范围。一个更小的电池意味着更低的成本。”

同时,应用功率半导体用于600伏10-kilovolt应用程序。“600到1700伏赶上大多数SiC应用程序。当你去3.3 - 10-kilovolts,非常专业。这是风电和小网格,”他说。

在电力领域,甘中使用30 - 600伏的应用程序。“GaN和碳化硅是互补的而不是竞争的技术,”他补充道。

GaN和SiC设备都比硅,但他们也更昂贵。“在这一刻,一个碳化硅MOSFET器件有cost-per-ampere五倍以上类似的IGBT,”艾琳娜说Barbarini,主管部门设备系统+咨询,Yole的一部分。

第一个应用设备与引进碳化硅二极管出现在2002年,其次是2011年碳化硅功率场效应管。功率场效应管,应用设备垂直结构。

碳化硅功率MOSFET功率开关晶体管原文如此。“二极管是一种设备,通过电力在一个方向上和块它相反的方向,“解释米奇•范Ochten罗姆应用工程师。

无论如何,碳化硅电力半决赛日益活跃。“硅电力设备中起着很重要的作用,”Mike罗莎说,策略和技术营销主管应用材料。“但是当你谈论高功率和低体重,制造商正在看材料碳化硅。”

应用设备生产工厂,行业继续做一个晶片尺寸过渡。“SiC在两个4 - 6英寸,”罗莎说。“这个行业只是踢8英寸的轮胎。”

事实上,克里族已经从4 -(100毫米)过渡到6英寸(150毫米)晶圆工厂。罗姆和其他中间的过渡。碳化硅在200 mm晶圆不会发生一段时间了。

一般来说,当搬到一个新的晶片大小,得到2.2 x更死/晶片。更大的晶片大小降低了整体生产成本。

在数字CMOS世界,芯片制造商从几年前4 - 6英寸。这听起来简单为碳化硅犯同样的转变,但也有一些挑战。“虽然大规模生产的碳化硅电力设备150 mm晶圆已经证明了接近五年,可用性和成本的高性能、低次品密度碳化硅基板采用150 mm仍然是一个障碍,”大卫·海恩斯说,战略营销高级总监林的研究。

”也就是说,过渡到150毫米实现大规模生产,相关的成本节约将帮助推动商业可行性在越来越多的应用程序中,”海恩斯说。“另一个例子是路线图SiC MOSFET的技术。平面SiC mosfet已被证明在商业应用一段时间了,但是今天有一个重大的努力的开发和商业化SiC沟mosfet,可显著降低特定的导通电阻相比,平面结构。”

工厂,与此同时,应用电力设备通常遵循相同的工艺流程为硅基芯片。但也有一些差异,如碳化硅衬底的发展。

硅基芯片,在这个过程中,第一步是原始硅晶片的发展。为此,籽晶硅降低到一个坩埚和加热。由此产生的身体被称为一个锭,把不同大小和切成硅晶圆从300毫米和较小。

为碳化硅,SiC大部分晶体被降低到一个坩埚,然后加热。结果拉锭和切成薄片。

多年来,SiC大部分晶体与缺陷称为micropipes困扰,微米大小的洞,穿过晶体。“Micropipe缺陷和其他缺陷会杀了设备操作现在几乎消除。材料供应商现在提供zero-micropipe产品,”彼得说胡说,华威大学的副教授。

碳化硅晶片已经开发出来后,下一步是形成一个碳化硅衬底。原始的晶片插入在沉积系统中,碳化硅外延层生长在晶片,从而形成一个碳化硅衬底。然后,碳化硅衬底加工工厂。

SiC需要选择性的退火工艺。“电力设备,电流是通过晶片。你需要一个良好的电导与金属界面,“说汉斯Zuhlke,产品经理在3 d-micromac。“我们只加热退火的晶片的背面欧姆接触金属碳化硅接口。”

最后,晶片是使用一个缺陷检查检查系统。SiC设备容易出现缺陷,特别是供应商搬到更大的晶片大小。说:“有很多defectivity尼克莱德斯莉娜,LS-SWIFT分部的副总裁和总经理KLA-Tencor。“我们检查系统使用较低波长(原文如此)。他们能够找到不连续的衬底。”

碳化硅在电动汽车
今天,与此同时,汽车在整个半导体行业增长最快的部分。“越来越多的客户正在重新定义他们的产品组合,以适应物联网和/或汽车市场,”沃尔特·Ng说,业务发展副总裁联华电子。“我们的汽车今年的营收增长显著,我们期望它在可预见的未来继续在这个方向上。”

SiC也看到汽车的增长,特别是电动汽车。总的来说,电动汽车,包括电池动力汽车和混合动力汽车,约占世界上1%的汽车销售。但由中国和其他国家,电动汽车市场将从2018年的160万辆增长到200万年的2019人,根据Frost & Sullivan。到2025年,市场预计将达到2500万台,根据Frost & Sullivan。

“采用电动汽车和混合动力电动汽车当然是成为现实,”林的海恩斯说。“然而,采用时间和速率显著不同世界各地和密切相关的政府政策和消费者的访问适当的定价的产品和充电设施。毫无疑问,中国市场是一个关键的增长引擎采用电动汽车。”

系统在电动汽车本身,有几个领域,如娱乐系统、车载充电器、牵引逆变器等。牵引逆变器转换能量从电池到牵引电动机,然后推动车辆。

SiC正在进入车载充电器,DC-to-DC转换器和牵引逆变器。车载充电器车辆从电网的指控。

图1:电动汽车电力电子来源:意法半导体

DC-to-DC转换器需要电池电压,然后步骤下来到一个较低的电压。这是用于控制窗口,加热器和其他功能。

设备制造商的大战役是发生在牵引逆变器,特别是纯电池动力汽车。一般来说,混合动力车正在向具有48 v电池。电力发明家,SiC通常是混合动力汽车太贵了,虽然有例外。

混合动力、纯电池动力汽车由牵引逆变器组成。高压总线连接逆变器的电池和电动机。电池为汽车提供能量。马达推动车辆,有三个连接或电线。

这三个连接牵引逆变器扩展,然后网络内六开关逆变器模块。

每个开关实际上是一个功率半导体元件,系统中作为一个电源开关。开关,现任技术是IGBT。牵引逆变器可能由六个igbt,额定在1200伏特。

“实际上,他们是电动开关。我们有一个选择的技术对这些电气开关、启用和禁用各种电动机绕组和有效地使电机旋转,“罗门哈斯的范Ochten说。“最受欢迎的电力半导体开关函数被称为一个IGBT。他们使用的超过90%的汽车制造商。他们是最便宜的方法根据需要开关,电池电流,电动机。”

然而,有一些权衡使用igbt。“他们可能是第三个价格的最新技术,”他说,“但它们缓慢。”

这就是行业针对SiC mosfet,更快的开关速度比igbt。”(SiC mosfet)也减少开关损耗,沿着传导损失在中低功率较低的水平,”莫里吉奥费拉拉说,主任宽禁带和功率射频业务单元意法半导体。“他们可以在四倍频的IGBT的效率,导致重量,尺寸,和降低成本由于较小的被动者和更少的外部组件。因此,碳化硅比硅场效应管可以提高效率90%的解决方案。”

对于牵引逆变器,从一个IGBT SiC MOSFET。但它不是那么简单,因为成本方程中起着很大的作用。

然而,特斯拉已经暴跌。意法半导体的公司使用SiC mosfet模型3中,据Yole补充说,特斯拉也使用其他供应商。其他汽车制造商正在探索的技术,尽管大多数oem厂商不跟风的出于成本考虑。

然而,有几种方法可以使SiC场效应管igbt的开关。根据罗姆,有几个选项:

•保持系统中的IGBT,但是用碳化硅二极管取代硅二极管。
•取代硅基IGBT和二极管应用场效应管和二极管。

在逆变器,有六个igbt,每一个都是伴随着一个单独的硅二极管。二极管用于以下几个原因。“igbt不喜欢它当你把或电压的极性,”罗姆的范Ochten说。“所以二极管需要添加在每个IGBT,防止破坏你去关闭开关。”

使系统更有效的一种方法是替代硅二极管。”的第一步改善牵引逆变器的效率是离开igbt。但是,你把碳化硅二极管代替普通硅二极管,”他说。“碳化硅二极管有更好的性能。这将给你几个百分点的效率。”

最终的解决方案是更换igbt和硅二极管应用二极管和场效应管。“原文如此,因为价格的材料,比硅更贵。然而,如果你换四到五倍,你可以降低成本的磁学和电容器,“Wolfspeed Moxey说。

这是所有去往何处?“当我们看不同的应用程序,我们预计充电站和车载充电器是第一个应用程序采用碳化硅技术,”肖恩Slusser说,汽车副总裁英飞凌科技美洲。

“汽车应用程序,我们预计IGBT将主导未来十年的市场。碳化硅具有更高的效率和更高的功率密度,但原文如此组件成本更高。这意味着系统的好处,减少尺寸和一个更小的电池容量相同的范围需要弥补成本越高,”Slusser说。“这就是为什么我们相信SiC将首先用于车载充电器,因为SiC效率更高的开关频率较小的被动元件补偿SiC设备成本高。SiC在广阔的市场将主要为电动汽车逆变器应用程序大电池,只要电池节省成本高于SiC增加设备成本。电动汽车的一个800伏系统,还有其他好处,如较低的充电时间,提高逆变器效率和降低电缆成本。”

可以肯定的是,SiC正在升温,因此电动汽车。碳化硅功率半决赛似乎在司机的坐垫供应商可以降低他们的成本。但这是说起来容易做起来难。

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