功率半導體迎來SiC時代（上）

2023-09-05 995

簡介：

在汽車終端市場需求不斷增長以及與矽價格平價的推動下，碳化矽（SiC）產量快速成長。

電動車中已使用數千個功率半導體模組，用於車載充電、牽引逆變器和直流-直流轉換。目前，大多數功率半導體模組採用矽基IGBT製造。然而，向SiC基MOSFET的轉變，使得功率密度翻了一番，並在更小、更輕的封裝中加快了開關速度。

電動車和充電站對高電壓和高溫惡劣環境下運作的要求日益嚴苛。然而，由於寬帶隙材料的製造和封裝成本較高，碳化矽 (SiC) 仍需一段時間才能站穩腳跟。不過，這種情況正在改變。 PowerAmerica 執行董事兼技術長 Victor Veliadis 表示，SiC 功率模組的價格現在已與矽基模組相當，這反過來又促進了供應合作夥伴關係和新 SiC 工廠的建設。

還有很多工作要做。 SiC晶圓技術亟待升級。製造這些設備需要 20% 的新製程工具和 80% 的改進工具。我們的目標是加快整合和分離功率元件的周轉速度，這就是汽車製造商轉向與代工廠直接進行晶圓到模組合作的原因。

新的晶圓製造工具包括高溫外延生長 (>1,500°C)、熱離子注入、快速熱處理 (RTP) 和更快的脈衝原子層沉積。用於硬脆 SiC 材料的晶圓研磨、化學機械拋光 (CMP)、拋光墊和漿料正在取得重大改進。新材料，包括脫模劑和清潔化學品，滿足設備和永續性要求。

從封裝角度來看，採用分離式元件的高功率印刷電路板正在被積體電路和晶片級封裝（CSP）等整合式封裝所取代，以實現更小、更可靠的高壓運作。這使得電動車可以配備更小、更輕的電池組，這有助於增加其行駛里程。雖然今天的重點是 SiC 功率並將 Si 功率模組擴展到混合動力和電動車，但未來的 SiC 模組將在電動車中佔據主導地位。此外，GaN還將在電動車、電網電力和智慧能源領域找到利基市場。

SiC與GaN功率市場與技術

到2030年，全球將生產39萬輛純電動車，相當於22年至2022年的複合年增長率為2030%。矽元件。 SiC還可以加速車載和非車載系統的充電，並將電力從電網輸送給電動車。

最重要的是，SiC模組構成了從400V電池過渡到800V電池的基石。當充電速度更快、續航里程足夠、每輛車電池組的成本低於10,000萬美元時，消費者會更快採用電動車。

SiC 模組正達到一個關鍵點，與矽基電源解決方案相比，它們具有成本競爭力，同時實現更高的效率和更緊湊的系統。再加上目前使用的800V電池（包含400V或600V元件）擴展到650V電池範圍，正在刺激1,200V SiC裝置的大規模生產。然而，晶圓晶體缺陷對良率的影響、裝置封裝和模組整合的損失以及汽車製造商和電源系統製造商之間更緊密的聯繫等供應鏈變化仍在持續。從實際角度來看，新的SiC晶圓和晶圓廠產能達到量產還需要一段時間。

不過，這並沒有澆熄人們對這項技術的熱情。分析師持續上調SiC市場預測。 Yole Group 預測，到 6.3 年，功率半導體市場將達到 2027 億美元，其中 70% 用於汽車應用。僅看SiC晶圓產量（由SiC晶圓開始），TECHCET預計14年至2022年複合年增長率為2027%。