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維安代理商:電動汽車乘風而起,IGBT與SiC將誰主沉???
近幾年來,電動汽車、電化學儲能、以及光伏和風電等新能源市場的快速發(fā)展,市場對功率器件的需求量大增,特別是電動汽車的興起,讓IGBT常年處于供應(yīng)緊張狀態(tài),且未來幾年都沒有緩解的跡象。此時,SiC器件也乘勢而起,開啟了汽車領(lǐng)域的滲透之路,那么,未來這兩種功率器件將誰主沉浮呢?
據(jù)Omdia統(tǒng)計,全球IGBT市場規(guī)模在過去近十年中保持穩(wěn)定增長,從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場,占到全球IGBT市場規(guī)模的40%左右。另外,根據(jù)測算,國內(nèi)車載IGBT市場的規(guī)模大概為60億元,如果按照每年200萬輛的增量計算,車載IGBT需求量至少100億元以上,需求量很大。
目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術(shù)成熟,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。然而,隨著功率器件使用場合日益豐富,對高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升,加上工作環(huán)境更加惡劣,硅器件的使用受到了其材料特性的限制,難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設(shè)計瓶頸,SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體器件開始嶄露頭角。因為這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場等優(yōu)點,特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
近幾年,基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率器件制造技術(shù)的發(fā)展也突飛猛進,許多半導(dǎo)體公司都推出了其商業(yè)化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例,現(xiàn)有的商業(yè)化功率器件耐壓范圍達到了650V~1700V,電流等級達到了6~60A,SiC模塊的耐壓等級甚至已經(jīng)達到了幾十kV。
據(jù)Yole統(tǒng)計,2021年全球SiC功率器件的市場規(guī)模為10.9億美元,預(yù)計未來幾年的年復(fù)合增長率可達34%,至2027年,市場規(guī)??蛇_62.9億美元。據(jù)悉,目前,SiC MOSFET在車載OBC和電控上在逐漸滲透。不過,現(xiàn)在很多供應(yīng)SiC模塊,包括OBC和MOSFET的企業(yè),同時也是IGBT的供應(yīng)商。 從市場前景來看,如果SiC未來在車載上大批量上量,產(chǎn)值會翻倍,因為車載SiC模組的價格是傳統(tǒng)硅模塊的3~5倍,OBC單管的話是硅模塊的2倍。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計今年SiC在國內(nèi)電控領(lǐng)域有10%左右的滲透,2025年可能會達到30%~50%的滲透。
IGBT與SiC的性能對比
前面有提到,IGBT集合了BJT和功率MOSFET的雙重優(yōu)點,它既具有功率MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動特性,又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點,且具有高耐壓能力。據(jù)悉,目前商業(yè)化的IGBT模塊耐壓已經(jīng)做到了6500V,實驗室甚至已經(jīng)做到了8000V。
目前,IGBT器件的發(fā)展趨勢主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來,IGBT器件發(fā)展的主要難點在于其器件的物理特性,尤其是溝槽型IGBT的物理特性,通常并不容易達到。主要體現(xiàn)在IGBT的開通速度和損耗、擴展至8英寸和12英寸制造/加工技術(shù)的挑戰(zhàn)、緩沖層構(gòu)成,以及微溝槽設(shè)計等方面。
也就是說,要想設(shè)計出性能更好的IGBT產(chǎn)品,需要減少產(chǎn)品的損耗,提高開通速度、魯棒性和可靠性,提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商,比如英飛凌、ST、三菱電機等基本都掌握了場終止層(Field-stop,F(xiàn)S)+溝槽柵IGBT技術(shù),且相繼推出了不同系列,不同規(guī)格的600V~6500V IGBT器件和模塊產(chǎn)品。 國內(nèi)IGBT廠商由于設(shè)備和工藝水平等因素的影響,目前還處于追趕階段。不過可喜的是,已經(jīng)有不少廠商取得了不錯的進步,比如國內(nèi)的賽晶亞太半導(dǎo)體科技(浙江)有限公司(以下簡稱“賽晶亞太半導(dǎo)體”),其已經(jīng)量產(chǎn)的i20 IGBT芯片組,性能達到,甚至有些方面已經(jīng)超過了國際主流廠商的第4代芯片的水平。
據(jù)資料顯示,i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型(Fine Pattern Trench- Field Stop)結(jié)構(gòu),并通過N型增強層(N- Enhancement layer)、窄臺面(Narrow Mesa)、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+(Optimized P+ LAYER)、先進3D結(jié)構(gòu)(Advanced 3D structure)等多項優(yōu)化設(shè)計,進一步改善IGBT導(dǎo)通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能,同時大大增加了電流可控性(di/dt controllability)和短路穩(wěn)健性。
在性能方面,根據(jù)賽晶亞太半導(dǎo)體公開的其量產(chǎn)i20模塊與相似封裝技術(shù)的IGBT4模塊測試對比來看,兩個模塊的開通損耗基本相當;關(guān)斷損耗,采用i20芯片組的模塊略高,但飽和導(dǎo)通壓降更低。
在魯棒性方面,i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設(shè)計,在VDC=800V時,可達到額定電流的4倍,RBSOA高于短路電流水平。
在可靠性方面,i20 ED封裝模塊通過了車規(guī)級AQG 324標準中極其重要的高溫高濕反偏試驗(H3TRB)等測試。。且在經(jīng)過1500小時后,仍然沒有出現(xiàn)性能退化。
自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后,很多研究人員對SiC MOSFET的特性進行了深入研究。據(jù)研究,SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗,提高變換器效率。不過在650V低壓場合,現(xiàn)有的SiC器件與硅基功率器件相比開關(guān)速度并不占優(yōu)勢,但在900V以上的場合,SiC的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。
比如說,1200V器件的開關(guān)損耗與開關(guān)時間相比于硅基功率器件均大大減小。因此,SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應(yīng)用場景。而開關(guān)頻率提升后,可以減小系統(tǒng)中無源元件的體積和重量,從而減小整個系統(tǒng)的體積,增加系統(tǒng)的功率密度。
目前,SiC MOSFET技術(shù)遇到的主要難點是原材料成本和加工技術(shù),業(yè)界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸,6英寸和8英寸的產(chǎn)線還比較少,良率目前也不是很高,因此產(chǎn)量提升還有難度;次要的難點是改進器件理論并積累更多可靠性數(shù)據(jù)。
隨著特斯拉Model3率先采用ST的SiC MOSFET器件后,SiC MOSFET的需求一路高漲,目前處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。而隨著蔚來ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車型的交付及放量,而襯底和晶圓廠技術(shù)壁壘較高,產(chǎn)能擴張慢等因素影響,再加上電動汽車800V平臺的車型越來越多,對SiC MOSFET的需求將進一步放大,未來供給缺口恐更大。
結(jié)語
可以明顯地看到,SiC MOSFET的技術(shù)性能優(yōu)于硅基IGBT,但SiC的總體成本仍然很高,這主要是由于原材料、加工和產(chǎn)量決定的,目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT,目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟,經(jīng)過40多年的持續(xù)奮斗,不斷探索與創(chuàng)新,硅基IGBT的參數(shù)折中已經(jīng)達到了極高的水平,可以滿足不同的應(yīng)用市場需求,而且成本可控。
因此,可以預(yù)見的是未來相當長一段時間,硅基IGBT和SiC器件將會共存于市場。即便是電動汽車市場,會極大推動IGBT和SiC器件的發(fā)展,由于成本和性能的考量,這兩者也仍然會是共存狀態(tài)。
節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟必然會推動功率半導(dǎo)體市場的蓬勃發(fā)展,IGBT和SiC器件是功率半導(dǎo)體的技術(shù)前沿。目前主要的供應(yīng)商還集中在國外,好在國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展勢頭也非常好,比如賽晶亞太半導(dǎo)體在2021年6月就完成了其第一條IGBT模塊生產(chǎn)線,并實現(xiàn)了量產(chǎn),該生產(chǎn)線制造的ED封裝IGBT模塊系列產(chǎn)品已經(jīng)在數(shù)家電動汽車、風電、光伏及工業(yè)電控領(lǐng)域企業(yè)開展測試,去年年底完成了以晶圓形式向新能源乘用車市場客戶的批量交付。今年年中完成了IGBT模塊批量交付新能源乘用車客戶。此外,該公司SiC MOSFET產(chǎn)品也在布局當中,預(yù)計今年推出第一代碳化硅模塊。