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SiC功率器件的市場機會與挑戰

汽車日漸走向智能化、聯網化與電動化的趨勢,加上5G商用在即,這些將帶動第三代半導體材料碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)的發展。根據拓墣產業研究院估計,2018年全球SiC基板產值將達1.8億美元,而GaN基板產值僅約3百萬美元。


第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點,因此也被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產業的“新發動機”。發展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN,其中SiC的發展更早一些。


SiC功率器件與電動車

碳化硅(SiC)單晶材料具有禁帶寬度大(Si的3倍)、熱導率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、電子飽和遷移速率高(Si的2.5倍)和擊穿電場高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性質。
SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件領域和航天、軍工、核能等極端環境應用領域有著不可替代的優勢,彌補了傳統半導體材料器件在實際應用中的缺陷,正逐漸成為功率半導體的主流。它們用于電力電子領域,可以實現系統中電力的轉換和控制。也適合于高壓應用,如電源、太陽能逆變器、火車和風力渦輪機。另外,SiC還用于制造LED。
未來5到10年內,SiC功率器件市場增長機會主要在汽車領域,特別是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車應用市場,它的應用率取決于采用SiC的位置,例如主逆變器、車載充電器(OBC)或DC/DC轉換器。


SiC功率器件產業動態

如基于SiC的功率半導體用于電動汽車的車載充電裝置,而這項技術正在進入系統的關鍵部分——牽引逆變器。牽引逆變器為電動機提供牽引力,以推動車輛前進。

對于這一應用,特斯拉在一些車型中使用了SiC功率器件,而其他電動汽車制造商則在評估這項技術。Yole Développement的分析師Hong Lin表示:“當人們討論SiC功率器件時,汽車市場無疑是焦點。豐田和特斯拉等先驅企業的SiC活動給市場帶來了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車市場具有潛力。但仍存在一些挑戰,比如成本、長期可靠性和模塊設計?!?br style="margin: 0px; padding: 0px; -ms-word-wrap: break-word !important; max-width: 100%; box-sizing: border-box;"/>
國內的比亞迪在日前同樣宣布了他們在SiC方面的布局。目前,公司已投入巨資布局第三代半導體材料SiC,并將整合材料(高純碳化硅粉)、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業鏈,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在電動車領域的應用。

他們已經成功研發了SiC MOSFET(汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等),有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年,比亞迪將在旗下的電動車中,實現SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代,將整車性能在現有基礎上再提升10%。

據Yole稱,在汽車和其他市場的推動下,2017年SiC功率器件業務達到3.02億美元,較2016年的2.48億美元增長22%。Lin表示:“由于采用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產能增長,在汽車行業的推動下,我們預計2018年會實現飛躍?!?br style="margin: 0px; padding: 0px; -ms-word-wrap: break-word !important; max-width: 100%; box-sizing: border-box;"/>
據Yole稱,到2023年,SiC功率半導體市場預計將達到15億美元。SiC器件的供應商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導體、意法半導體、Rohm、東芝和Wolfspeed。Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工廠商。

英飛凌將所有SiC制造產線轉換6英寸SiC晶圓。同時與科銳達成碳化硅(SiC)晶圓的策略性長期供應協議,英飛凌借此得以擴大SiC產品之供應,以因應光伏變頻器及電動車等高成長市場需求;而英飛凌已將所有SiC產品轉換至6英寸制造產線生產,因此與科銳的協議僅涵蓋此類晶圓尺寸。

X-FAB計劃將其位于美國德州拉伯克市的6英寸SiC工藝產能提高一倍。X-FAB被認為是第一家在6英寸晶圓上提供SiC工藝的晶圓代工廠,為此,該公司購買了第二臺加熱離子注入機,將于今年底交付,并于明年第一季度開始生產(以及時滿足近期的需求預期)。此次擴產也表明了其對SiC技術和代工業務模式的承諾。

羅姆已經開發出采用溝槽結構的第3代SiC MOSFET,與第2代平面結構相比,該器件實現了更低電阻的導通電阻,降低了所有設備的功率損失。針對產品緊缺的問題,據悉,羅姆正在建新工廠和產線,預計2025的產能將是2017年的16倍。


SiC功率器件發展面臨的挑戰

在技術方面,SiC具有高效率、高功率密度的優點,但成本較高。相對于以往的Si材質器件,SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求,將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工藝效率低、摻雜工藝有特殊要求等問題。

從產業格局看,目前全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大,占有全球SiC產量的70%~80%;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈,在全球電力電子市場擁有強大的話語權;日本是設備和模塊開發方面的絕對領先者。

我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚,但我國多家半導體廠商也在積極布局SiC和GaN器件,華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業。

對比歐美日國家,中國對于SiC材料和器件方面的發展,要集中優勢資源扶持龍頭企業和研究機構,形成規模效應。

因為第三代半導體涉及多個學科、跨領域的技術和應用,很多基礎性研發不是企業能夠解決的,要多科研院所合作,攻克技術難題。還要借助行業協會的力量,先行規劃產業發展線路,在標準、檢測、認證等方面內容。


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