1.3 多因素推动,SiC 大规模运用甜蜜点到来 尽管 SiC 功率器件在性能上有诸多优势,但此前 SiC 的发展主要受到价格、晶圆质量、 工艺技术等限制,没有被大规模使用。 近两年,起步较早的 Wolfspeed、Rohm、英 飞凌等海外厂商不断进行产品迭代,产品性能、质量持续提升;晶圆良率提升,尺寸升 级,产能扩充,衬底价格快速下探,我们认为 SiC 器件广泛应用的甜蜜点已经到来。 1.3.1 产品升级迭代,性能及稳定性提升打开更大应用市场空间 自 Wolfspeed 发布 2011 年发布业界首款 SiC MOSFET 以来,罗姆、三菱电机、意法半 导体、英飞凌等陆续也推出 SiC 功率产品并持续进行迭代。 ![]()
衬底质量不断提升。 SiC 外延材料和 SiC 基功率器件性能及可靠性受到衬底结晶缺陷、表 面加工质量的制约,晶圆生长过程中易出现材料的基面位错,以致 SiC 器件可靠性下降。 2020 年以来,国外 6 英寸 SiC 衬底产品已实现商用化,主流大厂陆续推出 8 英寸衬底样 品并开始投建 8 英寸 SiC 晶圆产线,微管密度达到 0.6cm-2。SiC 外延方面,6 英寸产品 实现商用化。 国内 SiC 商业化衬底仍然以 4 英寸为主,并逐步向 6 英寸过渡,微管密度 小于 1 个/cm2,衬底可用面积实现 95%。 研发方面,实现了高质量 6 英寸衬底材料的制 备,微管密度为 0.5 个/cm2,螺位错密度为 1200 个/cm2。 ![]()
SiC 功率晶体设计不断迭代,产品性能持续提升。 随着 SiC 功率晶体设计的不断发展, 各厂商近年来持续进行产品升级迭代,可靠性和性能大幅提升。 目前已量产的增强型碳 化硅功率晶体的晶粒结构主要有平面式(planar)和沟槽式(trench)两种。平面式结构设计较为简单,沟槽式在制造过程中多一步栅槽刻蚀工艺。 ![]()
沟槽式结构能够更有效利用较高的电子迁移率,达到更低的通态电阻。 以 Rohm 的第三 代沟槽栅极 SiC MOSFET 为例,相比第二代产品,第三代采用了沟槽型栅极结构,将 RonA 减小了一半,获得相同导通电阻所需要的芯片面积有所减小,还可以降低成本。 此外, Rhom 通过采用特殊双沟槽结构(Double trench),解决了沟槽栅极 MOSFET 结构底部 的栅极氧化膜在关断时会承受较高的电场,难以保证长期可靠性的问题(英飞凌采取非 对称沟槽式(Asymmetric Trench)结构解决这一问题)。 ![]()
英飞凌依托在 Si 基功率器件领域强大实力,2016 年推出的 SiC MOSFET 产品基于 CoolSiC™沟槽栅设计,面向光伏逆变器、电池充电设备及储能装臵,其系统性能在功率 转换开关器件的优值系数(FOM)值上取得了巨大改进,从而带来更高的效率和功率密 度,以及更低的系统成本。 英飞凌即将推出的第二代产品已经处于成熟开发阶段,性能 预计较第一代再提升 25-30%,同时可靠性进一步提升,有望打开更大的应用市场空间。 ![]()
1.3.2 SiC 成本下降迎来价格甜蜜点 Die Size和成本是SiC技术产业化的核心变量。我们比较目前市场主流1200V硅基IGBT 及 SiC 基 MOSFET,可以发现 SiC 基 MOSFET 产品较 Si 基产品能够大幅减少 Die Size, 且表现性能更好。 但是最大阻碍仍在于 Wafer Cost,根据 yole development 测算,单片 成本 SiC 比 Si 基产品高出 7~8 倍。 ![]()
![]()
目前 SiC 主流尺寸处于 4 英寸向 6 英寸过渡阶段。 单晶尺寸的增加往往会伴随结晶质量 的下降,SiC 衬底从 1~8 英寸不等,主流尺寸为 4~6 英寸。由于尺寸越大,生产效率越 高,但生产品质控制难度越高,因此目前 6 英寸主要用于二极管,4 英寸主要用于 MOSFET。 由于 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造成用于生产 SiC 器件,所以预计 6 英寸 SiC 衬底 的高市占率会维持较长时间。 ![]()
未来 5 年内驱动 SiC 器件市场增长的主要因素将由 SiC 二极管转变为 SiC MOSFET。 目前,SiC 电力电子器件市场的主要驱动因素是功率因数校正(PFC)和光伏应用中大规 模采用的 SiC 二极管。 ![]()
然而,得益于 SiC MOSFET 性能和可靠性的提高,3~5 年内,SiC MOSFET 有望在电动汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用,未来 5 年内驱动 SiC 器件 市场增长的主要因素将由 SiC 二极管转变为 SiC MOSFET。 SiC 成本下降依赖于尺寸增加、可用厚度增加和缺陷密度下降。伴随大直径衬底占比不 断提高,衬底单位面积生长成本下降。单晶可用厚度在不断增加。以直径 100mm 单晶 为例,2015 年前大部分单晶厂商制备单晶平均可用厚度在 15mm 左右,2017 年底已经 达到 20mm 左右。 伴随衬底结晶缺陷密度下降的同时,工艺复杂程度增加。在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后,衬底单位面积价格会 迎来相对快速的降低。 ![]()
SiC 电力电子器件价格进一步下降,与同类型 Si 器件价差缩小。 根据 CASA,Mouser, 从公开报价来看,2020 年底 650V SiC SBD 均价为 1.58 元/A,同比下降 13.2%,与 Si 器件的价差约 3.8 倍;1200V SiC SBD 均价为 3.83 元/A,同比下降 8.6%,与 Si 器件的 差距约 4.5 倍。 根据 CASA 调研,实际成交价低于公开报价,650V SiC SBD 实际成交价 格约 0.7 元/A,1200V SiC SBD 价格约 1.2 元/A,约为公开报价的 60%-70%,同比则下 降了 20%-30%,实际成交价与 Si 器件价差已经缩小至 2-2.5 倍之间,已经达到了甜蜜 点。 若考虑系统成本(周边的散热、基板等)和能耗等因素,SiC 产品已经具备一定竞 争力,随着产业链技术更加成熟和产能不断扩充,未来在下游新能源汽车、光伏逆变、 消费类电子等市场应用有望加速渗透。 ![]()
|