隨著國內對碳化硅技術的日益重視和不斷加大的研發投入,國內碳化硅MOSFET芯片設計的水平逐步提升,研究和應用領域也在不斷擴展。近日,“2023功率與光電半導體器件設計及集成應用論壇”于西安召開。論壇由第三代半導體產業技術創新戰略聯盟(CASA)指導,西安交通大學、極智半導體產業網(www.ynpmqx.com)、第三代半導體產業主辦,西安電子科技大學、中國科學院半導體研究所、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟人才發展委員會、全國半導體應用產教融合(東莞)職業教育集團聯合組織、西安和其光電股份有限公司等單位協辦。
期間,“平行論壇1:功率半導體器件設計及集成應用”上,深圳市森國科科技股份有限公司蘭華兵做了題為“碳化硅MOSFET芯片設計及發展趨勢”的主題報告。SiC器件具有優異的特性,未來在高壓、高頻、大功率、環境惡劣的場景下將逐漸替代硅基功率器件。第三代半導體目前主流器件形式為碳化硅襯底-碳化硅外延功率器件,用以實現AC->AC(變壓器)、AC>DC(整流器)、DC->AC(逆變器)、DC->DC(升降壓變換器),碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景,應用在新能源汽車和工控等領域。
報告中介紹,SiC功率器件的未來,要提高器件的可靠性和效率。可以從三個方面入手:1、提高材料質量和工藝穩定性:碳化硅功率器件生產過程中需要控制材料質量和工藝穩定性,尤其是在制造高質量晶體時。此外,還需要采用先進的微細加工技術,提高器件的精度和一致性,從而提升器件的可靠性和效率。2、 優化設計和結構:在碳化硅功率器件設計方面,需要考慮材料的特性和應用場景的要求,選擇最優的結構和參數。同時,還需要通過設計優化減少能量損失和熱效應,優化器件的電熱特性和穩定性。3、改進封裝技術:碳化硅功率器件的封裝方式對器件的性能和可靠性影響很大。因此,需要優化封裝材料和結構,提高溫度承受能力和抗電氣應力能力。此外,還需要采用先進的封裝工藝,提高封裝可靠性和耐久性。
碳化硅功率器件的未來趨勢是朝著尺寸縮小的方向發展。針對此趨勢,可以從以下方面進行更深入的探討:1. 更小的芯片尺寸。碳化硅器件尺寸的縮小,可以通過采用更先進的制造工藝來實現,目標是在不增加器件大小的情況下提高芯片功率密度和效率。隨著尺寸的縮小,碳化硅器件的電路集成度不斷提高。高集成度的器件可以帶來更低的損耗和更小的體積,同時也可以實現更高的性能。2. 更高的工作溫度。碳化硅器件的尺寸縮小還可以降低器件的熱阻,使得器件能夠在更高的溫度下正常工作。這對于一些高溫工作條件下的應用非常有益,例如航空航天、軍事和汽車行業等。
碳化硅功率器件隨著市場規模的快速增長,降低成本是未來大趨勢,可以從以下方面進行更深入的探討:更大尺寸的襯底,比如6寸到8寸;更高效的襯底長晶效率,大幅度提升良率;更低損耗的水冷激光切割;更高效的外延生長效率;進一步擴大晶圓代工的生產規模,以規模化降低生產成本;
Yole 預測預計到 2027 年,SiC 器件市場將從 2021 年的 10 億美元業務增長到 60 億美元以上,主要包括新能源汽車、泛新能源市場。新能源汽車從400V平臺向800V平臺躍遷已是業內共識,可使汽車電池在10分鐘內充滿80%電量,解決“里程焦慮”和“充電焦慮”。SiC逆變器使得電源頻率增加,電機轉速增加,相同功率下轉矩減小,體積減小。800V 架構時代來臨,SiC 在高壓下較 IGBT 性能優勢更為明顯,損耗降低幅度更大。 SiC 在新能源車主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。至 2025 年全球新能源汽車消耗 SiC 襯底數量將達到 199.6 萬片/年。
在光伏逆變器應用方面,有數據顯示,預計到2025年時,全球光伏新增裝機量有望增加至287GW,2019-2025年間復合增長率為16.40%。其中逆變器市場需求將大幅增長.
SiC MOSFET或SiC MOSFET+SiC SBD模組的光伏逆變器能將轉換效率由96%提升至99%以上,能量損耗可降低50%以上,設備循環壽命提升50倍。對于100kW的太陽能逆變器,其平均需要30-50顆SiC器件。二極管與三極管比例在4:1與5:1之間。據CASA預測,2025年光伏逆變器中SiC器件價值占比將增長至50%。
在儲能應用方面,2021-2025 年電力系統用儲能裝機需求分別為 117、190、274、367和507GWh,需求年平均增速約為 83.34%。2021 年儲能逆變器(PCS)和能量管理系統(EMS)價格按照 0.8 元/W 計算,2025 年每年價格下降 8%,則分別為234、349、463、571、726億市場空間。其中功率器件占比5%左右,將有11.7億、17.5億、23.1億、28.5億、36.3億的市場機會。
在充電樁應用方面,2020年,全球充電樁市場規模達到了1925.32百萬美元,預計2027年將達到5923.22百萬美元,年復合增長率(CAGR)為16.84%。中國2020年市場規模為1131.52百萬美元,預計2027年將達到3247.44百萬美元,年復合增長率(CAGR)為15.63%。中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟統計,截至2022年3月,聯盟內成員單位總計上報公共類充電樁123.2萬臺,其中直流充電樁50.2萬臺。從2021年4月到2022年3月,月均新增公共類充電樁約3.2萬臺。隨著新能源汽車從400V向800V躍遷,直流充電采用的是高電壓大功率充電,電壓從1000V向1400V演進,并開始采用SiC MOS模塊,功率達到30-40KW。
報告分享了新能源汽車、泛新能源、光伏逆變、儲能、充電樁等領域的應用現狀與趨勢,結合當前碳化硅材料及器件特性探討了最新技術進展,報告指出,提高器件的可靠性和效率,器件尺寸縮小,降低成本是SiC 功率器件未來重要的發展方向。SiC功率器件及模塊在新能源汽車及泛新能源,風光儲充的產業機會坡長雪厚。
CASICON 系列活動簡介
“先進半導體產業大會(CASICON)” 由【極智半導體產業網】主辦,每年在全國巡回舉辦的行業綜合活動。活動聚焦先進半導體產業發展熱點,聚合產業相關各方訴求,通過“主題會議+項目路演+展覽”的形式,促進參與各方交流合作,積極推動產業發展。CASICON 系列活動將以助力第三代半導體產業為己任,聯合實力資源,持續輸出高質量的活動內容,搭建更好的交流平臺,為產業發展貢獻應盡的力量。
(備注:以上信息僅根據現場整理未經嘉賓本人確認,僅供參考!)