【導讀】隨著半導體材料步入第三代半導體時代，行業巨頭在SiC/GaN器件和模塊上早已布局多年。事實上，從特性上來講，SiC和GaN的優勢是互補的，應用覆蓋了電動汽車(EV)、新能源、光伏逆變器、智能電器、醫療、通信射頻。
不過從細微差別來說，GaN（氮化鎵）晶體管適合于高效率、高頻率、高功率密度要求的應用場合；碳化硅(SiC)由于熱導率是GaN的三倍以上，因此在高溫應用領域具有優勢，因此多用于1200V以上高溫大電力領域。
GaN作為后進者，由于器件水平發展歷史原因，主要還是在消費和射頻領域；而SiC則是極限功率器件的理想材料。
SiC這種寬緊帶材料相比硅來說，擁有10倍的介電擊穿場強、2倍電子飽和速度、3倍能帶隙、3倍熱導率。
這意味著，SiC器件可以獲得明顯的小型化、高能效、驅動強的系統性能。數據顯示，SiC的總市場容量(TAM)按終端市場顯示，到2022年將超過10億美元，復合年增長率高達35%。
SiC應用十幾年了，現在這個第三代半導體材料發展現狀如何了？21ic中國電子網記者連線了安森美半導體電源方案部產品市場經理王利民，講述安森美半導體在SiC上的故事。
聚焦三大領域
縱觀半導體全球市場，安森美半導體位列前20大集成器件制造商，尤其是在功率半導體這一細分領域，通過一系列收購目前已成為全球第二大半導體分立和模塊供應商。
王利民表示，安森美半導體的愿景是未來5年收入超過100億美元，成為全球前十大的整合元器件廠商(IDM)。通過數據和排名，足以見得安森美半導體的實力。
王利民為記者介紹表示，在SiC方面，安森美半導體目前主要聚焦于電動汽車、可再生能源、5G和通信電源上。
1 電動汽車（EV）：
安森美半導體認為電動汽車是未來幾年SiC的主要驅動力，約占總市場容量的60%。通過SiC這項技術，每年可增加多達750美元的電池續航力。
而安森美半導體所布局的包括電動汽車本身的主驅逆變器(Traction Inverter)、車載充電器(OBC)、DC/DC和電動汽車充電樁兩大方面。
● 前者，應用SiC器件的電動汽車可大幅提高效率，增強電動汽車續航能力；
● 后者，消費者關注主要在直流快充上，而直流快充充電樁需憑借大充電功率和效率實現。
2 可再生能源：
在太陽能逆變器領域，SiC二極管使用量非常巨大。數字顯示，如今已安裝307 GW，至2025年將安裝超過500 GW的太陽能逆變器，預計10-15年將會有15%的能源來自太陽能。
SiC半導體可應用于太能能逆變器的Boost，并隨著逆變器成本優化。王利民強調，行業已有不少廠家開始使用SiC MOSFET作為主逆變的器件替換過去的三電平控制復雜電路。
3 5G和通信電源：
眾所周知5G元年開啟，帶動了整個AIoT的發展，也是一個很大的市場。傳統的開關電源在Boost和高壓電源上，對功率密度一直有著持之以恒的追求，從最早通信電源的金標、銀標，到現在5G通信電源、云數據中心電源，對電源的能效要求越來越高。SiC器件沒有反向恢復，使得電源能效可以達到98%。
擁有三項優勢
產品方面，安森美半導體提供大范圍的SiC MOSFET和SiC二極管，并推出多代產品。
● SiC二極管方面，包括650/1200V/1700V二極管產品組合；
● SiC MOSFET則擁有650/750/900/1200/1700V產品。
那么，這些產品擁有哪些特性？王利民為記者介紹表示，安森美半導體的SiC產品方案具備領先的可靠性、高性價比、滿足汽車規范這三個重要特性：
1 領先的可靠性
在H3TRB測試（高溫度/濕度/高偏置電壓）里，安森美半導體的SiC二極管可以通過1000小時的可靠性測試。實際測試中，還會延長到2000小時，大幅領先于市場的可靠性水平，對比競爭對手有著明顯的優勢。
王利民強調，事實上，安森美半導體曾經是JEDEC可靠性委員會的成員，寬禁帶可靠性標準委員會現已并入JEDEC標準委員會，安森美半導體正是可靠性標準委員會的專家之一。
2 高性價比
通過對比SiC MOSFET、Si MOSFET、Si IGBT，不難發現在同樣達到1200V擊穿電壓情況下，硅器件的面積甚至相差100倍，硅基IGBT開關損耗相差10倍。實際上，在替換過程中，硅器件性能還要差很多。
對于SiC，業界很多人都對會被其高昂的單器件價格“勸退”。然而事實上，業界越來越講求整體方案性能，通過計算不難發現，同樣的電源如果替換成SiC方案，其體積、功率密度和整體的BOM都會得到優化。
許多系統工程師也逐漸認識到減少尺寸和冷卻要求的重要性，在同樣的能源和硬件成本下，他們希望擁有更多的器件以及更廣泛的應用設備，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項。
之前，也多次強調，“系統級”成本效益這一概念，且不說在整體上的成本優化， SiC的低發熱的壽命延長事實上也是降低成本的一環。
3 車規級
眾所周知，汽車對于電源是一大考驗，不僅要求非常高的穩定性，對溫度和參數上也要求嚴格。
安森美半導體的MOSFET涵蓋了市面上所有主流的SiC MOSFET，包括20mΩ、40mΩ、80mΩ、160mΩ，TO247封裝，TO247的4條腿以及D2PARK的7條腿封裝，并且所有的產品都提供工業規范和汽車規范。值得一提的是，900V的SiC MOSFET擁有20mΩ、60mΩ這種市面的主流規格。
事實上，需要沖擊電流也是SiC二極管的一個痛點，這是因為，應用中無論是Boost還是PFC都需要扛住浪涌電流。
針對這一點，安森美半導體的SiC則擁有一處貼心的設計，以1200V 15A的碳化硅二極管為例，在毫秒級安森美半導體的碳化硅二極管有10倍的過濾，在微秒級有50倍的過濾。
另外，行業內很多SiC二極管并不提供雪崩的量，以安森美半導體的1200V 15A SiC二極管為例，雪崩電流接近200A(3500A/c㎡)。
SiC的未來
遠觀功率半導體的發展歷史，
● 從第一階段的整流管、晶閘管，
● 第二階段的GTO和BJT，
● 第三階段的IGBT，
● 第四階段的功率集成電路PIC和智能功率集成電路SPIC。
分立器件逐漸從單一器件轉向集成化。但在不斷迭代過程中，市場并沒有吞并單一器件的市場，而是兩者并存。
SiC亦是如此，從特性來說，模塊在功率密度、額定功率和熱性能實現了應用的最大差異化，這是SiC發展的未來。
而從王利民的觀點來看，SiC整個市場則一直是分立器件和模塊兩者共存的市場。他表示，電動汽車領域SiC MOSFET或二極管市場容量確實是以模塊為主，之所以叫模塊是因為產品是SiC分立器件和成品封裝到模塊之中，同時也是一個單管的分立器件的成品。
他強調，未來很多客戶也在看向模塊，將SiC的晶圓集中到模塊中。“我們認為，模塊絕對是SiC器件的一個重要方向。”但需要注意的是，模塊設計主要集中在比較大的功率上，比如幾十千瓦或幾百千瓦級別的車載逆變器。
實際上，碳化硅器件還有很多的應用領域，除了電動汽車以外，還有電動汽車上OBC和DC-DC。“通過市場得知，目前幾乎所有的設計都以單管為主，因此在汽車領域，我們可以認為一大半的趨勢是模塊，一小半是單管。”
而非汽車領域，諸如太陽能逆變器、5G及通信電源、電動汽車充電樁，按照市場上來看還沒有客戶采用模塊化的方案，基本都是單管方案。按照數量，市場是以單管為主，按照金額，或許更多市場將會是模塊方向。
“當然，安森美半導體既提供分立器件也提供模塊化產品，對于我們來說，SiC的器件一直都是我們的重點關注”，王利民如是說。
晶圓方面，王利民告訴記者，目前市面上4英寸和6英寸的SiC晶圓幾乎占據市場100%，這是因為8英寸SiC晶圓仍然是太過于超前的技術概念，幾乎所有廠商都無法處理超薄的超大SiC晶圓進行批量生產。
當然，在4英寸和6英寸產能上，此前安森美半導體寬禁帶產品線經理Brandon Becker告訴記者，安森美半導體每年的產能都在翻番，以領先于客戶的進度計劃量。
談及SiC的發展時，王利民表示，汽車的發展會帶動未來的模塊增長，而其中最大的增長還是會在主驅模塊的市場上。
值得一提的是，安森美半導體是提供全生態的，包括提供器件、解決方案、仿真模型以及軟件設計等整個一系列的碳化硅生態。而據王利民的介紹，安森美半導體還會持續地、大幅地在碳化硅領域進行投入和生態的建立。
文章來源：21中國電子網
作者：付斌
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