國際大廠角逐SiC MOSFET，力爭乘上5G「東風」

如今隨著5G技術日益普及，場景轉換效率和高溫穩定性的應用需求與日俱增，碳化矽（SiC）器件憑藉其優異特性而加速滲透。其中SiC MOSFET作為碳化矽電力電子器件研究中最受關注的器件之一，已在5G基站、工業電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統以及能源儲存等場景中的需求量提升，引來不少國際大廠的積極探索和深入布局……

事實上，SiC MOSFET的市場競爭早已如火如荼。根據Yole的預測數據，2018年SiC功率半導體市場規模近4億美元，到2024年將增長至20億美元，整體複合成長率約達30%。

競爭格局高度集中

與全球MOSFET行業格局相似，SiC MOSFET市場目前主要由行業領頭的國際功率半導體公司主導。具體來看，美國Cree公司得益於晶圓產量的優勢，其市場份額獨佔鰲頭；其他國際大廠如ROHM、英飛凌、ST、安森美等均已積極推廣SiC新器件，聚焦在高工藝、定製化、穩供應上。至於眾多國產廠家也在跟進布局，希望能快一步縮短發展距離。總體上看，雖然SiC MOSFET市場規模相對還不太大，但增長速度足夠快。

面對市場競爭日益激烈的SiC MOSFET市場，英飛凌電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源表示：「我更願意把碳化矽的布局看作是一場『超級馬拉松』，角逐的時間越久，就越需要競爭來相互激發鬥志。英飛凌一直樂見競爭，當市場上產品百花齊放，客戶擁有更多的選擇，這才是整個產業鏈發展成熟的象徵。」

英飛凌電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源

國際大廠作為SiC MOSFET產業布局的排頭兵，更著重發展哪些硬實力呢？

來自羅姆半導體（深圳）有限公司技術中心的高級經理蘇勇錦認為：一是核心技術實力。ROHM作為SiC功率元器件的領軍企業之一，核心技術優勢明顯，足以推動SiC MOSFET產品的持續開發。二是實現量產的能力。ROHM早於2010年開始量產SiC MOSFET，2012年開始供應符合AEC-Q101標準的車載級產品，如今更是與國內外汽車企業深度合作，產品和解決方案均獲得市場好評。三是擁有配套的解決方案。ROHM作為綜合半導體製造商，不僅可以提供新推出的SiC功率元器件，還包括充分發揮元器件性能的控制IC、支持客戶使用環境的評估和仿真工具等等。

據介紹，2020年ROHM推出的「1200V第四代SiC MOSFET」通過大幅減少寄生電容來降低約50％的開關損耗，兼具了低導通電阻和高速開關性能，適用於包括主機逆變器在內的汽車動力總成系統和工業設備的電源。該產品已於6月開始依次提供裸片樣品，未來還將提供分立器件樣品。

羅姆半導體（深圳）有限公司技術中心的高級經理蘇勇錦

「英飛凌在2001年就推出世界首款碳化矽二極體，並成為該領域的主要供應商。為了進一步擴展碳化矽產品組合，2020年2月底英飛凌發布了8款CoolSiC™ MOSFET產品。」陳清源介紹道，「全新650V系列基於先進的溝槽半導體技術，可以在毫不折衷的情況下實現最低的損耗和最佳可靠性的運作，目標市場有伺服器、數據中心、5G基站、工業電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統以及能源儲存等。今天可以很自豪地告訴大家，上述新品推出僅2個月，英飛凌就已幫助大中華區客戶順利實現量產！」

陳清源將英飛凌和終端客戶快速實現SiC MOSFET應用落地的秘訣歸類為四點：一是英飛凌在電源管理領域裡幾十年的技術優勢和經驗，這是公司持續研發、創新應用的奠基石；二是英飛凌在產品設計上注重最佳性能和高可靠度，並且擁有自己的生產線，可以構建一個穩固的供應鏈環境；三是英飛凌可以提供Si/SiC/GaN全產品線方案，並可以根據客戶的個性化需求進行「方案定製」；四是英飛凌會繼續加大對功率器件的布局和投入，預計2020年底英飛凌還會推出相關新產品，到2021年該產品線會擴展到50個產品以上。

全球功率半導體領域排名第二的安森美半導體，在SiC MOSFET布局上也成績斐然。2020年第一季度安森美發布了900V SiC MOSFET技術，並將於下半年發布650V SiC MOSFET技術。其中，安森美與客戶合作的碳化矽應用範圍已經從常見的汽車牽引逆變器、電動汽車(EV)車載充電、電動汽車充電樁(EVC)、光伏和雲計算等等，逐步推向專業音頻、專業照明、醫療、電動工具、電器、輔助電機等應用領域。

安森美半導體寬禁帶產品線經理Brandon Becker告訴《國際電子商情》，SiC MOSFET的競爭格局日益激烈，每家器件製造商都極快地反映市場需求、加速項目落地，從而湧現出多代技術。對此，他認為安森美半導體具有多重競爭優勢，如內部供應鏈、製造專知、SiC MOSFET器件的高性能以及客戶支持等。當下，安森美會繼續聚焦在幫助客戶設計具有最佳性能和價格的系統方面，以及集中力量提高產量以縮短交貨時間。

安森美半導體寬禁帶產品線經理Brandon Becker

東芝半導體分立器件市場副經理趙丹則介紹稱，東芝是知名的功率器件供應商，在傳統矽器件就具有高性價比的口碑，對於新的碳化矽產品也不斷優化設計細節。比如2020年已經量產的第二代SiC MOSFET TW070J120B（1200V，70mΩ），主要有三個特點：V_GSS額定值做到更寬的-10V~25V，便於應用在更多的設計中；V_th更高從而避免系統的誤動作，其典型是5V而標稱範圍是4.2~5.8V；內置的肖特基二極體降低了V_F，有助於降低導通損耗。新產品主要應用於大功率電源、電力轉換、光伏逆變等場合。

東芝半導體分立器件市場副經理趙丹

「與前幾家國際大廠相比，瑞能半導體（WeEn）在客戶服務響應以及客戶特殊的定製化需求方面具有極大的優勢，」瑞能半導體研發總監章劍鋒分享道，「公司深耕功率器件幾十年，具備快速的客戶服務響應及穩定的供貨，在國內各級客戶中享有非常好的口碑，產品品質方面也延續了恩智浦（NXP）一貫以來的質量標準。」

據悉，瑞能2020年計劃相繼推出1200V 160mΩ/80mΩ/40mΩ SiC MOSFET產品，很多客戶對此表現出了極大的興趣。下一步，瑞能半導體將進一步加大矽材料和碳化矽材料的功率器件產品的投入，擴大產品系列，拓展應用範圍，以為客戶創造價值為最終目標。

瑞能半導體研發總監章劍鋒

這些應用領域更具前景！

相比傳統矽材料，碳化矽具有寬的帶隙、高的熔點、低的介電常數、高的擊穿場強、高的導熱係數和高的飽和電子漂移速度等特性，可以讓其製成器件在更高的溫度、更近的距離、更高的功率級別的場景下工作。而對於設計者和使用者而言，碳化矽還能很好地解決散熱難題，解決了工程師「老大難」問題。

綜上所述，據英飛凌觀察，SiC MOSFET最熱門的主要是對效率、功率密度以及可靠性要求很高的應用，包括：伺服器、數據中心、通訊系統的開關電源，工業電源，太陽能逆變器，UPS(不間斷電源)，電池化成(formation)電源，充電樁以及例如車載充電器這一類汽車應用等等。

蘇勇錦表示，SiC材料具有耐高溫、高耐壓、高頻的特點，比Si更薄、更輕、更小巧，因此ROHM會加速SiC MOSFET在能源、xEV、ICT等增長型市場中的應用。

事實上，在人們翹首以待5G商用的2020年裡，SiC MOSFET在5G領域的前景更引人入勝。

安森美Brandon Becker表示，5G的速度可比4G LTE快20倍，所以5G硬體內就更需要能夠處理更高功率、具有更好散熱性能的器件，使設備不會過熱並高效地進行優化。這些「新」平臺的性能目標和SiC MOSFET非常匹配，因為SiC更適合處理嚴苛的條件。況且隨著雲和人工智慧（AI）以指數級增長，更高功率密度的需求是設計工程師的主要關注點，未來SiC也將在設計環節中變得至關重要。

羅姆蘇勇錦則看好SiC MOSFET在數據中心和伺服器兩大應用領域中的發展。一方面，隨著AI和IoT的發展與普及，各國社會對雲服務的需求日益增加，導致全球對數據中心的需求呈爆發式增長。數據中心所使用的伺服器正在向大容量、高性能方向發展，而如何降低功耗量就成為亟需解決的課題之一。另一方面，以往伺服器的功率轉換電路中，主要採用的是矽元器件；如今損耗更低的SiC元器件被寄予厚望。

東芝半導體趙丹則強調，5G產品大多具備高功率、高壓、高溫等特點，這使得碳化矽比傳統矽基器件更具優勢。但值得一提的是，在射頻領域，5G通信晶片應該是使用碳化矽襯底、氮化鎵外延器件更優。

瑞能半導體章劍鋒認為，5G時代下，雖然SiC MOSFET不會直接作為5G通信晶片，但是在5G基站電源、數據中心伺服器電源等需要電力電子的應用場景，使用SiC MOSFET產品可以帶來整體電能利用效率的顯著提升以及電力電子裝置體積的小型化。尤其在疫情期間，在線會議和雲辦公的大規模發展，數據中心和5G通信基站建設如火如荼，碳化矽功率器件產品的市場規模也增長明顯。

此外，章劍鋒還在越來越多的電動汽車上看到了SiC MOSFET的身影，例如特斯拉Model 3。他補充道：「雖然目前Model 3隻在主驅動逆變器上應用了SiC MOSFET，但一輛車也需要24顆SiC MOSFET，甚至未來的車載充電機（OBC）、DC-DC等部分都會應用SiC MOSFET。換言之，未來SiC MOSFET出貨量的上升幅度將會直接正比於電動汽車市場規模的增長，這是一個不容小覷的市場機會。」

SiC MOSFET發展的制約因素？

分析一個產業的發展脈絡，不能只關注驅動因素，更需要直面制約因素，只有補齊短板才能更長遠地發展。SiC MOSFET也是如此，儘管其優異性能已經眾所周知，但仍有三大因素制約著產業鏈上下的同步發展。

1、SiC基板的開發

安森美Brandon Becker認為，SiC基板的開發是公司以及其它廠家都在著力解決的最大瓶頸之一。SiC基板與傳統的矽晶錠有很大不同，從設備、工藝、處理到切割的一切都需要進行開發，以處理碳化矽。安森美半導體在這瓶頸上投入了大量研發工作，以降低缺陷密度，從而實現更佳的成本結構，以擴大客戶對SiC MOSFET的採用。

至於其他瓶頸，Brandon Becker補充道，包括但不限於外延生長、晶圓廠加工和封裝等等。「這些供應鏈步驟中的每一步都有獨特的瓶頸，安森美每天都在解決。」他說。

2、成本普遍較高

陳清源表示，相對於矽材料器件而言，碳化矽器件是比較新的產品，因為產量和產能原因，所以價格相對較高，這是其在商用化道路中主要的阻力。

趙丹贊同道：「由於SiC材料的特性，目前SiC器件整體還是良率偏低，整體出貨數量也還偏少，所以整體平均成本還比較高。對此東芝的策略是：不斷優化生產，改進器件的內部設計結構，提升工藝參數。」

章劍鋒補充道，碳化矽晶圓材料特別是高品質晶圓價格較高，也導致SiC MOSFET成本增加。對此，瑞能半導體設計了超低比導通電阻值（R_on,sp）的SiC MOSFET，單位面積具備更大的電流導通能力，也就是說同一片碳化矽晶圓上WeEn可以產出更多的有效晶片,從而提高性價比。

蘇勇錦則指出，由於使用SiC可以減少電池和冷卻系統等外圍元器件的數量，因此在某些設備中，採用SiC反而能夠降低系統整體的成本。因此目前其應用案例與日俱增，ROHM預計未來SiC市場會有顯著增長。

對於即將爆發的市場需求，ROHM採取了三個舉措，蘇勇錦介紹道：「首先，ROHM建立了引以為豪的垂直統合型生產體制，並通過擴大晶圓的直徑和引進新設備來提高生產效率。此外，ROHM還在位於日本的阿波羅工廠投建了新廠房，以擴大SiC功率元器件的產能。未來，ROHM將通過推進低導通電阻、高速開關兼備的第四代SiC等高附加值產品的開發，繼續提供具有成本優勢的系統整體解決方案。」

3、原材料的品質和供應

事實上，碳化矽是一種非常難處理的材料，它可以形成超過150種的多型，開發技術難度極大，品質參差不齊，供應環節也時有風險。

在品質上，章劍鋒分析稱，由於MOSFET對碳化矽晶圓材料的品質要求遠遠高於肖特基二極體產品，SiC MOSFET單顆晶片的尺寸也要大於碳化矽二極體產品，對碳化矽晶圓材料的缺陷密度有著更高的要求，更高品質的碳化矽晶圓可以顯著提高目前SiC MOSFET晶片的良率。對此，瑞能半導體一直與國內外的碳化矽晶圓材料廠商有著密切交流合作，從下遊晶片製造的角度協助材料廠商改善碳化矽晶圓生長工藝。

在供應環節上，英飛凌擁有強大而穩定的製造和物流系統，使得即使在最具挑戰的供需環境中，也能保障對客戶承諾的交付。陳清源表示，目前英飛凌的交期都會通過系統與客戶和渠道商進行定期地更新。

事實上，過去的兩三年裡，晶圓供應短缺一直是制約SiC產業發展的重大瓶頸之一。尤其在2020年新冠肺炎疫情的衝擊下，每種原材料的供應情況均備受關注，SiC MOSFET是否也受到負面影響？經《國際電子商情》走訪發現，疫情之下SiC MOSFET供應情況基本無影響。

「碳化矽原材料的生產屬於技術密集型行業，相對來說受到的影響較小。」章劍鋒分享道，「以瑞能半導體為例：在設計項目上，公司大規模地啟用了線上會議和雲辦公的工作模式，即使在疫情最嚴重的2月份，我們也按時完成了前期制定的新產品Tape Out工作，並未造成延誤。在製造生產上，半導體晶片製造本身就要在無塵超淨的工作環境下進行，並且自動化程度也較高，所以半導體晶片的製造受疫情的直接影響相比其他製造業都要小。最後在原材料備貨上，瑞能也做了充足的備貨準備，保證可以快速響應客戶的需求。綜上所述，疫情對我們的供應影響較小。」

同樣，蘇勇錦也回應道：「沒有明顯影響。」就像前面提到的，ROHM已經建立了垂直統合型生產體制，從SiC晶圓到封裝整個流程全部在本集團內部進行，以在性能、品質和穩定供應方面與其他公司拉開差距。另外，了解和掌握客戶需求和市場發展趨勢是SiC MOS技術開發過程中非常重要的因素。ROHM通過與xEV製造商和汽車行業一級供應商積極開展聯合研究，並將這些優勢應用在先進SiC功率元器件的開發中。

Brandon Becker也表示：「安森美半導體通過多方採購保證供應的連續性和快速響應。我們有出色的團隊，在公司內外部的多個地點使我們的產品獲驗證，以確保我們的SiC製造不會因某一個地點而中斷。」

趙丹介紹道：「東芝是IDM廠商，目前供應穩定，產能充足。設計部門在研發第三代SiC產品，進一步豐富產品線。下一步東芝將重視客戶服務，充分聆聽市場和客戶的需求，來調整設計、製造和供貨等流程。」

Si/SiC/GaN的趨勢展望

不可置否，如今半導體材料已經步入第三代，以碳化矽和氮化鎵為代表的第三代寬禁帶半導體（WBG）正突破傳統矽器件的物理性質，創建出以往無法製造的新器件，其加速滲透的趨勢已不可逆轉。那麼IC廠商及設計師們該如何看待Si、SiC及GaN之間的區別？並如何從三者中選擇呢？

英雄所見略同，五位受訪者均認同：Si MOSFET是經過50年完善並不斷改進的器件，產業發展十分成熟，所以一定時期內主流電源還會繼續使用矽器件；但在一些特定領域，碳化矽和氮化鎵器件已經開始逐步替代矽器件了。

趙丹指出，成熟的矽器件短時間內不會被取代，但碳化矽和氮化鎵器件會在追求效率和體積的高端產品開始更多地使用起來。如果碳化矽和氮化鎵需要爆發式增長，而目前市場規模不大幅增長的背景下，只能替代更多的傳統矽器件。碳化矽和氮化鎵由於本身的材料特性，一般認為碳化矽適合高壓大功率應用，而氮化鎵更適合於高頻應用。在600V器件，碳化矽和氮化鎵已形成競爭。

目前東芝主力產品線還是在矽器件，不過很早就將SiC作為功率器件發展的重要方向。一方面深耕SiC工藝改進，開發出更多具有出色技術優勢的產品；另一方面則是深化器件的成本降低。同時，東芝還將根據市場的需求，不斷引入更新的技術指標，藉助東芝既有的功率器件傳統技術和服務優勢，在電源系統設計替代方面不斷催生新的市場需求，從而將SiC功率器件服務到更廣泛的開發設計需求當中。

蘇勇錦表示：「Si的通用性很好，SiC在大功率方面表現出色，GaN具有高頻特性，這三種功率元器件的特點各不相同。因此，我們認為它們將在能夠發揮各自優勢的領域逐步增長。」

據介紹，ROHM的開發以SiC為核心，同時推進Si MOSFET和IGBT等Si功率半導體的開發。不僅如此，ROHM還在不斷擴充通用產品群的產品陣容，如能大幅釋放各種功率半導體性能的柵極驅動器IC、以及電源IC、電晶體、二極體、用來檢測電流的分流電阻等。ROHM將運用能夠一併驗證包括SiC在內的功率半導體和驅動IC的線上仿真工具，為主逆變器、 DC/DC轉換器、車載充電器、電動壓縮機等眾多應用提供非常具有優勢的功率解決方案，助力客戶xEV實現高效化和小型化。

更值得一提的是，在Si和SiC功率半導體的基礎上，已有個別國際大廠著手推進GaN的布局開發，例如ROHM和英飛凌。

陳清源分享道：「英飛凌可以提供涵蓋矽（Si）、碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料的全系列功率產品，這會令公司擁有更全面的應用經驗，並能更全面地了解客戶需求和市場風向。具體來看，Si由於技術成熟度最高，以及性價比方面的優勢，所以未來依然會是各個功率轉換領域的主要器件。而SiC器件在三種材料中溫度穩定性和可靠性都被市場驗證，所以在對可靠性要求更高的領域將會較快的增長，例如汽車和太陽能逆變器等。至於GaN器件，由於其在快速開關性能方面的優勢，會在追求高效和高功率密度的場合，例如數據中心、伺服器等將有較快的增長。這三種技術將會共存，並不是『誰』代替『誰』的關係，而應該是相互補充、補足的關係。未來Si/SiC/GaN的市場會同步發展，不可或缺。」

本文為《國際電子商情》2020年10月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊 這裡