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抢占第三代半导体风口!中国6英寸SiC实现量产
发布时间:2022-09-20 15:29:52 来源:华体会体育官方 作者:华体会体育在线
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  半导体材料经过几十年的发展,第一代硅材料半导体已经接近完美晶体,对于硅材料的研究也非常透彻。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新,正在逐渐接近硅材料的极限,基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性,为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

  SiC是功率器件的优质衬底材料。随着光伏、锂电需求日益增长,其需求也处于高速增长期。因而各国都非常重视SiC产业的商业化。

  海外方面,目前Wolfspeed已投入10亿美元建新工厂,并在今年4月开始生产8英寸SiC等产品;罗姆旗下SiCrystal预计2023年左右开始量产8英寸SiC衬底;Soitec在今年3月启动了新晶圆厂建设计划,并在5月发布了8英寸碳化硅衬底产品。

  我国6英寸的SiC材料已经步入量产阶段。天岳先进前不久披露,2023年至2025 年,公司及公司全资子公司上海天岳半导体材料有限公司将向合同对方销售6 英寸导电型碳化硅衬底产品,合计金额为13.93亿元。该金额约为天岳先进2021年营业收入的2.8倍。这意味着中国导电型SiC衬底产业驶入快车道。汽车等下游用户也可以吃下“定心丸”,相关产品产能供应问题或将得到缓解。

  晶盛机电6英寸SiC产品也在快速量产。今年3月,公司在宁夏开工建设了一期年产40万片6英寸以上的导电型、绝缘型SiC衬底产能。另外据透露,他们获得了意向SiC衬底订单,3年内将优先向客户提供SiC衬底合计不低于23万片。

  集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄表示,8英寸是降低SiC功率元件成本的重要途径,被业界给予高度关注。目前全球不少SiC衬底厂商相继推出了相关样品,但仅有美国Wolfspeed一家步入量产。

  民生证券李哲认为,我国SiC4/6寸片已在量产中,8寸片产业化预计仍需要时间。

  由于 SiC 衬底加工环节复杂、耗时,所以其在整个 SiC 晶圆中所占成本比例最高。SiC 晶圆的其他加工成本包括外压以及正面和背面的掺杂、金属化、CMP、清洗等。考虑到SiC材料属于高硬度的脆性材料,所以在加工、减薄过程中容易比硅晶圆出现更多的翘曲、裂片现象,从而使得目前良率损失占成本比例仍较大。

  目前全球的SiC 衬底量产线 英寸,而业内头部公司也在往8 英寸产线发展。例如,Wolfspeed 的第一条8 英寸SiC 产线 开始生产,标志着全球第一条8 英寸 SiC 产线的投产。目前国内的SiC 衬底产线 英寸为主,部分厂商也开始量产6 英寸的衬底。以天岳先进为例,国内 4 英寸产线 英寸的量产时间差距缩小至7~10 年,反映国产SiC 衬底技术也在逐步提升。

  全球 SiC 从 6 英寸往 8 英寸发展,有望带动芯片单价下降。正如硅片晶圆从8 英寸往12 英寸发展,目前SiC 晶圆也正在从6 英寸往8 英寸发展。更大的晶圆尺寸可以带来单片芯片数量的提升、提高产出率,以及降低边缘芯片的比例,从而提升晶圆利用率。例如,Wolfspeed 统计,6 英寸 SiC 晶圆中边缘芯片占比有14%,而到 8 英寸中占比降低到 7%。随着全球 SiC 晶圆的尺寸扩大,预计将带动 SiC 芯片单价降低,从而打开应用市场。

  SiC器件具有耐高温、耐高压、高频特性好、转化效率高、体积小和重量轻等优点,其中导电型SiC一般用于做电力电子器件,被广泛应用于新能源汽车、轨道交通、光伏、5G通讯等领域。

  碳化硅为第三代半导体材料,碳化硅器件较传统硅基器件可具备耐高压、低损耗和高频三大优势。碳化硅具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,广泛应用于新能源汽车、光伏、工控、射频通信等领域。SiC MOSFET 较IGBT 可同时具备耐高压、低损耗和高频三大优势。

  此外,据Wolfspeed 研究显示,相同规格的碳化硅基MOSFET 与硅基MOSFET相比,其尺寸可大幅减少至原来的 1/10。在新能源汽车方面,基于上述性能优势,碳化硅可助力新能源汽车实现轻量化及降低损耗,增加续航里程,特斯拉、比亚迪等车企已率先开始应用SiC方案。

  电动车半导体单车价值量激增,逆变器用功率半导体占比最高。据英飞凌,电动车的半导体单车价值量较燃油车增长约950美元,其中约900美元来自功率半导体的使用,而逆变器使用的功率半导体,占单车功率半导体总价值量75%左右。

  电机和逆变器是电动车新增核心需求,功率器件(IGBT和碳化硅MOS)是逆变器核心器件,也是车辆性能的主要保证方式之一。和计算机上处理数字信号的CPU类似,功率器件是电动车在功率上的“CPU”。CPU依靠软件实现信号流在0和1之间转换。功率器件依靠变频控制软件,处理功率流的开和关。

  SiC 器件应用于电驱逆变器中,能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,并提高功率密度;应用于车载充电机和DC/DC 系统,能够降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率。

  除此之外,SiC 也可以应用于新能源汽车充电桩上,达到减小充电桩体积、提高充电速度的效果。

  随着特斯拉在 Model 3 的主逆变器中首次采用全SiC 功率器件,越来越多的厂商开始发布搭载SiC 器件的车型,包括比亚迪、蔚来、小鹏、丰田、奔驰等。通过搭载SiC 器件,这些新发布的车型可以实现更小的逆变器和车载充电机、更高的逆变效率、更高功率密度,从而提升汽车驱动功率、充电速度以及续航。考虑到蔚来、小鹏等搭载SiC 车型将在2022下半年开始交付,预计车规 SiC 器件将迎来放量。

  以小鹏 G9车型为例,其是国内首款基于800V 碳化硅平台的车型,预计将于2022 年开始交付。高压碳化硅平台使得小鹏可以推出 480kW 的超级充电桩技术,而 480kW 的充电功率可以使得一个100kWh 电池包的充满时间只要10 多分钟,真正解决电动车充电焦虑问题。

  TrendForce 预估,随着电动汽车渗透率的不断提升,以及整车架构逐渐朝向 800V 等更高压的方向发展,2025 年电动汽车市场对6 英寸SiC 晶圆的需求量将达169 万片,较目前有数倍的成长。虽然行业领先者在2022 年已经开始生产8 英寸SiC 衬底,但考虑到良率和爬坡时间,预计6英寸SiC 晶圆在未来几年仍将占据主流。

  头部的SiC功率器件厂商已与车企建立紧密联系。如,意法半导体与特斯拉、三菱、日立合作;英飞凌与现代、小鹏、大众合作;Wolfspeed与大众等合作;罗姆与吉利等合作;安森美与奔驰、奥迪、蔚来合作。