“功率半導體在節(jié)約能源方面起著重要的作用，然而之前令人無奈的是市場卻很小，但是，2017年世界市場規(guī)模超過了2兆日元(約1,200億人民幣)，特別是EV、混合動力汽車、燃料電池車等方面發(fā)展迅猛。尤其是SiC(碳化硅)被高度評價具有優(yōu)越的材料特性。”
就職于大阪大學研究生院的客座教授—-中村 孝先生發(fā)表了以上看法。中村先生從1990年到2018年在羅姆株式會社從事鐵電隨機存取存儲器(Ferroelectric Random Access Memory)、SiC 功率器件的的研發(fā)工作，是羅姆公司研究開發(fā)總部的統(tǒng)括部長。在功率半導體的世界里，可謂沒有人不知道他的名字。
SiC 功率半導體器件漸漸地開始被車載市場開始采用。(照片：infineon的SiC power device)
中村先生還說到，功率半導體市場融合電力和周波數(shù)，同時開發(fā)各種各樣的產(chǎn)品。在動作周波數(shù)高的領域里，硅制MOSFET(金氧半場效晶體管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是“主角”;在家電領域里，反而更多使用動作周波數(shù)更低的功率IC。從電力變換容量方面來說，在最高領域里，晶閘管(Thyristor)和GTO(Gate—Turn-Off)是最活躍的。用途大約位于中等地位的是IGBT模組，可以說可以“變著花樣”使用。
各大公司積極進行投資
功率MOSFET的正在擴大用于各種電源、適配器、照明、DVD、車載等領域，東芝是量產(chǎn)MOSFET的大公司，據(jù)他們公司的干部說現(xiàn)狀是，“無論怎么生產(chǎn)，都不夠用”。為了滿足現(xiàn)狀市場需求，在石川縣的主力工廠正在進行超過100億日元(約6億人民幣)的擴大產(chǎn)能工作，而且也在考慮再增加投資。
據(jù)露，東芝計劃到2020年度，將把功率半導體產(chǎn)能增加至2017年度的1.5倍。將以保持滿負荷運轉的生產(chǎn)子公司加賀東芝電子為中心增強設備。此外，東芝姫路半導體工廠(位于兵庫縣太子町)和泰國的半導體工廠也將加強組裝工序。
投資額在3年里預計達到約300億日元。東芝正在制造被稱為“分離式(Discrete)”的功率半導體。該產(chǎn)品的利潤率高達10%左右，因此東芝考慮將分離式功率半導體業(yè)務的銷售額到2020年度增加25%，達到2000億日元。在將全年銷售額達到4000億日元以上的存儲器業(yè)務出售之后，東芝為實現(xiàn)經(jīng)營重建，希望將分離式功率半導體培育為新的盈利業(yè)務支柱之一。
日本國內(nèi)最大企業(yè)三菱電機2018年度將以位于熊本縣和中國的主力工廠為中心，投資約100億日元。以功率半導體為中心的功率器件業(yè)務到2022年度力爭實現(xiàn)2000億日元銷售額。
富士電機也將在2018年度內(nèi)投入200億日元，增強國內(nèi)工廠設備。開發(fā)面向純電動汽車、小型輕量化的功率半導體。該公司2017年度剛剛形成量產(chǎn)體制。2020年度以后將追加投資300億日元，希望將功率半導體的2023年度銷售額增加至現(xiàn)在的1.5倍，達到1500億日元。
羅姆公司則集中于生產(chǎn)SiC 器件，為了擴大用于產(chǎn)業(yè)的機器和面向車載的IGBT模組，繼續(xù)進行對位于滋賀縣石山工廠的已經(jīng)量產(chǎn)的8inch 晶元IGBT的投資。富士電機、三菱電機等公司在超過已投資金額的基礎上，繼續(xù)對功率半導體進行投資，其投資的重點還是IGBT。
瞄準增長市場的不僅僅是日本企業(yè)。世界最大企業(yè)德國英飛凌科技公司 (Infineon Technologies AG)3月與上海汽車合資，在上海成立了功率半導體模塊的制造公司。而美國半導體巨頭安森美半導體(ON Semiconductor)也將以車載半導體為中心，擴充功率半導體產(chǎn)品。
中國的比亞迪也在日前表示，明年會將其IGBT的產(chǎn)能從現(xiàn)在的5萬片提升到十萬片左右。
順便說一下，IGBT的歷史并不是很久遠。1990年左右進入市場，最初并未成為人們的話題。登場的契機居然是因為用在了豐田的混合動力車--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開始逐漸推廣用于汽車上。
SiC功率器件以電動車為中心，擴展用途
以IGBT為“主角”功率半導體市場很活躍，SiC功率半導體也相當備受矚目。Band gap(禁帶寬度)比硅(1.12)高3.26，熱傳導率也比硅(1.5)高4.9。在周波特性方面也很突出，在對應高電壓方面也實現(xiàn)了1,200V以上?？梢哉f，對于高電壓、高電流應用方面是最合適的功率器件。
據(jù)中村先生說，“羅姆公司在本田的Clarity(一款氫燃料電池電動車)上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅(qū)動的燃料電池車，由于具有高溫條件下動作和低損耗特點，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過高頻切換也實現(xiàn)了電抗器的小型化。為此，擴大了內(nèi)部空間，豐田的燃料電池車MIRAI可以坐4個人，本田的Clarity實現(xiàn)了5人座”。
SiC功率器件的目標市場是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車。最近也開始用于功率調(diào)節(jié)器(power conditioner)、工業(yè)機器的電源等方面。成本方面相當具有優(yōu)越性。也開始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經(jīng)使用，但是只采用了三菱電機公司的Full SiC。富士電機、日立制作所、東芝等公司還沒有實現(xiàn)Full。
德國英飛凌同樣是SiC市場一個重磅玩家。
據(jù)英飛凌工業(yè)功率控制部門副總裁、大中華區(qū)副總裁于代輝介紹，英飛凌在SiC方面的研究已經(jīng)超過了十五年，近年來更是投入三千五百萬歐元對SiC設備和相關工藝的研發(fā)，并和可靠6英寸SiC晶圓供應商建立了可靠的合作關系，保證了其SiC晶圓的供應;再加上他們頂尖的研發(fā)和技術支持團隊加持，英飛凌的SiC研發(fā)進展順利，并推出了CoolSiC系列產(chǎn)品。
據(jù)介紹，不同于市場上大多采用類似平面DMOS的設計，英飛凌的SiC產(chǎn)品是采用溝槽式概念，這種設計能緩和平面溝道的極低電導率，為此能夠克服性能與魯棒性之間的兩難問題。
在今年十一月，11月13日，英飛凌(Infineon)宣布，其已收購一家名為 Siltectra 的初創(chuàng)企業(yè)，將一項創(chuàng)新技術(Cold Spilt)也收入了囊中。“冷切割”是一種高效的晶體材料加工工藝，能夠?qū)⒉牧蠐p失降到最低，這能大大提升SiC晶圓的切割效率，并能降低成本。
因為其SiC產(chǎn)品被全球的電動車明星特斯拉采用的意法半導體在這個市場的表現(xiàn)也不容忽視。在早些時候，意法半導體CEO在接受半導體行業(yè)觀察等媒體采訪也談到，該公司的碳化硅產(chǎn)品已實現(xiàn)批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場占有率高達90%;
國內(nèi)的比亞迪在日前同樣宣布了他們在SiC方面的布局。據(jù)介紹，公司已投入巨資布局第三代半導體材料SiC，并將整合材料(高純碳化硅粉)、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產(chǎn)業(yè)鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動車領域的應用。
比亞迪宣布，他們已經(jīng)成功研發(fā)了SiC MOSFET(汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等)，有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn)SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代，將整車性能在現(xiàn)有基礎上再提升10%。
其他諸如安森美、東芝、富士電機、三菱、、Littelfuse、通用電氣和GeneSiC等公司也都是SiC市場的重要玩家，他們都在摩拳擦掌，虛位以待。
晶圓完全供不應求
功率半導體繼續(xù)發(fā)展以車載應用為主要目標，實現(xiàn)了擴展IGBT、采用SiC，同時，它將在2030年成為4.5兆日元(約2,700億人民幣)的大市場。但是，最大的瓶頸問題是晶片的供不應求，尤其是SiC。
以汽車應用為例，我們知道，功率半導體對硅片的消耗量巨大，一般情況下，一片8英寸硅片僅能切割70~80顆IGBT芯片。但新能源汽車的出現(xiàn)，將這個需求推到了一個新高度。
例如在純電動車方面，一輛tesla model x汽車需要使用84顆IGBT，這樣算來，基本上一輛車就要消耗掉一片硅片?；旌蟿恿ζ嚨墓β拾雽w用量相對較少，以寶馬i3為例，單輛汽車的功率半導體硅片消耗量約為1/4片。
預計到2022年，全球電動車銷量有望突破1000萬輛，以平均每輛車消耗1/2片硅片計算，對應功率半導體硅片消耗量將達到500萬片左右。這就給相應的硅片帶來了供應緊張，而今年以來的功率器件供應問題，也是這種情況的反應之一。
而在面臨爆發(fā)的SiC的碳化硅，也同樣有晶圓問題。據(jù)了解，碳化硅晶圓，光長晶的時間，就約需要7至10天，而且生成的高度可能只有幾吋而已(硅晶棒可達1至2米以上)，再加上后續(xù)的加工制程也因為硬度的影響而相對困難，因此其產(chǎn)能十分有限，品質(zhì)也不穩(wěn)定。
據(jù)中村先生說，羅姆公司收購了SiCrystal公司，實現(xiàn)了原材料的調(diào)配，但是其他廠家現(xiàn)狀非常嚴峻。
當今，只有一半的市場需求得到了滿足。長此以往，有可能會失去市場，Cree公司的供給責任雖然比較大，但是SICCAS、SICC、CETC、CENGOL、SKC等亞洲公司和昭和電工等的增產(chǎn)體制應該會手握今后發(fā)展的“鑰匙”吧。
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