SiC功率器件為什么如此受關注？

單祥茹

目前，半導體功率元器件主要以三種材料為基礎，分別是硅、碳化硅（SiC）以及氮化鎵（GaN）。當這些元器件用于電力電子設備等高功率系統時，硅材料存在著如下局限性：一是熱導率有限，二是在某些應用中切換頻率困難，三是低帶隙能量，四是更高的功率損耗。與普通的硅材料相比，碳化硅（SiC）的優勢非常突出，它不僅克服了普通硅材料的某些缺點，在功耗上也有非常好的表現，因而成為電力電子領域目前最具前景的半導體材料。正因為如此，已經有越來越多的半導體企業開始進入SiC市場，羅姆半導體（ROHM）、恩智浦半導體（NXP）、三菱電氣、英飛凌、Cree就是氮化鎵和SiC功率半導體市場最具代表性的企業，尤其是羅姆半導體在最近幾年的市場表現尤其引入關注。據羅姆半導體（北京）有限公司技術中心所長水原德健先生介紹，羅姆半導體連續多年均以較大資金投入到SiC產品的研發和制造上面，現在是業內唯一既有自己的晶圓廠又有最終產品的SiC器件提供商，同時還是日本國內第一家量產SiC肖特基產品的企業。

SiC功率器件有哪些優點？

SiC功率器件帶來的優勢主要體現在以下幾個方面。一是耐高壓。由SiC材料制成的功率器件能夠承受比普通硅材料高10倍的電壓。這一優點對系統的復雜性和成本均產生較大影響。因為SiC可以承受更高的電壓，所以建立在SiC功率器件上的系統就會需要更少的串聯開關，與之相對應的則是更簡單、更可靠的系統布局，以及由于組件數量減少而降低的制造商成本。

按照水原德健先生給出的例子，一個5000W左右的DC/DC系統，如果采用基于硅材料的IGBT功率器件，它的重量將達到7公斤左右，體積約8升。如果用SiC功率器件來置換，系統的重量可以降到原來的1/8左右。為什么可以做到這么小？一是SiC芯片的尺寸更小一些，相應地功耗也會降低，使用的散熱板也變小。二是SiC器件的工作頻率更高，帶動了整個周邊的器件都可以做的很小，比如變壓器、線圈等。

二是耐高溫。由硅材料制成的功率器件其額定工作溫度通常不超過150℃，因此IGBT的導熱系數不是太好。相比之下，SiC器件在2001C或更高的溫度下仍可以保持功能性和完整性。應注意的是，大多數商用級SiC功率器件通常給出175℃的推薦溫度額定值。

三是更小尺寸。SiC的物理特性使得器件的導通電阻可以做得更低，效率有了較大提高，尺寸因此可以做得更小，在高頻應用中這一優勢尤其明顯。因為SiC器件的這一特性，系統設計者就可以使用越來越小的電容器和存儲電感，從而降低了電氣系統的總成本，整個模塊的尺寸也會做得更小。

SiC器件在哪些行業中最有用？

在功率轉換過程中，效率是行業確保更好績效的關鍵因素。實現所需效率的局限性往往導致更高成本，以SiC和GaN為代表的新一代功率半導體材料為這一市場提供了巨大的增長機會。這些寬頻帶隙（WBG）器件使小型封裝緊湊的高功率密度電子器件成為可能。

圖3為羅姆公司提供的不同功率器件更適合的應用場景。從中可以看出，低頻、高壓的情況下用硅IGBT是最好的選擇。頻率稍高但電壓不太高，且功率也不是很高的情況下，用硅MOSFET更合適。既是高頻又是高壓的情況下，SiC MOSFET則是最好選擇。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下可以選用GaN器件。

有一點是肯定的，IGBT模塊應用的興起是GaN和SiC功率半導體市場發展的重要驅動力，現在，這些新一代的功率器件逐漸應用于鐵路牽引和推進等領域。地鐵、電力和柴油電力機車、有軌電車和高速列車越來越多地采用IGBT模塊。SiC因提供更高效率和更低損耗的能力使其在高功率應用領域脫穎而出。其中，由功率因數校正（PFC）和光伏（PV）應用中使用的二極管驅動的SiC市場是一個不可忽視的重要因素。不過，水原德健先生認為，主要的SiC市場驅動力仍將是晶體管。由于近幾年來幾乎所有的汽車制造商都有在主逆變器中實施SiC的項目，因此，著名的市場咨詢機構YoleDevelopment預計，一些業界先驅在2017-2023年期間采用SiC主逆變器的復合年增長率將達到108%，中國汽車制造商采用SiC器件的意愿尤其強烈。

現在，汽車市場越來越成為SiC功率半導體需求和創新的“零地帶”。2016年至2017V-，SiC電力設備市場從2.48億美元躍升至3.02億美元。特斯拉、豐田和其他在電動汽車（EV）創新方面處于領先地位的公司，有力地帶動了SiC功率半導體的市場需求。根據Yole Development報告，2017年，SiC功率半導體市場以29%的復合年增長率（CAGR）增長，至2023年，市場有望達到14億美元。目前，帶車載充電單元和牽引逆變器的電動和無人駕駛車輛是SiC的主要應用領域。

除此之外，太陽能逆變器、風力發電機等電力系統也將為SiC器件的應用提供用武之地。普通硅在歷史上一直是5V或以下功率需求的首選材料，在高達IOOOV的電壓范圍內GaN完全滿足設計要求。如果必須能夠承受1000V或更高的電壓，SiC無疑是目前系統設計的首選。

盡管在電機中使用SiC可以降低80%的功率損失，但成本是將SiC引入到更廣泛的電氣和電力產品中的主要障礙，目前SiC的成本大約是普通硅IGBT的5倍。

據水原德健先生介紹，SiC在市場上應用最多的領域主要有光伏、數據中心的服務器、EV車等，日本的部分家電企業也開始使用SiC。接下來，各種充電站、電源的應用也會逐漸多起來，因為現在的碳化硅主要以1700V和1200V產品為主，這一范圍非常適合車載應用。風能市場很大，但因為風能需要3300V電壓，隨著SiC器件的電壓被做得越來越高，這一市場也會不斷擴大。羅姆公司保守預估，到2025年SiC市場規模將達到23億美元。

鑒于巨大的市場需求和潛力，羅姆公司在SiC技術的開發上投入了巨大資金。到2025年，累計投資額將達到850億日元。根據計劃，2021年羅姆公司的SiC生產能力將達到2017年的6倍，2025年時將翻到16倍。水原德健先生表示，羅姆公司還將同步提供與SiC器件配套的柵極驅動器，其產能也會隨之提高。

羅姆半導體SiC產品發展路線圖

2000年，羅姆公司通過產學合作開始了SiC產品的研發。2009年，收購了德國的SiCrystal公司，該公司主要從事碳化硅柱、碳化硅襯底的研發制造。2010年，羅姆率先在日本國內實現了SiC肖特基的量產，此時羅姆的SiC肖特基產量位居全球第四位。2010年底，羅姆成為全球第一家實現SiC MOS量產的企業。兩年后，羅姆又領先業界實現了SiC模塊的量產。2015年，羅姆再次以全球第一的身份實現了溝槽型SiC MOS的量產。水原德健先生表示，現在，羅姆的SiC晶圓可以做到六英寸，從碳化硅柱、切片、晶圓，直至最終的成品，羅姆采取了一條龍做法，全部由自己獨立完成。

羅姆的SiC產品主要有三大類，即SiC肖特基、SiC MOS、SiC模塊，其中SiC肖特基以第二代的650V和第三代的1200V產品為主。SiC MOS的生產同樣以第二代和第三代為主，電壓覆蓋650V、1200V、1700V，導通電阻最小可以做到17毫歐，最大約1000毫歐。羅姆的SiC模塊主要采用半橋模式，封裝是市場上常用的c型、E型和G型，電壓在1200V～1700V之間。

根據水原德健先生的介紹，羅姆SiC產品將按照圖4的路線圖來發展。SiC肖特基的目標是把晶圓做得越來越大，已從原來的4英寸轉化為現在的6英寸，并向8英寸方向發展。因是車規品，封裝的多元化也是必須考慮的因素。SiCMOS的發展路徑，不僅要把晶圓做大，器件的電流、電壓也要不斷提高，羅姆公司現在主要提供TO-2473Pin封裝，接下來將推出TO-2474Pin產品，更便于在工控產品上使用。

電動方程式大賽Formula E是SiC成功應用的最佳案例。羅姆在2016年第三賽季開始與Formula E文圖瑞車隊進行官方技術合作。文圖瑞賽車的逆變器在第二賽季時延用的是傳統IGBT模塊。在第三賽季，羅姆參與進來，率先采用了IGBT+SiC肖特基方案。第四賽季時，則換成羅姆的全SiC模塊，即SiC MOS+SiC肖特基。相比第二賽季，第三賽季逆變器的重量減輕了2Kg，尺寸縮減19%。在第四賽季搭載全SiC后，逆變器的重量減輕了約6 Kg，尺寸更是減少了43%，但功率卻變得更大，達到220kW o對賽車來說，SiC器件帶來的最大好處是重量減輕，動力更強勁，賽車的行駛距離更長一些。

SiC的應用雖然沒有全面鋪開，但市場競爭已經日漸激烈。首先是各企業在技術上的競爭，其次是在原材料上的競爭。現在，SiC器件未能獲得大規模商用，較高的產品價格是主要因素。價格高的原因有兩個，一個是襯底，一個是晶圓尺寸。隨著晶圓尺寸越做越大，成本也會相應地下降。這個時候，對原材料的把控就會成為企業競爭力的重要一環。

CEVA和Immervision結成戰略合作伙伴攜手發展先進圖像增強技術

CEVA宣布與加拿大蒙特利爾的私有企業Immervision， Inc.達成戰略合作協議。作為廣角鏡頭和圖像處理技術的開發商和許可公司，Immervision的專利圖像增強算法和軟件技術可以顯著改善圖像質量，消除使用廣角相機引致的扭曲，特別是在圖幀的邊緣。迄今為止，Immervision技術已經通過包括宏碁、大華、Garmin、韓華、聯想、摩托羅拉、廣達、索尼和Vivotek的廣泛客戶群出貨超過5，000萬臺設備。

根據合作協議，CEVA進行1，000萬美元技術投資，以獲得hnmervision先進的專利廣角圖像處理技術和軟件的獨家許可權，其中包括實時自適應去扭曲、拼接、圖像顏色和對比度增強，以及電子圖像穩定技術。CEVA還將獲得Immervision的Data-in-Picture專有技術授權許可，該技術可在每個視頻幀數據內融合綜合傳感數據，例如由CEVA最近收購的Hillcrest Labs公司的技術所提供的綜合傳感數據，這為每個視頻幀添加關聯信息，從而在AI應用中實現更好的圖像質量、視頻穩定性和精確的機器視覺。兩家企業還將合作授權完整的端到端解決方案，包括Immervision的專利廣角Panomorph光學鏡頭設計和補充圖像增強軟件。

Immervision將繼續為包含GPU的所有系統級芯片平臺提供硬件無關型軟件產品，并且提供用于包含CEVA-XM4或CE VA-XM6智能視覺DSP之Soc的功耗優化型軟件產品。結合Immervision軟件產品，CEVA還提供廣泛的其他計算機視覺和AI軟件技術，比如神經網絡圖形編譯器cEVA深度神經網絡（CDNN）、CEVA-SLAM軟件開發套件和CE VA-C V優化計算機視覺軟件庫。

CEVA首席執行官Gideon Wertheizer評論道：“我們與Immervision達成重要的戰略合作伙伴關系和技術投資，這為CEVA提供了面向快速增長的廣角相機市場的顯著優勢，特別是在智能手機、監控、ADAS和機器人領域。通過結合Immervisi皿的圖像技術和CEVA的視覺及人工智能軟件技術，我們正在大幅降低半導體供應商和OEM客戶進入這個利潤豐厚但較為復雜的技術領域的門檻。Immervision發明的Panomorph鏡頭技術提供了優于傳統廣角相機魚眼鏡頭的出色圖像質量，該公司是CEVA在智能傳感領域擴展產品和權益金收益潛力的卓越合作伙伴。”