传统的硅难以克服高频能量损耗,“碳化硅”将是5G时代的关键半导体材料

全球进入5G时代!5G产品传输高频信息,要面对高功率、高热等挑战,为了提升系统效率,碳化硅(SiC)开始成为半导体产业的新宠儿。

除了5G,电动汽车也是SiC最具前景的应用。目前全球的SiC产业概况如何?

进入5G时代,5G产品大多具备高功率、高压、高温等特性,传统的硅(Si)原料因无法克服在高压、高频中的损耗,所以已无法满足新时代的科技需求,这使得碳化硅(SiC)开始崭露头角。

而利用SiC制作出的电子零部件,相对于Si的优势主要来自三个方面:降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

根据Yole Développement报告指出,到2024年,SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,2018年至2024年期间的年复合增长约30%。其中,汽车市场无疑是最重要的驱动因素,其占SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。

SiC的最大应用市场:车用电子

由于SiC能够提供较高的电流密度,常被用来制作功率半导体的零部件。根据Yole指出,SiC最大的应用市场来自汽车,与传统解决方案相比,利用SiC的解决方案可使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密。

目前SiC零部件在新能源车上应用主要是功率控制单元(PCU)、逆变器,及车载充电器等方面。

功率控制单元:此为车电系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU使用硅原料制成,而强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。至于使用SiC原料则可大幅降低这过程中的电能损耗,约10%。

逆变器:SiC用在车用逆变器上,能够大幅度降低逆变器尺寸及重量,做到轻量化与节能。在相同功率等级下,全SiC模块的封装尺寸明显小于Si模块,约43%,同时也可以使开关损耗降低75%。

特斯拉Model 3就是采用ST与Infineon生产的SiC逆变器,是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车厂。

车载充电器:SiC零部件正在加速渗透至车载充电器领域。根据Yole统计,截至2018年有超过20家车厂在自家车载充电器中采用SiC SBD或SiC MOSFET零部件,且这一市场在2023年之前有望保持44%的增长。

SiC产业概况:美国市场占有最大,欧洲拥有完整产业链

全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三强鼎立态势。其中又以美国独大,占全球SiC产值约70%至80%。其中主要的企业有Cree、Transphorm、II-VI、Dow Corning。

欧洲方面则是拥有完整的SiC产业链,包含基底、磊晶、零部件及应用产业链。主要企业则有:Siltronic、ST、IQE、Infineon等。

日本则是SiC设备和模块开发方面的领导者。主要企业则有:松下、罗姆半导体、住友电气、三菱化工、瑞萨、富士电机等。

中国虽有涉入,但发展仍在初期,规模远不如上述三个国家的企期。中国厂目前在基底、磊晶和零部件方面均有布局。主要企业有:中电科、天科合达、泰科天润、山东天岳、东莞天域、深圳基本半导体、上海瞻芯电子、三安集成等。