ROHM（羅姆）眼中——SiC功率器件的技術市場走勢

摘要：探討了SiC的技術特點及其市場與應用。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269814.htm

關鍵詞：ROHM； SiC；功率器件；SBD； MOSFET； ICJBT

DOI：10.3969/j.issn.1 005-5517.2015.2.007

近期，全球知名半導體制造商ROHM在清華大學內舉辦7以“SiC功率元器件技術動向和ROHM的SiC功率元器件產品”為主題的交流學習會。此次交流學習會上，ROHM在對比各種功率器件的基礎上，對SiC元器件的市場采用情況和發展趨勢做了分析，并對ROHM的SiC產品陣容、開發以及市場情況做7詳盡的介紹。

各種功率器件的比較

功率元器件主要用于轉換電源，包括四大類：逆變器、轉換器（整流器）、直流斬波器DC/DC轉換器、矩陣轉換器（如圖1）。

功率器件中最主要的指標之一是損耗，包括導通損耗（Econd）和開關損耗（Eon+Eoff）。理想地，人們希望損耗為零，但是不可能百分之百沒有。

硅（Si）產品歷經三十年左右的發展，出現了一個技術瓶頸，就是高溫、高壓、高頻時損耗較大，需要尋找更好的器件來替代。2003年，美國Cree公司率先推出SiC產品，但當時市場上并沒有很大的反響。2010年以后，業界開始對SiC產品真正關心，一些廠家推出了相關產品。

Si產品和SiC的區別如圖2所示。可見，在高頻時，Si-MOSFET和SiC-MOSFET性能較好，主要源于MOSFET構造上的優勢。而IGBT中間的B代表Bip olar（雙極），T是Transistor（三極管），即雙極性三極管，可見IGBT是三極管結構，因此Si—IGBT的高頻特性會差些。

從圖2還可看出，SiC可以做到更高壓。

總之，SiC產品可以做到更高頻和更高壓。

圖2中還有新材料 氮化鎵（GaN）。GaN最大優勢是高頻特性，比Si、SiC更好；但是GaN同樣也有一個短板，就是做不了太高壓。

圖3所示為各種功率器件的應用領域。功率器件用得最多的地方是開關電源，開關電壓較高的是600V，1200V已經是極限了。接下來的一個重要市場是車載，例如新能源汽車（EV/HEV）。此外，還有各種工業設備。

SiC的應用市場

ROHM表示，今后SiC市場最大的突破會是在工業設備和鐵路。尤其鐵路是一個很大的應用市場，因為鐵路真正地需要這種高頻、高壓的產品。但是為何現在鐵路上用得很少？最主要還是目前SiC產品的電壓還不夠高，鐵路更多地需要3300V，SiC器件現在最高只能做到1700V。

另外，太陽能和風能也需要高電壓產品。所以，太陽能和風能也是今后的大市場。

SiC元件器的特點

如圖4的左圖，從耐壓角度來看，Si-SBD（肖特基勢壘二極管）一般耐壓10～200V， 200V以上一般是用PND（整流管）、FRD（快恢復二極管）來做。但是SiC-SBD從理論上大約可以做到4000V左右，雖然現在市場上最大還只有1700V。

圖4右圖顯示了開關元器件方面的Si MOSFET，可見900V以上的產品Rds（on）（導通電阻）指標較差。SiIGBT比Si MOSFET情況好一點，但SiIGBT的開關速度不理想。因此，SiC是較為理想的材料。

SiC市場潛J大

相比Si產品，SiC市場目前的規模還不到Si的10%，SiC材料這么好，但為什么現在市場上規模并不是很大？ROHM半導體（深圳）有限公司分立元器件部高級經理水原德健指出，最大的局限性是價格較高。為了降低成本，需要幾個方面的改進。第一是在開發上，盡量把晶圓做得更大，因為晶圓越大，每個晶圓上可以取得的die/chip（籽片/芯片）也就越多，浪費的地方也會越少。第二是提高工廠的生產效率，SiC的生產時間很長，因為SiC是Si加上C，生產時間大約是普通Si的6倍。第三，希望市場上的用量加大，用量越大，單價才會降下來。

據市場調查公司Yole developmet統計，SiC全球市場大約是9000萬美元。但其發展速度可觀，從2013年到2020年間，SiC年均增長率約為39%，2020年會達到7.7億美元的規模。

SiC之所以前景亮麗，是基于以下市場驅動的。

SiC的第一大應用是太陽能的PV（光伏）逆變器，主要采用SiC -SBD（肖特基勢壘二極管），今后會有SiC MOSFET，其最大好處是提高電源的變換效率。

接下來是新能源汽車（EV/HEV）。因為充一次電可以跑更長里程是新能源汽車的一個重要賣點，所以可能用到SiC-SBD、SiC-MOSFET和SIC模塊。

開關電源。首先是服務器，接下來會有空調，當然是高端中的高端空調，因為SiC價格較高，但效率會更高，如果長期開空調，節電可觀。

接下來是重型電機、工業設備，主要是用在高頻電源的轉換器上，可以帶來高效率、大功率、高頻率的優勢。

ROHM的SiC生產和采用情況

ROHM是世界重要的SiC供應商，從2010年就開始生產SiC了。目前，其SiC產品最大的市場是汽車業，并且目前在日本，家用EV車數量尤其多，因此ROHM具有地緣優勢。另外，ROHM的SiC在太陽能以及DC/DC轉換器上也有很大應用。SiC用于DC/DC產品的最大的優勢是SiC耐高溫、高頻和高壓，因為SiC高頻特性很好，可以使周邊器件變得更小。例如，通常DC/DC轉換器周邊有兩個較大體積的元件——線圈和電容，頻率提高以后，可以把二者減小，并使整個產品的布局改善，例如原來DC/DC是橫著放在下面，現在可以立起來，使占位面積更小。因此在中國，有望用于空調、電機等方面。

ROHM的特點是一條龍生產。SiC也概莫能外。為了實現SiC生產的一條龍，2008年，ROHM收購了德國SiCrystal。這樣，即可以自己生產碳化硅柱、晶圓，并做出各種器件、模塊。“現在全球只有ROHM一家能實現SiC產品的一條龍生產（從碳化硅柱到模組）。”ROHM半導體（深圳）有限公司分立元器件部高級經理水原德健稱。

ROHM現在大量生產的是4英寸晶圓。6英寸雖然開發出來了，但還需要做可靠性和生產上的調試。預計需要2年時間實現從4英寸向6英寸的切換。

目前，ROHM產品線有三大類：SiC-SBD，SiC-MOSFET和SiC模塊。

ROHM的SiC-SBD現在主要是650V和1200V為主，從5～40A，ROHM有各種各樣的封裝，包括貼片。并提供裸片，650V、1200V、1700V，供客戶去做模塊。

在SiC-MOSFET方面，與其他公司的不同之處是，ROHM是世界上首次把SiC-SBD與SiC-MOS同封裝化，以此大幅降低變頻器的功率損耗（圖1左圖）的公司。而一般公司只有一個器件——MOSFET。之所以這樣做，因為MOSFET會出現一個體二極管，該體二極管有個很大的問題，逆向時開關速度慢一些，因此，ROHM就外接一個SBD（肖特基勢壘二極管），以實現超高效。

ROHM的SiC模塊主要是半橋結構，有1200V/120A，1200/180A和1200V/300A三種，其開關損耗只有普通IGJBT模塊的77%。

ROHM從2010年4月開始生產SIC-SBD，是日本第一、全球第三家（前二分別是Cree和英飛凌）量產SiC的公司。2010年12月，ROHM于世界上首次量產SiC-DMOS。2012年3月，ROHM又世界首次量產Full SiC模塊。

ROHM目前推出的是第二代SiC產品，SiC-SBD肖特基是以P溝道來做；MOS主要采用刨床工藝、DMOS構造。2015年左右該公司會推出第三代，有JBS SBD（結型勢壘肖特基一肖特基勢壘二極管）；MOSFET采用溝槽結構，Ron將低至3.8mΩc㎡。

EDI CON新增5G前沿通信技術論壇

Horizon House出版社與《微波雜志》 （ Microwave Journal China）宣布，在今年4月14日～16日舉辦的EDI CON 2015將在會議日程上增加5G前沿通信技術論壇。5G論壇將在4月15日全天在國家會議中心（CNCC）舉辦。5G論壇將在中國移動發表對5G技術的演講中開啟，隨后即是包括來自中國移動、是德（Keysight）科技、羅德與施瓦茨（RS）、美國國家儀器（NI）等各大公司專家的技術論壇。系列講座將涵蓋如大規模MIMO、HetNets、陣列收發器、定時與同步、測試挑戰、新的調制方案以及毫米波技術等。

5G研發正在啟動，預計2020年將在標準推出后實施。5G被寄予希望比今天的4G有革命性的飛躍，所以很多公司和研究機構都在積極參與測試以及原型系統設計來評估這項新的技術。Horizon House總裁Ivar Bazzy表示：“EDI CON China增加的5G論壇將提升我們的會議，同會議涵蓋的許多微波技術以及測試技術一起將推動未來5G的發展。”EDICON China是來自全球各地的RF/微波與高速數字設計行業專家交流思想、學習新技術、強調實際工程的盛會。