功率半導體下游應用廣泛,基本上涉及到電力系統的地方都會使用功率器件。下游應用領域主要可分為幾大部分:消費電子、新能源汽車、可再生能源發電及電網、軌道交通、白色家電、工業控制,市場規模呈現穩健增長態勢。基于不同應用場景所對應的功率和頻率,人們選擇使用相應的功率器件和基材。
在汽車終端市場需求以及與硅的價格平價的推動下,碳化硅產量正在迅速增加。
電動汽車中已使用了數千個功率半導體模塊,用于車載充電、牽引逆變和直流到直流轉換。如今,其中大部分是使用硅基 IGBT 制造的。轉向基于碳化硅的 MOSFET 使功率密度加倍,并在更小、更輕的封裝中加快了開關速度。電動汽車和充電站對高電壓和在炎熱、惡劣環境下工作的能力的要求越來越高,但由于這種寬帶隙材料的制造和封裝成本較高,碳化硅(SiC) 需要一段時間才能獲得堅實的基礎。然而,這種情況正在改變。PowerAmerica 執行董事兼首席技術官 Victor Veliadis 表示,SiC 功率模塊現在的價格與硅基模塊相當,這反過來又促進了供應合作伙伴關系和新 SiC 工廠的建設。還有很多工作要做。SiC晶圓技術需要升級。制造這些器件需要 20% 的新工藝工具和 80% 的改進工具。我們的目標是加快集成和分立功率器件的周轉速度,這就是汽車制造商轉向直接晶圓廠到模塊協作的原因。
新的晶圓工藝工具包括高溫外延生長(>1,500°C)、熱離子注入、快速熱處理(RTP)和更快的脈沖原子層沉積。用于硬而脆的 SiC 材料的晶圓研磨、CMP、拋光墊和漿料正在發生重大改進。包括剝離劑和清潔化學品在內的新材料可滿足設備和可持續性需求。從封裝端來看,帶有分立元件的高功率印刷電路板正在被集成電路和芯片級封裝(CSP)等集成封裝所取代,以實現更小、更可靠的高壓操作。這使得電動汽車能夠配備更小、更輕的電池組,這有助于增加行駛里程。雖然今天的重點是 SiC 功率以及將 Si 功率模塊擴展到混合動力和電動汽車,但未來的 SiC 模塊將在電動汽車中占據主導地位。此外,GaN 將在電動汽車、電網電力和智能能源領域找到利基市場。
SiC 和 GaN 功率的市場和技術
到 2030 年,全球將生產 3900 萬輛純電動汽車,相當于 2022 年至 2030 年復合年增長率為 22%。這反過來又推動了功率半導體市場,預計該市場將利用到 2030 年,大約 50% 的硅器件、35% 的碳化硅器件和 12% 的氮化鎵器件。在電動汽車中,牽引逆變器將電池組的直流電轉換為交流電,為驅動前軸和后軸的電機提供動力。SiC 還可以加速車載和非車載充電,將電網的電力引入電動汽車。
最重要的是,SiC 模塊構成了從 400V 電池向 800V 電池轉換的基石。當車輛充電速度更快、續航里程充足且每輛車的電池成本低于 10,000 美元時,消費者將更快地采用電動汽車。SiC 模塊正在達到與硅基電源解決方案價格相當的臨界點,同時實現更高效、更緊湊的系統。再加上目前使用的 400V 電池(包含 600V 或 650V 器件)的 800V 電池范圍的擴展,正在刺激 1,200V SiC 器件的大批量生產。然而,晶圓晶體缺陷對良率的影響、器件封裝和模塊集成的損失以及汽車制造商和電力系統制造商之間更緊密聯系等供應鏈變化仍在進行中。從實際角度來看,新的碳化硅晶圓和晶圓廠產能需要一段時間才能達到大批量。然而,這并沒有影響人們對該技術的熱情。分析師繼續上調 SiC 市場預測。Yole Group 預計,到 2027 年,功率半導體市場將達到63億美元,其中 70% 用于汽車應用。僅看 SiC 晶圓產量(從 SiC 晶圓開始),TECHCET 預測 2022 年至 2027 年復合年增長率為 14%。
功率半導體器件清洗:
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