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国产、进口等静压石墨材料

  衬底方面:普通用Lely法创设,邦际主流产物正从4英寸向6英寸过渡,且依然开拓出8英寸导电型衬底产物,邦内衬底以4英寸为主,质地相对虚亏,合键用于坐褥10A以下小电流产物,目前单晶发展怠缓且品德不敷安靖是碳化硅价值高、商场引申慢的紧要因由。

  碳化硅功率模块的封装工艺和封装资料根基沿用了硅功率模块的成熟技能,正在焊接、引线、基板、散热等方面的革新亏空,功率模块杂散参数较大,牢靠性不高。

  中车期间:器件/模块/IDM,邦内首家6英寸碳化硅坐褥线;告终碳化硅二极管和MOSFET工艺。

  碳化硅器件的电途行使开合模子尚不行悉数反响碳化硅功率器件的开合特色,尚不行对碳化硅器件的电途拓扑仿真安排供给无误的领导。

  器件方面:邦际上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET已告终量产,邦内目前MOSFET量产再有待打破,产线英寸线过渡,而且Cree已发端结构8英寸线,器件的价值走势上,目前的价值是硅器件的5-6倍,且以每年10%的速率消重,跟着上逛扩产的加剧以及行使的不停拓展,希望正在2-3年后降到硅器件的2-3倍,从而策动体例层面的价值与守旧计划持平或更低,正在制程上,大一面派置与守旧硅坐褥线相仿,但因为碳化硅具有硬度上等特色,必要少许独特的坐褥配置,如高温离子注入机、碳膜溅射仪、量产型高温退火炉等,此中是否具备高温离子注入机是权衡碳化硅坐褥线的一个紧要法式。

  大尺寸碳化硅单晶衬底制备技能仍不可熟。目前邦际上碳化硅芯片的创设依然从4英寸换代到6英寸,并依然开拓出了8英寸碳化硅单晶样品,与优秀的硅功率半导体器件比拟,单晶衬底尺寸照旧偏小、缺陷秤谌照旧偏高。

  正在商场方式上,目前Infineon是环球SiC器件范畴发售额排名第一的企业,商场份额近40%,Cree、Rohm、ST差别排名二、三、四位,商场份额差别为23%、16%、10%,邦产替换空间大。

  近年来,我邦碳化硅单晶资料范畴获得了长足提高,但与邦际秤谌比拟仍存正在必然的差异。除了以上共性题目以外,我邦碳化硅单晶资料范畴正在以下两个方面存正在庞大的危险:

  除了以上共性题目外,我邦碳化硅功率器件范畴进展还存正在研发功夫短,技能贮藏亏空,举行碳化硅功率器件研发的科研单元较少,研发团队的技能秤谌跟外洋再有必然的差异等题目,稀奇是正在以下三个方面差异庞大:

  碳化硅功率器件行使的电途拓扑尚不敷优化。目前碳化硅功率器件的行使电途拓扑根基上沿用硅器件的电途拓扑,没有开拓出十足阐扬碳化硅功率器件上风的新型电途拓扑构造。

  N型碳化硅外延发展技能有待进一步降低。目前外延资料发展流程中气流和温度把持等技能仍不完满,正在6英寸碳化硅单晶衬底上发展高平均性的外延资料技能仍有必然挑衅,必然水准影响了中低压碳化硅芯片良率的降低。

  即使碳化硅功率器件行使前景开朗,不过目前受限于价值过上等成分,迄今为止,商场范围并不大,行使范畴并不广,合键集结于光伏、电源等范畴。目前碳化硅器件行使存正在的合键题目有:

  据IMS Research陈说显示,碳化硅功率器件2017年商场份额正在3亿美元安排,2元彩票合键集结正在光伏逆变器与电源范畴。虽只占到功率器件商场的1.5%的范围,但近几年的年复合伸长率仍旧正在30%以上。

  碳化硅功率高温封装技能进展滞后。目前碳化硅器件高温、高功率密度封装的工艺及资料尚不十足成熟。为了阐扬碳化硅功率器件的高温上风,必需进一步研发优秀烧结资料和工艺,正在高温、高牢靠封装资料及互连技能等方面告终具体打破。

  眼前碳化硅功率模块合键有引线键合型安宁面封装型两种。为了充塞阐扬碳化硅功率器件的高温、高频上风,必需不停低重功率模块的寄生电感、低重互连层热阻,并降低芯片正在高温下的安靖运转才具。目前碳化硅功率模块存正在的合键题目有:

  缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技能。碳化硅单晶衬底资料线切割工艺存正在资料损耗大、效能低等舛讹,必需进一步开拓大尺寸碳化硅晶体的切割工艺,降低加工效能。衬底外观加工质地的黑白直接决策了外延资料的外观缺陷密度,而大尺寸碳化硅衬底的研磨和扔光工艺仍不行满意恳求,必要进一步开拓研磨、扔光工艺参数,低重晶圆外观粗劣度。

  即使环球碳化硅器件商场依然初具范围,不过碳化硅功率器件范畴照旧存正在少许诸众共性题目亟待打破,例如碳化硅单晶和外延资料价值居高不下、资料缺陷题目仍未十足处分、碳化硅器件创设工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不可熟、器件封装不行满意高频高温行使需求等,环球碳化硅技能和财产间隔成熟尚有必然的差异,正在必然水准上限制了碳化硅器件商场增加的措施。

  第一代半导体资料:锗、硅等单晶半导体资料,硅具有1.1eV的禁带宽度以及氧化后很是安靖的特色。

  资料本钱过高。目前碳化硅芯片的工艺不如硅成熟,合键为4英寸晶圆,资料的操纵率不高,而Si芯片的晶圆早依然进展到12寸。完全而言,相仿规格的产物,碳化硅器件的具体价值抵达硅器件的5-6倍。

  是本土碳化硅单晶企业无法为邦内依然/即将投产的6英寸芯片工艺线英寸单晶衬底资料。

  P型衬底技能的研发较为滞后。目前贸易化的碳化硅产物是单极型器件。改日高压双极型器件必要P型衬底。目前碳化硅P型单晶衬底缺陷较高、电阻率较高,其根源科知识题尚未取得打破,技能开拓滞后。

  第三代半导体资料:以碳化硅、氮化镓为代外的宽禁带半导体资料,有更高饱和漂移速率和更高的临界击穿电压等出色便宜,适合大功率、高温、高频、抗辐照行使场所。

  第二代半导体资料:砷化镓、锑化铟等化合物半导体资料,砷化镓具有1.4电子伏特的禁带宽度以及比硅高五倍的电子转移率。

  封装技能滞后。目前碳化硅模块所行使的封状技能照样沿用硅模块的安排,其牢靠性和寿命均无法满意其职业温度的恳求。

  目前碳化硅功率器件合键定位于功率正在1kw-500kw之间、职业频率正在10KHz-100MHz之间的场景,稀奇是少许对付能量效能和空间尺寸恳求较高的行使,如电动汽车车载充电机与电驱体例、充电桩、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等范畴,可庖代一面硅基MOSFET与IGBT。

  第三代半导体,因为正在物理构造上具有能级禁带宽的特性,又称为宽禁带半导体,合键是以氮化镓和碳化硅为代外,其正在半导体机能特点上与第一代的硅、第二代的砷化镓有所区别,使得其可以具备高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移速度等上风,从而可以开拓出更符合高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等卑劣条目的小型化功率半导体器件,可有用打破守旧硅基功率半导体器件及其资料的物理极限。

  高温损耗过大。碳化硅器件固然能正在高温下运转,但其正在高温条目下形成的高功率损耗很大水准上限度了其行使,这是与器件开拓之初的宗旨相违背的。

  具体来看,碳化硅的耐高压才具是硅的10倍、耐高温才具是硅的2倍、高频才具是硅的2倍,与硅基模块比拟,碳化硅二极管及开合管构成的模块(全碳模块),不光具有碳化硅资料本征特色上风,还可能缩小模块体积50%以上、消减电子转换损耗80%以上,从而低重归纳本钱。

  碳化硅单晶及外延技能还不敷完满,高质地的厚外延技能不可熟,这使得创设高压碳化硅器件很是难题,而外延层的缺陷密度又限制了碳化硅功率器件向大容量目标进展。

  碳化硅功率半导体器件从上个世纪70年代发端研发,经历30年的堆集,于2001年发端商用碳化硅SBD器件,之后于2010年发端商用碳化硅MOSFET器件,眼前碳化硅IGBT器件还正在研发当中。

  所以碳化硅MOSFET庖代硅基IGBT是电驱体例进展的势必趋向,估计该商场将正在来岁碳化硅MOSFET成熟牢靠后悉数启动。目前,特斯拉Model 3的电驱体例已采用了ST所供给的的碳化硅器件,丰田也将于2020年正式推出搭载碳化硅器件的电动汽车。

  外延方面:普通用PECVD法创设,目前邦内一面公司已能供给4、6英寸碳化硅外延片,品德尚可,针对1700V及以下的器件用的外延片已较量成熟,但对付高质地厚外延的量产技能合键照样外洋的Cree、昭和等少数企业具备。

  采用众芯片并联的碳化硅功率模块,因为结电容小、开合速率高,所以正在开合流程中会显现极高的电流上升率(di/dt)和电压上升率(dv/dt),正在这种环境下会形成较告急的电磁搅扰和卓殊损耗,无法阐扬碳化硅器件的优异机能。

  电动汽车的电驱体例,合键指功率把持单位PCU,约束电池中的电能与电机之间的流向、转达速率。守旧PCU行使硅基半导体系成,强电流与高压电穿过硅基功率器件时的电能损耗是电动力车最合键的电能损耗源泉,而行使碳化硅SBD和MOSFET可低重10%的总能量损耗,同时可低重PCU 80%的体积,使得车辆更为紧凑灵便。

  固然邦际上碳化硅器件技能和财产化秤谌进展神速,发端了小范畴替换硅基二极管和IGBT的商场化经过,不过碳化硅功率器件的商场上风尚未十足变成,尚不行撼动目前硅功率半导体器件商场上的主体位置。邦际碳化硅器件范畴存正在的题目合键有:

  因为碳化硅分修功率器件的机能与资料、构造安排、创设工艺之间的相干性较强,同时为了巩固本钱的把持与工艺品控的校正,不少企业仍抉择采用IDM形式,如Cree和Rohm乃至笼盖了碳化硅衬底、外延片、器件安排与创设全财产链枢纽,此中Cree霸占衬底商场约40%份额、器件商场约25%份额,而且Infineon、Cree、Rohm、ST四家合计占领环球器件商场近90%的份额,均为IDM形式。

  正在SiC MOSFET器件方面的研发发展怠缓,惟有少数单元具备独立的研发才具,存正在必然水准上依赖邦际代工企业来创设芯片的弊病,容易受制于人,财产化秤谌谢绝乐观。

  瀚天天成:外延片,变成3英寸、4英寸以及6英寸的完备碳化硅半导体外延晶片坐褥线。

  近年来我邦碳化硅外延资料技能得回了长足发展,申请了一系列的专利,正正在缩小与其它邦度的差异,依然发端批量采用本土4英寸单晶衬底资料,产物依然打入邦际商场。

  碳化硅功率器件的珍惜技能尚不完整。碳化硅功率器件具有开合频率疾、短途功夫短等特性,目前器件珍惜技能尚不行满意需求。

  天科合达:单晶衬底,邦内首家创立告竣碳化硅坐褥线、告终碳化硅晶体财产化的公司,量产2-4英寸晶片。

  P型碳化硅外延技能仍不可熟。高压碳化硅功率器件是双极型器件,对P型重掺杂外延资料提出了恳求,目前尚无满意需求的低缺陷、重掺杂的P型碳化硅外延资料。

  泰科天润:器件/模块/IDM,修成邦内第一条完备的4~6寸碳化硅器件量产线,可正在碳化硅外延上告终半导体功率器件的创设工艺。

  正在碳化硅功率器件测试方面,碳化硅器件测试配置、测试措施和测试法式根基沿用硅器件的测试措施,导致碳化硅器件动态特色、平安职业区等测试结果不敷无误,缺乏同一的测试评判法式。

  碳化硅器件工艺技能秤谌还较量低,这是限制碳化硅功率器件进展和引申告终的技能瓶颈,稀奇是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺、深槽刻蚀工艺和高质地氧化层发展工艺尚不睬思,使得碳化硅功率器件中存正在差异水准的高温和历久职业条目下牢靠性低的缺陷。

  目前邦内碳化硅外延资料产物以4英寸为主,因为受单晶衬底资料的限度,尚无法批量供货6英寸产物。

  碳化硅功率器件全面坐褥流程大致如下图所示,合键会分为碳化硅单晶坐褥、外延层坐褥、器件创设三大举措,差别对应财产链的衬底、外延、器件和模组三大枢纽。

  正在碳化硅功率器件的牢靠性验证方面,其试验法式和评判措施根基沿用硅器件,尚未有特意针对碳化硅功率器件特性的牢靠性试验法式和评判措施,导致试验环境与现实行使的牢靠性有差异。

  碳化硅芯片合键的工艺配置根基上被外洋公司所垄断,稀奇是高温离子注入配置、超高温退火配置和高质地氧化层发展配置等,邦内大范围创立碳化硅工艺线所采用的症结配置根基必要进口。

  河北同光:单晶衬底,4英寸及六英寸导电性、半绝缘碳化硅衬底;此中4英寸衬底已达宇宙优秀秤谌。

  世纪金光:器件/模块/IDM,集半导体单晶资料、外延、器件、模块的研发、安排、坐褥与发售于一体,畅通了第三代半导体全财产链。

  眼前电动汽车的车载充电机商场已逐渐采用碳化硅SDB,产物集结正在1200V/10A、20A,每台车载充电机必要4-8颗碳化硅SBD,环球已有超20余家汽车厂商发端采用。

  第三代半导体资料可能满意今世社会对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新恳求,且其具有体积小、污染少、运转损耗低等经济和环保效益,所以第三代半导体资料正逐渐成为进展的重心。眼前主流的第三代半导体资料为碳化硅与氮化硅,前者众用于高压场所如智能电网、轨道交通;后者则正在高频范畴有更大的行使(5G等)。

  具体而言,第三代半导体技能尚处于进展状况,再有很众亏空之处。以眼前操纵水准最高的碳化硅为例,其技能上尚有几个缺陷:

  碳化硅功率器件的驱动技能尚不可熟。为了充塞阐扬碳化硅功率器件的高频、高温特色,恳求其驱动芯片具有职业温度高、驱动电流大和牢靠性高的特性。目先驱动芯片沿用硅器件的驱动技能,尚不行满意恳求。

  中电2/13/55所:器件/模块/IDM,量产高纯碳化硅资料、高纯半绝缘晶片;告终4-6寸碳化硅外延片、芯片安排创设、模块封装的完备财产链。

  同时,正在产物构造也合键是以二极管为主,占到80%以上的份额,而改日跟着电动汽车行为主驱动力以及MOSFET器件的上量,希望正在改日8年超20亿美元。