國產(chǎn)碳化硅PIM模塊實現(xiàn)對硅基替代，SiC芯片供不應(yīng)求將成為常態(tài)
最近，江西萬年芯微電子有限公司推出了首款基于SiC MOSFET技術(shù)的PIM模塊，實現(xiàn)了對硅基IGBT芯片的模塊替代，在系統(tǒng)損耗方面降低了三分之一。
與此同時，這款產(chǎn)品在技術(shù)上突破傳統(tǒng)PIM模塊灌封封裝模式，模塊體積減少約57％，而且使用了萬年芯自主研發(fā)的10項工藝創(chuàng)新，模塊可靠性得到大幅提升，非常適用于新能源汽車、充電樁、儲能等新興領(lǐng)域。
萬年芯首推SiC PIM 損耗減少三分之二
所謂功率集成模塊（PIM）是一個行業(yè)標準外殼，內(nèi)部通常會將功率器件（IGBT、SiC MOSFET）、二極管、檢測電阻等其它元器件集成在一起，這種單個封裝可大幅減少生產(chǎn)裝配時間和器件數(shù)量，能夠降低系統(tǒng)成本和尺寸。由于PIM模塊還能夠優(yōu)化內(nèi)部布線，減少寄生噪音，同時具有完全的自保護電路，為此PIM廣受喜愛，已批量應(yīng)用于汽車、充電樁、白色家電、工業(yè)變頻、伺服驅(qū)動、商用空調(diào)等領(lǐng)域。例如，三花汽零在電子水泵上已經(jīng)使用全橋PIM模塊，出貨給部分車型。
但是目前，業(yè)界普遍采用的PIM模塊主要以高壓IGBT為核心，IGBT因其動態(tài)損耗而僅限于低頻，隨著功率吞吐量的增加，這個缺點顯然越來越大，已經(jīng)難以滿足大功率場景的小型化和高效率要求。
萬年芯在首款PIM模塊外形基礎(chǔ)上進行了產(chǎn)品系列化升級，推出了搭載SiC MOSFET先進芯片的大功率PIM模塊及平板散熱器模塊。相比之下，SiC MOSFET可以在數(shù)百千赫茲下以低動態(tài)損耗進行開關(guān)，能夠大幅提升系統(tǒng)效率，據(jù)測算，在16KHz和95℃外殼溫度下，SiC PIM的總損耗約為IGBT PIM的三分之一（輸入500V、25A、輸出800V DC）。
SiC的高效率的好處能夠縮小系統(tǒng)尺寸和散熱需求，同時在更高頻率下運行，還可以將升壓電感器尺寸縮小三倍左右，從而節(jié)省系統(tǒng)成本和減輕重量。
據(jù)介紹，這款SiC MOSFET PIM模塊擁有非常多的自主創(chuàng)新，例如采用多種自主創(chuàng)新的封裝結(jié)構(gòu)和工藝，使用了熱敏電阻芯片（NTC）的高效貼片工藝，優(yōu)化了高性能AMB基板布線設(shè)計和面積，達到了更高的可靠性和更低成本，并優(yōu)選了有壓燒結(jié)銀封裝材料和水冷銅針座散熱器。
據(jù)萬年芯透露，這些創(chuàng)新技術(shù)的組合，使得這款SiC MOSFET PIM模塊的最大連續(xù)工作結(jié)溫可達到175℃，在模塊封裝尺寸不增加的情況下，整體的輸出功率得到大幅提升，相比硅基IGBT PIM，這款碳化硅PIM的額定電流提升了50%。借助SiC MOSFET的優(yōu)異性能，這款PIM模塊也能實現(xiàn)小型化。
通過采用SiC MOSFET替代硅基IGBT，這款PIM模塊的整體電路拓撲更為簡單，模塊體積減少約57％，同時熱導(dǎo)率比硅基PIM封裝提高30％。
據(jù)悉，這款PIM模塊能夠滿足車規(guī)級AQG324可靠性要求，其主要應(yīng)用包括新能源汽車、充電樁、儲能等新興領(lǐng)域，公司自主研發(fā)的電源模塊功率達到120KW以上，輸出電壓高達1050V，輸出電流最高達到350A。
碳化硅芯片供需失衡
電動汽車是碳化硅的最主要應(yīng)用之一。根據(jù) Yole 的統(tǒng)計，預(yù)計超過 70% 的收入（相當于 47 億美元）將來自 EV/混合動力汽車市場。隨著電動汽車的快速崛起，對SiC芯片的需求與日俱增。為保證可靠供貨，一家代工廠簽約多家SiC芯片廠商已是業(yè)內(nèi)普遍現(xiàn)象。未來幾年，SiC芯片供不應(yīng)求將成為常態(tài)。
襯底作為SiC芯片發(fā)展的關(guān)鍵，占據(jù)著重要的地位。SiC襯底不僅在功率器件成本中所占比例很高，而且與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。如果說前幾年很多SiC器件廠商都是靠綁定Wolfspeed來保證SiC襯底的產(chǎn)能，那么現(xiàn)在一切都變了。全球領(lǐng)先的SiC器件供應(yīng)商如Rohm、ON Semiconductor、STMicroelectronics等相繼收購?fù)顿Y了不同的優(yōu)質(zhì)SiC襯底供應(yīng)商，并開始建立內(nèi)部襯底供應(yīng)，從SiC襯底到設(shè)備制造的垂直整合。
不過，全球第一家發(fā)明商用SiC器件的廠商英飛凌，自家襯底供應(yīng)依然不足。對于英飛凌來說，作為世界第一的硅基功率半導(dǎo)體制造商，自然希望將自己在硅基領(lǐng)域的優(yōu)勢延伸到化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，而且基礎(chǔ)材料的短缺確實是英飛凌的隱患之一。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，英飛凌2021年營收在全球SiC市場位居第二，在SiC這個發(fā)展?jié)摿薮蟆⒉龥坝康氖袌觯w凌似乎越來越?jīng)]有把握。
國內(nèi)廠家積極布局
Wolfspeed公司、II-VI公司等全球碳化硅材料制造企業(yè)均安排了較大規(guī)模的產(chǎn)能擴張計劃，并向8英寸邁進，但當前碳化硅材料仍呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，疊加缺芯影響，國內(nèi)也同樣出現(xiàn)碳化硅襯底產(chǎn)能供不應(yīng)求的狀況。
即便困難重重，國內(nèi)碳化硅投資布局掀起了前所未有的高潮。根據(jù) CASA Research披露，2018年至今，國內(nèi)廠商在持續(xù)布局化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，2020年一共有24筆投資擴產(chǎn)項目（2019 年 17 筆），增產(chǎn)投資金額超過 694億元，同比增長 161%，其中碳化硅領(lǐng)域共 17 筆、投資 550億元，超過氮化鎵的投資規(guī)模。
布局碳化硅產(chǎn)業(yè)的玩家中， LED廠商憑借對化合物半導(dǎo)體材料的長期生產(chǎn)使用經(jīng)驗，表現(xiàn)尤為積極。三安光電作為LED芯片龍頭公司，其碳化硅二極管已有2款產(chǎn)品通過車載認證并送樣行業(yè)標桿客戶，處于小批量生產(chǎn)階段，碳化硅 MOSFET 工業(yè)級產(chǎn)品已送樣客戶驗證，車規(guī)級產(chǎn)品正配合多家車企做流片設(shè)計及測試。
在半絕緣碳化硅襯底領(lǐng)域，山東天岳的產(chǎn)能在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，在全球位居世界第三。2020年產(chǎn)能翻倍增至4.75萬片/年，2020年相關(guān)業(yè)務(wù)適應(yīng)營收3.47億元。本次山東天岳IPO將募集20億元投資“碳化硅半導(dǎo)體材料項目”計劃于 2022 年試生產(chǎn)，預(yù)計 2026年全面達產(chǎn)。
碳化硅賽道還吸引著硅基功率模塊廠商的紛紛橫向拓展布局，這其中既包括采用IDM模式的中車時代電氣、比亞迪、士蘭微、華潤微、華微電子等企業(yè)，也包括具備設(shè)計和模塊封測的企業(yè)，比如斯達半導(dǎo)、宏微科技、臺基股份等。同樣，碳化硅襯底以及外延片資源也備受“搶奪”。
另外，露笑科技定增募資投資約6億元加碼6英寸碳化硅襯底，同時與碳化硅外延晶片廠商東莞天域簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，后者將優(yōu)先選用露笑的6英寸碳化硅導(dǎo)電襯底，鎖定露笑科技，為其2022年、2023年、2024年預(yù)留碳化硅襯底產(chǎn)能不少于15萬片，綁定公司未來三年產(chǎn)能。
有車企廠商聲稱，預(yù)計到2023年用SiC車用功率半導(dǎo)體全面替代旗下汽車的硅基IGBT，但是更多電子領(lǐng)域人士認為，未來碳化硅等化合物半導(dǎo)體與硅共存將會是常態(tài)。
