Grandes usines étrangères de carbure de silicium : expansion folle de la capacité de production et riche portefeuille de produits
Expansion du carbure de silicium
Deux nouveaux matériaux semi-conducteurs, le carbure de silicium et le nitrure de gallium, ont été largement utilisés dans le domaine des dispositifs de puissance en raison de leur résistance à haute température, résistance à haute pression et caractéristiques à haute fréquence. En particulier, par rapport aux dispositifs d'alimentation traditionnels à base de silicium, les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium ont dépassé les limites physiques des matériaux traditionnels à base de silicium. La résistance à la température du carbure de silicium est le double de celle des matériaux à base de silicium. L'intensité du champ de claquage électrique est également plusieurs fois supérieur à celui des matériaux à base de silicium. Les matériaux en carbure de silicium sont devenus la meilleure solution pour les équipements haute température, haute pression et haute puissance.

La tendance générale à la « neutralité carbone » a attiré l'attention des gens sur les matériaux semi-conducteurs de puissance de troisième génération à haut rendement et stables tels que le carbure de silicium et le nitrure de gallium. Les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium ont également été pleinement appliqués dans le cadre du développement rapide de l'industrie, de l'automobile, du transport ferroviaire, de la production d'énergie photovoltaïque et d'autres domaines.La demande du marché pour le carbure de silicium est très prospère et le taux de pénétration du marché augmente également d'année en année.

Selon les statistiques de la CASA, la valeur totale de la production des semi-conducteurs domestiques de troisième génération, des appareils électroniques de puissance et des appareils électroniques à radiofréquence atteindra plus de 10 milliards de yuans en 2020. Parmi eux, la valeur de production des dispositifs au carbure de silicium et au nitrure de gallium a atteint 4,47 milliards de yuans, soit une augmentation de 54 % en glissement annuel. Dans le même temps, on estime que d'ici 2025, l'échelle des dispositifs d'alimentation SiC sur le marché automobile mondial augmentera de 38,0%, ce qui apportera une valeur marchande totale de 10 milliards de yuans d'ici là, et il y a une énorme place pour le SiC. développement.

Maintenant que la capacité de production de véhicules à énergie nouvelle et de production d'énergie photovoltaïque est libérée, la demande du marché pour les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium continue de croître, en se concentrant sur le marché mondial du carbure de silicium.En raison du démarrage tardif des fabricants nationaux dans le domaine des semi-conducteurs de puissance, le marché international est toujours basé sur les États-Unis, l'Allemagne et l'Allemagne.Les entreprises étrangères comme le Japon occupent une position dominante.

Wolfspeed, une entreprise américaine qui représente 45 % des expéditions

En tant que leader des semi-conducteurs de puissance de troisième génération, Wolfspeed a vendu l'activité d'éclairage de son secteur leader en 2019 et a recentré l'industrie sur le domaine des semi-conducteurs de puissance de troisième génération. Selon les statistiques de l'industrie des semi-conducteurs, les livraisons de plaquettes SiC de Wolfspeed au premier semestre 2020 représentaient 45% du total mondial. Les produits en carbure de silicium de Wolfspeed couvrent les diodes SiC Schottky, les composants et modules SiC MOSFET, qui sont utilisés dans les domaines industriels et automobiles.

En termes de diodes Schottky au carbure de silicium, Wolfspeed a lancé la sixième génération de produits de qualité industrielle avec une tension de tenue maximale de 650 V et des courants nominaux couvrant 4 A, 6 A, 8 A et 10 A. Dans le convertisseur boost PFC, il peut améliorer le système. niveau d'efficacité très bien, et il n'y aura pas de problèmes de courant de récupération inverse et d'emballement thermique. Dans le même temps, les diodes SiC Schottky de qualité automobile se sont également développées jusqu'à la troisième génération, avec une tension de tenue maximale de 650 V et des courants nominaux de 8 A, 20 A et 30 A. Dans les applications pratiques, la densité de puissance du système est encore plus élevée. Le volume, sans avoir besoin d'un système de refroidissement supplémentaire, permet également d'obtenir un bon contrôle de la température et est principalement utilisé dans les systèmes de charge de voiture et les systèmes de gestion de batterie.

En termes de MOSFET en carbure de silicium, les produits de qualité industrielle Wolfspeed et les produits de qualité automobile sont passés à la troisième génération. Parmi eux, la tension de tenue des produits de qualité industrielle de deuxième génération a atteint 1700 V, ce qui est le plus élevé parmi les produits de qualité industrielle. les plages de courant de 5A à 115A sont couvertes. Dans le même temps, la tension de tenue des produits de qualité automobile a atteint 1200 V et le courant nominal a deux options : 22 A et 32 ​​A. En général, le MOSFET au carbure de silicium de Wolfspeed présente de bonnes performances en termes de tension de tenue et de consommation d'énergie en veille, et améliore la fréquence de commutation et la densité de puissance du système.
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Source : Wolfspeed

Les avantages d'application des dispositifs d'alimentation en carbure de silicium dans le domaine des véhicules électriques sont assez importants et les perspectives de développement sont également très prometteuses. Afin d'explorer plus en profondeur les performances potentielles des dispositifs d'alimentation en carbure de silicium dans le domaine automobile, Wolfspeed a conclu une relation de coopération avec le groupe Volkswagen pour fournir au public de meilleures solutions en carbure de silicium, et attend avec impatience le développement futur du carbure de silicium. et promouvoir le développement du carbure de silicium à l'avenir.L'application dans le domaine des véhicules électriques créera des véhicules électriques avec une autonomie de croisière plus longue, des coûts de production inférieurs et une vitesse de réapprovisionnement plus rapide.

En 2019, Wolfspeed a investi 1 milliard de yuans pour augmenter la capacité de production de dispositifs d'alimentation en carbure de silicium et de plaquettes épitaxiales, dont une partie est utilisée pour construire la "plus grande" usine de plaquettes de carbure de silicium à Massey Township, New York, qui devrait être achevé et mis en service en 2022. L'usine est principalement utilisée pour la production de plaquettes de carbure de silicium de 200 mm de qualité automobile. L'autre partie est utilisée pour la construction d'une usine de plaquettes de carbure de silicium de 200 mm à Durham, aux États-Unis. La ligne de production sera produite de manière entièrement automatisée. Selon le plan, la ligne de production sera mise en service en 2024, et le capacité de production de produits en carbure de silicium sera Il y a eu une augmentation substantielle. Wolfspeed a officiellement déclaré que d'ici là, la proportion de l'activité des appareils SiC et GaN dépassera la proportion de l'activité des matériaux, avec des revenus atteignant 1,5 milliard de dollars américains et un bénéfice net atteignant 375 millions de dollars américains.

La société allemande Infineon, un dispositif d'alimentation en carbure de silicium de premier plan

Infineon est profondément impliqué dans le domaine du carbure de silicium depuis de nombreuses années. En 2001, il a lancé la première diode en carbure de silicium sur le marché et a une accumulation technique relativement profonde. À l'heure actuelle, les principaux produits d'Infineon en matière de dispositifs d'alimentation en carbure de silicium comprennent : MOSFET, diode Schottky et modules combinés de MOSFET et de diode.

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Source : site officiel d'Infineon

Infineon est le premier fournisseur d'alimentations discrètes en carbure de silicium.Ses dispositifs à diodes en carbure de silicium dépassent les limites physiques des matériaux traditionnels à base de silicium, augmentant la tension de tenue d'origine des diodes de seulement 150V à 1200V. Les diodes au carbure de silicium d'Infineon répondent aux exigences des véhicules et de qualité industrielle. Parmi elles, les produits de diodes au carbure de silicium de qualité industrielle ont trois séries de 600V, 650V et 1200V, et les produits de carbure de silicium de qualité automobile n'ont qu'une seule série de 650V. Les diodes d'Infineon sont maintenant passées à la cinquième génération. Par rapport aux structures de diodes d'autres fabricants, il existe quelques différences. Infineon combine les avantages des diodes Schottky et des diodes à jonction PN afin d'améliorer les performances des diodes. D'une part, un type P une fenêtre dopée est ajoutée à la région dopée de type N de la diode Schottky. Grâce aux mises à niveau technologiques, les diodes de cinquième génération d'Infineon ont réduit les pertes de conduction de 30 % par rapport aux produits de la génération précédente, et leur capacité de courant anti-surtension est environ 13 fois supérieure au courant nominal, ce qui améliore considérablement la sécurité du système.

En termes de MOSFET en carbure de silicium, les produits d'Infineon couvrent également les applications automobiles et industrielles. Parmi eux, les MOSFET monotubes en carbure de silicium de qualité industrielle ont une tension de tenue allant jusqu'à 1700 V. Des produits avec 650 V et 1200 V ont également été développés, et il n'y a qu'une série de 1200 V parmi les produits de qualité automobile. Le MOSFET au carbure de silicium d'Infineon adopte une technologie avancée de semi-conducteur à tranchée asymétrique.Après optimisation, la perte de désactivation n'est que de 20 % de celle de l'IGBT dans un environnement de travail de 25 °C, et la perte de désactivation n'est que de 20 % de celle de l'IGBT dans un environnement de travail de 175° C. 10% d'IGBT, perte de commutation extrêmement faible. Lorsque le courant de charge est de 15 A, la chute de tension directe n'est que de la moitié de l'IGBT et la perte de conduction est faible. Dans l'état de roue libre répétée, le MOSFET au carbure de silicium d'Infineon peut également être utilisé comme diode à récupération rapide, et ses performances sont supérieures à celles des diodes ordinaires.
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Source : Infineon

En mai de cette année, Infineon a lancé un nouveau module d'alimentation de qualité véhicule HybridPACK Drive CoolSiC. Le module a une tension nominale de 1200 V et dispose de deux versions avec un courant nominal de 400 A/200 A. Le module d'alimentation utilise la technologie MOSFET de tranchée CoolSiC, utilisée dans l'onduleur de traction des véhicules électriques, peut atteindre jusqu'à 250 kW de puissance, avec une densité de puissance élevée et des caractéristiques de performance élevées, pour fournir aux véhicules une durée de vie de la batterie plus longue et une efficacité plus élevée, réduire le coût de la batterie de véhicules électriques. Selon Jung, chef de l'équipe d'électrification de Hyundai Motor, l'utilisation du module d'alimentation CoolSiC d'Infineon peut augmenter l'autonomie des véhicules électriques de plus de 5 %.

En termes de coopération, selon les médias étrangers, Infineon et le fabricant japonais de plaquettes Showa Denko ont conclu une coopération dans la fourniture de matériaux en carbure de silicium en mai de cette année, garantissant la demande de substrat d'Infineon pour le développement du carbure de silicium. Auparavant, Infineon et Wolfspeed avaient également signé un accord de fourniture de plaquettes de carbure de silicium à long terme pour consolider la position dominante d'Infineon dans les dispositifs de puissance dans les domaines automobile et industriel.

ROHM, la première entreprise japonaise à lancer des modules de puissance en carbure de silicium

ROHM a les capacités de production de matériaux en carbure de silicium, de fabrication de plaquettes, d'emballage et de test de puces, et ses produits en carbure de silicium sont très influents dans l'industrie. Les produits en carbure de silicium de ROHM couvrent les diodes, les MOSFET et les modules de puissance, et ROHM est le premier fabricant au monde à lancer des modules de puissance en carbure de silicium.
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Source : ROHM

En juillet de cette année, ROHM a lancé la série RGWxx65C de produits IGBT. La série RGWxx65C possède une diode barrière SiC Schottky intégrée dans l'unité de rétroaction de l'IGBT. Étant donné que la diode au carbure de silicium n'a pas de courant de récupération inverse, la série RGWxx65C La perte est relativement faible, et il a passé la certification de la norme AEC-Q101 pour les réglementations automobiles, et peut être utilisé dans les domaines industriels et automobiles. Selon ROHM, la perte de commutation de cette série de produits dans l'application des onduleurs de traction de véhicules électriques est réduite de 67 % par rapport aux IGBT traditionnels et de 24 % par rapport aux SJ-MOSFET. En termes de conversion d'efficacité, les produits de la série RGWxx65C peuvent garantir une conversion à haute efficacité de plus de 97%. Lorsque la fréquence de fonctionnement est de 100 kHz, l'efficacité de conversion sera 3% supérieure à celle de l'IGBT traditionnel. En termes de capacité de production, il est encore au stade de l'échantillon.Selon le plan, il entrera dans le stade de la production de masse à une échelle de 20 000 pièces par mois en décembre de cette année.

En termes de diodes au carbure de silicium, les diodes ROHM ont été développées pour les produits de troisième génération, parmi lesquels les produits de deuxième génération ont atteint une tension de tenue maximale de 1200V et le courant nominal est compris entre 5A et 40A. Les diodes des produits de troisième génération sont principalement concentrées en 650 V, entre 2 A et 20 A. Le processus de conception de la structure JBS est adopté. Dans les mêmes conditions de travail, la capacité de courant anti-surtension de troisième génération est doublée par rapport à la seconde -Produits de génération. , La perte de conduction a également été réduite. Dans le même temps, le courant de fuite du produit de troisième génération n'est que de 1/20 du produit de génération précédente.

En termes de MOSFET au carbure de silicium, ROHM a introduit le MOSFET au carbure de silicium à grille tranchée de troisième génération, qui comprend principalement deux niveaux de tension de 650V et 1200V. La résistance à l'état passant du MOSFET en carbure de silicium à grille de tranchée de troisième génération est réduite de moitié par rapport au MOSFET en carbure de silicium planaire de deuxième génération, réduisant ainsi la consommation d'énergie du système. Parmi eux, la série SCT3 a amélioré le processus d'emballage et adopté un processus d'emballage à broches 4. Selon les responsables de ROHM, le MOSFET en carbure de silicium à 4 broches a une perte de commutation inférieure de 35 % à celle du boîtier à trois broches, améliorant ainsi l'efficacité du système. .

En termes d'extension de capacité, afin de répondre à la demande croissante du marché pour les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium, ROHM a commencé à agrandir l'usine Apollo en 2019. Le projet sera achevé fin 2020. Il devrait être officiellement mis en place. opérationnelle en 2022. La superficie de la nouvelle usine sera presque doublée. Selon M. Tokken Suwon, directeur du ROHM Technology Center, d'ici 2025, la capacité de production de carbure de silicium de ROHM sera 16 fois supérieure à celle de 2017.