Крупные зарубежные заводы по производству карбида кремния: безумное расширение производственных мощностей и богатый продуктовый портфель
Расширение карбида кремния
Два новых полупроводниковых материала, карбид кремния и нитрид галлия, широко используются в области силовых устройств из-за их высокой термостойкости, устойчивости к высокому давлению и высокочастотных характеристик. В частности, по сравнению с традиционными силовыми устройствами на основе кремния, силовые устройства из карбида кремния вышли за физические пределы традиционных материалов на основе кремния. Температурная стойкость карбида кремния в два раза выше, чем у материалов на основе кремния. Напряженность электрического поля пробоя составляет также в несколько раз выше, чем у материалов на основе кремния. Материалы из карбида кремния стали лучшим решением для высокотемпературного, высоконапорного и мощного оборудования.
Общая тенденция «углеродной нейтральности» привлекла внимание людей к высокоэффективным и стабильным силовым полупроводниковым материалам третьего поколения, таким как карбид кремния и нитрид галлия. Силовые устройства из карбида кремния также в полной мере находят применение в условиях быстрого развития промышленности, автомобилестроения, железнодорожного транспорта, фотоэлектрической энергетики и др. Рыночный спрос на карбид кремния очень высок, и уровень проникновения на рынок также увеличивается с каждым годом.
Согласно статистике CASA, общий объем производства отечественных полупроводников третьего поколения, силовых электронных устройств и радиочастотных электронных устройств достигнет более 10 миллиардов юаней в 2020 году. Среди них объем производства устройств из карбида кремния и нитрида галлия достиг 4,47 млрд юаней, увеличившись на 54% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. В то же время, по оценкам, к 2025 году масштаб силовых устройств SiC на мировом автомобильном рынке увеличится на 38,0%, что к тому времени принесет общую рыночную стоимость в 10 миллиардов юаней, и для SiC есть огромные возможности. разработка.
Теперь, когда выпущены производственные мощности для новых энергетических транспортных средств и фотоэлектрической генерации энергии, рыночный спрос на силовые устройства из карбида кремния продолжает расти, уделяя особое внимание глобальному рынку карбида кремния. Из-за позднего начала отечественных производителей в области силовых полупроводников, международный рынок по-прежнему базируется на Соединенных Штатах, Германии и Германии, а иностранные компании, такие как Япония, занимают доминирующее положение.
Wolfspeed, американская компания, на долю которой приходится 45% поставок
Как ведущая компания по производству силовых полупроводников третьего поколения, Wolfspeed продала свой ведущий бизнес в области освещения в 2019 году и сместила фокус отрасли на область силовых полупроводников третьего поколения. Согласно статистике полупроводниковой промышленности, поставки SiC-пластин Wolfspeed в первой половине 2020 года составили 45% от общемирового объема. Продукция Wolfspeed из карбида кремния включает SiC-диоды Шоттки, компоненты и модули SiC MOSFET, которые используются в промышленности и автомобилестроении.
Что касается карбидокремниевых диодов Шоттки, Wolfspeed выпустила шестое поколение продуктов промышленного класса с максимальным выдерживаемым напряжением 650 В и номинальными токами 4 А, 6 А, 8 А и 10 А. В повышающем преобразователе PFC он может улучшить систему: уровень КПД очень хороший, и не будет проблем с током обратного восстановления и тепловым разгоном. В то же время автомобильные SiC-диоды Шоттки также были разработаны до третьего поколения с максимальным выдерживаемым напряжением 650 В и номинальными токами 8 А, 20 А и 30 А. На практике удельная мощность системы еще выше. Объем, без необходимости в дополнительной системе охлаждения, также может обеспечить хороший контроль температуры, и в основном используется в автомобильных зарядных системах и системах управления аккумулятором.
Что касается полевых МОП-транзисторов из карбида кремния, продукты промышленного и автомобильного качества Wolfspeed достигли третьего поколения. Среди них выдерживаемое напряжение продуктов промышленного класса второго поколения достигло 1700 В, что является самым высоким показателем среди продуктов промышленного класса. охватываются диапазоны тока от 5А до 115А. При этом выдерживаемое напряжение автомобильной продукции достигло 1200В, а номинальный ток имеет два варианта: 22А и 32А. В целом, карбидокремниевый МОП-транзистор Wolfspeed обладает хорошими характеристиками с точки зрения выдерживаемого напряжения и энергопотребления в режиме ожидания, а также улучшает частоту переключения системы и удельную мощность.
1
Источник: Wolfspeed
Преимущества применения силовых устройств из карбида кремния в области электромобилей весьма заметны, а перспективы развития также весьма многообещающие. Чтобы более глубоко изучить потенциальные характеристики силовых устройств из карбида кремния в автомобильной области, Wolfspeed установила отношения сотрудничества с Volkswagen Group, чтобы предоставить общественности более качественные решения из карбида кремния, и совместно с нетерпением ждем будущего развития карбида кремния. и способствовать развитию карбида кремния в будущем.Применение в области электромобилей позволит создать электромобили с большей дальностью плавания, более низкой производственной стоимостью и более высокой скоростью пополнения запасов.
В 2019 году Wolfspeed инвестировала 1 миллиард юаней в расширение производственных мощностей силовых устройств из карбида кремния и эпитаксиальных пластин, часть которых используется для строительства «крупнейшего в мире» завода по производству карбидокремниевых пластин в городке Мэсси, штат Нью-Йорк, который, как ожидается, будет построен. сдан в эксплуатацию в 2022 году. Эта фабрика в основном используется для производства 200-миллиметровых пластин из карбида кремния автомобильного класса. Другая часть будет использована для строительства завода по производству пластин из карбида кремния диаметром 200 мм в Дареме, США. Производственная линия будет производиться полностью автоматизированным способом. Согласно плану, производственная линия будет введена в эксплуатацию в 2024 году, а производственная линия будет запущена в эксплуатацию. производственные мощности изделий из карбида кремния будут. Произошло существенное увеличение. Wolfspeed официально заявила, что к тому времени доля бизнеса по производству устройств на основе SiC и GaN превысит долю бизнеса по производству материалов, при этом выручка достигнет 1,5 миллиарда долларов США, а чистая прибыль - 375 миллионов долларов США.
Немецкая компания Infineon, ведущий производитель силовых устройств из карбида кремния.
Infineon уже много лет активно работает в области карбида кремния. В 2001 году компания выпустила на рынок первый карбид кремниевый диод, имеющий относительно глубокое техническое развитие. В настоящее время основные продукты Infineon в области силовых устройств из карбида кремния включают в себя полевые МОП-транзисторы, диоды Шоттки и комбинированные модули полевых МОП-транзисторов и диодов.
2
Источник: официальный сайт Infineon.
Infineon является первым поставщиком дискретных источников питания из карбида кремния. Его диодные устройства из карбида кремния преодолевают физические ограничения традиционных материалов на основе кремния, увеличивая исходное выдерживаемое напряжение только с диодов со 150 В до 1200 В. Карбид-кремниевые диоды Infineon соответствуют требованиям автомобильного и промышленного уровня. Среди них карбид-кремниевые диоды промышленного класса имеют три серии на 600 В, 650 В и 1200 В, а автомобильные карбид-кремниевые продукты имеют только одну серию на 650 В. К настоящему времени разработаны диоды Infineon до пятого поколения. По сравнению с диодными структурами других производителей, есть некоторые отличия. Infineon сочетает в себе преимущества диодов Шоттки и диодов с PN переходом, чтобы улучшить характеристики диодов. Например, диоды P-типа. легированное окно добавлено к легированной области N-типа диода Шоттки. Благодаря технологическим усовершенствованиям диоды Infineon пятого поколения снизили потери проводимости на 30% по сравнению с продуктами предыдущего поколения, а их способность к защите от импульсных перенапряжений примерно в 13 раз превышает номинальный ток, что значительно повышает безопасность системы.
Что касается полевых МОП-транзисторов из карбида кремния, продукция Infineon также охватывает как автомобильные, так и промышленные применения. Среди них однотрубные МОП-транзисторы из карбида кремния промышленного класса имеют выдерживаемое напряжение до 1700 В. Также были разработаны изделия с напряжением 650 и 1200 В. Среди продуктов автомобильного класса есть только серия на 1200 В. Карбид-кремниевый МОП-транзистор Infineon использует передовую технологию асимметричных канавок полупроводников. После оптимизации потери при выключении составляют лишь 20% от потерь при выключении IGBT в рабочей среде 25 ° C, а потери при выключении составляют всего 20% от потерь при выключении IGBT. в рабочей среде 175 ° C. 10% IGBT, чрезвычайно низкие потери переключения. Когда ток нагрузки составляет 15 А, прямое падение напряжения составляет только половину от IGBT, а потери проводимости малы. В состоянии многократного свободного хода полевой МОП-транзистор Infineon из карбида кремния также может использоваться в качестве диода с быстрым восстановлением, и его характеристики выше, чем у обычных диодов.
3
Источник: Infineon
В мае этого года компания Infineon выпустила новый автомобильный силовой модуль HybridPACK Drive CoolSiC, рассчитанный на напряжение 1200 В и имеющий две версии с номинальным током 400/200 А. В силовом модуле используется технология CoolSiC Trench MOSFET, используемая в тяговом инверторе электромобилей, может достигать мощности до 250 кВт, с высокой удельной мощностью и высокими характеристиками, чтобы обеспечить транспортные средства с более длительным сроком службы батареи и более высокой эффективностью, снизить стоимость батареи электромобилей. По словам Юнга, главы группы электрификации Hyundai Motor, использование силового модуля CoolSiC Infineon может увеличить дальность полета электромобилей более чем на 5%.
Что касается сотрудничества, согласно сообщениям зарубежных СМИ, Infineon и японский производитель пластин Showa Denko достигли в мае этого года сотрудничества в области поставок материалов из карбида кремния, что обеспечило потребность Infineon в подложках для разработки карбида кремния. До этого Infineon и Wolfspeed также подписали долгосрочное соглашение о поставках пластин из карбида кремния, чтобы укрепить доминирующее положение Infineon в области силовых устройств в автомобильной и промышленной областях.
ROHM, первая японская компания, выпустившая силовые модули из карбида кремния
Компания ROHM имеет возможности для производства карбидокремниевого материала, изготовления пластин, упаковки и тестирования микросхем, а ее продукты из карбида кремния имеют большое влияние в отрасли. Продукция ROHM из карбида кремния охватывает диоды, полевые МОП-транзисторы и силовые модули, и ROHM является первым в мире производителем, выпустившим силовые модули из карбида кремния.
4
Источник: ROHM
В июле этого года компания ROHM выпустила серию продуктов IGBT RGWxx65C. Серия RGWxx65C имеет встроенный SiC-диод с барьером Шоттки в блоке обратной связи IGBT. Поскольку диод из карбида кремния не имеет тока обратного восстановления, серия RGWxx65C Потери относительно низкие, он прошел сертификацию стандарта AEC-Q101 для автомобильных норм и может использоваться в промышленности и автомобилестроении. Согласно ROHM, коммутационные потери этой серии продуктов при применении тяговых инверторов электромобилей уменьшаются на 67% по сравнению с традиционными IGBT и на 24% по сравнению с SJ-MOSFET. Что касается преобразования эффективности, продукты серии RGWxx65C могут гарантировать высокую эффективность преобразования, превышающую 97% .При рабочей частоте 100 кГц эффективность преобразования будет на 3% выше, чем у традиционных IGBT. Что касается производственных мощностей, то он все еще находится в стадии опытного образца. Согласно плану, он выйдет на стадию массового производства в объеме 20 000 штук в месяц в декабре этого года.
Что касается диодов из карбида кремния, диоды ROHM были разработаны для продуктов третьего поколения, среди которых продукты второго поколения достигли максимального выдерживаемого напряжения 1200 В, а номинальный ток составляет от 5 до 40 А. Диоды продуктов третьего поколения в основном сконцентрированы на напряжении 650 В, между 2 А и 20 А. Процесс проектирования структуры JBS принят. При тех же рабочих условиях способность защиты от импульсных перенапряжений третьего поколения удваивается по сравнению со вторым -продукты генерации., Потери проводимости также были уменьшены. В то же время ток утечки продукта третьего поколения составляет всего 1/20 от тока утечки продукта предыдущего поколения.
Что касается полевого МОП-транзистора из карбида кремния, ROHM представила полевой МОП-транзистор с канальным затвором третьего поколения, который в основном включает два уровня напряжения: 650 В и 1200 В. Сопротивление в открытом состоянии полевого МОП-транзистора из карбида кремния третьего поколения с канальным затвором снижено вдвое по сравнению с планарным полевым МОП-транзистором из карбида кремния второго поколения, что снижает энергопотребление системы. Среди них в серии SCT3 улучшен процесс упаковки и применен 4-контактный процесс упаковки. По словам представителей ROHM, 4-контактный полевой МОП-транзистор из карбида кремния имеет на 35% меньшие потери при переключении, чем трехконтактный корпус, тем самым повышая эффективность системы. .
Что касается расширения мощностей, чтобы удовлетворить растущий рыночный спрос на силовые устройства из карбида кремния, ROHM начала расширять завод Apollo в 2019 году. Проект будет завершен в конце 2020 года. Ожидается, что он будет официально введен в эксплуатацию. Площадь нового завода будет увеличена почти вдвое. По словам г-на Токкена Сувона, директора технологического центра ROHM, к 2025 году производственные мощности ROHM по производству карбида кремния увеличатся в 16 раз по сравнению с 2017 годом.
