Các nhà máy sản xuất cacbua silic lớn ở nước ngoài: mở rộng điên cuồng năng lực sản xuất và danh mục sản phẩm phong phú
Sự mở rộng cacbua silic
Hai vật liệu bán dẫn mới, silic cacbua và gali nitrua, đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết bị điện do khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu áp suất cao và đặc tính tần số cao. Đặc biệt, so với các thiết bị nguồn dựa trên silicon truyền thống, các thiết bị nguồn silicon carbide đã vượt qua các giới hạn vật lý của vật liệu dựa trên silicon truyền thống. Khả năng chịu nhiệt độ của silicon carbide gấp hai lần so với vật liệu silicon. Cường độ trường đánh thủng điện là cũng cao hơn vài lần so với vật liệu làm từ silicon. Vật liệu cacbua silic đã trở thành giải pháp tốt nhất cho các thiết bị nhiệt độ cao, áp suất cao và công suất lớn.

Xu hướng chung về "tính trung tính của carbon" đã làm tăng sự chú ý của mọi người đến các vật liệu bán dẫn công suất thế hệ thứ ba ổn định và hiệu suất cao như silicon carbide và gallium nitride. Các thiết bị năng lượng cacbua silic cũng đã được ứng dụng đầy đủ dưới sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, ô tô, vận tải đường sắt, sản xuất điện quang điện và các lĩnh vực khác.

Theo thống kê của CASA, tổng giá trị sản lượng của chất bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước, thiết bị điện tử công suất và thiết bị điện tử tần số vô tuyến sẽ đạt hơn 10 tỷ nhân dân tệ vào năm 2020. Trong số đó, giá trị sản lượng của các thiết bị silic cacbua và gali nitride đạt 4,47 tỷ nhân dân tệ, tăng 54% so với cùng kỳ năm ngoái. Đồng thời, ước tính đến năm 2025, quy mô của các thiết bị điện SiC trên thị trường ô tô toàn cầu sẽ tăng 38,0%, mang lại tổng giá trị thị trường khi đó là 10 tỷ nhân dân tệ, và dư địa cho SiC là rất lớn. sự phát triển.

Giờ đây, khi năng lực sản xuất của các phương tiện năng lượng mới và sản xuất điện quang điện được công bố, nhu cầu của thị trường đối với các thiết bị năng lượng cacbua silicon tiếp tục mở rộng, tập trung vào thị trường cacbua silicon toàn cầu. Do sự khởi đầu muộn của các nhà sản xuất trong nước trong lĩnh vực bán dẫn điện, thị trường quốc tế vẫn dựa vào Hoa Kỳ, Đức và Đức. Các công ty nước ngoài như Nhật Bản chiếm vị trí thống trị.

Wolfspeed, một công ty Hoa Kỳ chiếm 45% các lô hàng

Là công ty hàng đầu về chất bán dẫn điện thế hệ thứ ba, Wolfspeed đã bán mảng kinh doanh chiếu sáng hàng đầu trong ngành vào năm 2019 và chuyển trọng tâm của ngành sang lĩnh vực bán dẫn điện thế hệ thứ ba. Theo thống kê từ ngành công nghiệp bán dẫn, các lô hàng wafer SiC của Wolfspeed trong nửa đầu năm 2020 chiếm 45% tổng lượng hàng toàn cầu. Các sản phẩm cacbua silicon của Wolfspeed bao gồm các điốt SiC Schottky, các linh kiện và mô-đun SiC MOSFET, được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và ô tô.

Về điốt silicon cacbua Schottky, Wolfspeed đã tung ra thế hệ thứ sáu của sản phẩm cấp công nghiệp với điện áp chịu đựng tối đa là 650V và dòng điện danh định bao gồm 4A, 6A, 8A và 10A. Trong bộ chuyển đổi tăng cường PFC, nó có thể cải thiện hệ thống- mức hiệu quả rất tốt, và sẽ không có vấn đề về dòng điện phục hồi ngược và sự chạy trốn nhiệt. Đồng thời, điốt SiC Schottky cấp trên ô tô cũng đã phát triển lên thế hệ thứ ba, với điện áp chịu đựng tối đa là 650V và dòng điện danh định là 8A, 20A và 30A. Trong các ứng dụng thực tế, mật độ công suất của hệ thống còn cao hơn cải tiến và hệ thống được giảm bớt. Khối lượng, không cần thêm hệ thống làm mát, cũng có thể kiểm soát nhiệt độ tốt và chủ yếu được sử dụng trong hệ thống sạc ô tô và hệ thống quản lý ắc quy.

Về mặt MOSFETs silicon cacbua, các sản phẩm cấp công nghiệp Wolfspeed và sản phẩm cấp ô tô đã phát triển đến thế hệ thứ 3. Trong số đó, điện áp chịu đựng của các sản phẩm cấp công nghiệp thế hệ thứ hai đã đạt đến 1700V, cao nhất trong các sản phẩm cấp công nghiệp. phạm vi hiện tại từ 5A đến 115A được bao phủ. Đồng thời, điện áp chịu đựng của sản phẩm độ ô tô đã lên tới 1200V, dòng định mức có hai lựa chọn là 22A và 32A. Nhìn chung, MOSFET silicon cacbua của Wolfspeed có hiệu suất tốt về điện áp chịu đựng và tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ, đồng thời cải thiện tần số chuyển mạch và mật độ công suất của hệ thống.
1
Nguồn: Wolfspeed

Các ưu điểm ứng dụng của thiết bị năng lượng cacbua silic trong lĩnh vực xe điện là khá nổi bật, và triển vọng phát triển cũng rất hứa hẹn. Để khám phá sâu hơn hiệu suất tiềm năng của các thiết bị năng lượng cacbua silic trong lĩnh vực ô tô, Wolfspeed đã đạt được mối quan hệ hợp tác với Tập đoàn Volkswagen để cung cấp cho công chúng các giải pháp cacbua silic tốt hơn và cùng hướng tới sự phát triển trong tương lai của cacbua silic và thúc đẩy sự phát triển của cacbua silic trong tương lai.

Vào năm 2019, Wolfspeed đã đầu tư 1 tỷ nhân dân tệ để mở rộng năng lực sản xuất các thiết bị năng lượng cacbua silicon và tấm wafer hình trục, một phần trong số đó được sử dụng để xây dựng nhà máy wafer cacbua silicon "lớn nhất thế giới" ở Massey Township, New York, dự kiến ​​sẽ hoàn thành và đi vào hoạt động năm 2022. Fab chủ yếu được sử dụng để sản xuất tấm xốp cacbua silicon 200mm cấp ô tô. Phần còn lại được sử dụng để xây dựng nhà máy wafer silicon cacbua 200mm ở Durham, Mỹ. năng lực sản xuất các sản phẩm cacbua silic sẽ có sự gia tăng đáng kể. Wolfspeed chính thức tuyên bố rằng đến thời điểm đó, tỷ trọng kinh doanh sản phẩm thiết bị SiC và GaN sẽ vượt quá tỷ trọng kinh doanh vật liệu, với doanh thu đạt 1,5 tỷ đô la Mỹ và thu nhập ròng đạt 375 triệu đô la Mỹ.

Công ty Đức Infineon, một thiết bị năng lượng cacbua silicon cao cấp

Infineon đã tham gia sâu vào lĩnh vực cacbua silic trong nhiều năm, năm 2001 đã tung ra thị trường chiếc diode cacbua silicon đầu tiên và đã có sự tích lũy kỹ thuật tương đối sâu sắc. Hiện tại, các sản phẩm chính của Infineon về thiết bị nguồn cacbua silicon bao gồm: MOSFET, diode Schottky và các mô-đun kết hợp của MOSFET và diode.

2
Nguồn: trang web chính thức của Infineon

Infineon là nhà cung cấp bộ nguồn rời silicon cacbua đầu tiên. Điốt cacbua silicon của Infineon đáp ứng các yêu cầu ở cấp độ xe cộ và cấp công nghiệp. Trong số đó, các sản phẩm điốt cacbua silicon cấp công nghiệp có ba dòng 600V, 650V và 1200V và các sản phẩm cacbua silicon cấp ô tô chỉ có một loạt 650V. Điốt của Infineon hiện đã phát triển đến thế hệ thứ 5. So với cấu trúc điốt của các nhà sản xuất khác, có một số khác biệt. Infineon kết hợp các ưu điểm của điốt Schottky và điốt tiếp giáp PN để cải thiện hiệu suất của điốt. Đối với một, loại P cửa sổ pha tạp được thêm vào vùng pha tạp loại N của diode Schottky. Với những nâng cấp về công nghệ, điốt thế hệ thứ năm của Infineon đã giảm tổn thất dẫn điện đến 30% so với các sản phẩm thế hệ trước và khả năng chống dòng điện của chúng cao hơn khoảng 13 lần so với dòng điện định mức, cải thiện đáng kể độ an toàn của hệ thống.

Về MOSFETs silicon cacbua, các sản phẩm của Infineon cũng bao gồm các ứng dụng ô tô và công nghiệp. Trong số đó, MOSFET ống silicon cacbua đơn cấp công nghiệp có điện áp chịu đựng lên đến 1700V. Các sản phẩm 650V và 1200V cũng đã được phát triển, và chỉ có dòng 1200V trong số các sản phẩm cấp ô tô. MOSFET silicon cacbua của Infineon áp dụng công nghệ bán dẫn rãnh không đối xứng tiên tiến. Sau khi tối ưu hóa, tổn thất khi tắt chỉ bằng 20% ​​của IGBT trong môi trường làm việc 25 ° C và tổn thất khi tắt chỉ bằng 20% ​​của IGBT trong môi trường làm việc 175 ° C. 10% IGBT, tổn thất chuyển mạch cực thấp. Khi dòng tải là 15A, sụt áp phía trước chỉ bằng một nửa IGBT, và tổn thất dẫn nhỏ. Ở trạng thái quay vòng tự do lặp đi lặp lại, MOSFET silicon cacbua của Infineon cũng có thể được sử dụng như một điốt phục hồi nhanh và hiệu suất của nó cao hơn so với điốt thông thường.
3
Nguồn: Infineon

Vào tháng 5 năm nay, Infineon đã phát hành mô-đun nguồn cấp xe mới HybridPACK Drive CoolSiC. Mô-đun này có định mức điện áp là 1200V và có hai phiên bản với dòng điện định mức là 400A / 200A. Mô-đun nguồn sử dụng công nghệ CoolSiC rãnh MOSFET, được sử dụng trong biến tần lực kéo của xe điện, có thể đạt được công suất lên đến 250kW, với mật độ công suất cao và đặc tính hiệu suất cao, để cung cấp cho xe thời lượng pin dài hơn và hiệu suất cao hơn, giảm chi phí pin của xe điện. Theo Jung, trưởng nhóm điện khí hóa của Hyundai Motor, việc sử dụng mô-đun năng lượng CoolSiC của Infineon có thể tăng phạm vi hoạt động của xe điện lên hơn 5%.

Về hợp tác, theo báo chí nước ngoài, Infineon và nhà sản xuất tấm wafer Nhật Bản Showa Denko đã đạt được hợp tác cung cấp vật liệu cacbua silicon vào tháng 5 năm nay, đảm bảo nhu cầu chất nền của Infineon cho sự phát triển của cacbua silicon. Trước đó, Infineon và Wolfspeed cũng đã ký một thỏa thuận cung cấp wafer silicon cacbua dài hạn nhằm củng cố vị trí thống trị của Infineon về các thiết bị điện trong lĩnh vực ô tô và công nghiệp.

ROHM, công ty Nhật Bản đầu tiên ra mắt mô-đun năng lượng cacbua silicon

ROHM có khả năng sản xuất vật liệu cacbua silic, sản xuất tấm wafer, đóng gói và thử nghiệm chip, và các sản phẩm cacbua silic của nó có ảnh hưởng khá lớn trong ngành. Các sản phẩm cacbua silicon của ROHM bao gồm điốt, MOSFET và mô-đun nguồn, và ROHM là nhà sản xuất đầu tiên trên thế giới ra mắt mô-đun nguồn silicon cacbua.
4
Nguồn: ROHM

Vào tháng 7 năm nay, ROHM đã phát hành dòng sản phẩm IGBT RGWxx65C. Dòng RGWxx65C có một diode chắn SiC Schottky tích hợp trong bộ phận phản hồi của IGBT. Vì diode silicon cacbua không có dòng khôi phục ngược nên dòng RGWxx65C là công tắc bật. Suy hao tương đối thấp và nó đã đạt chứng nhận về tiêu chuẩn AEC-Q101 cho các quy định về ô tô và có thể được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp và ô tô. Theo ROHM, tổn thất khi đóng cắt của loạt sản phẩm này trong ứng dụng biến tần lực kéo của xe điện giảm 67% so với IGBT truyền thống và 24% so với SJ-MOSFET. Về chuyển đổi hiệu suất, các sản phẩm dòng RGWxx65C có thể đảm bảo chuyển đổi hiệu suất cao hơn 97%. Khi tần số hoạt động là 100kHz, hiệu suất chuyển đổi sẽ cao hơn 3% so với IGBT truyền thống. Về năng lực sản xuất vẫn đang ở giai đoạn mẫu, theo kế hoạch sẽ bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt với quy mô 20.000 chiếc / tháng vào tháng 12 năm nay.

Về điốt cacbua silicon, điốt của ROHM đã được phát triển lên các sản phẩm thế hệ thứ ba, trong đó các sản phẩm thế hệ thứ hai đã đạt đến điện áp chịu đựng tối đa là 1200V và dòng điện định mức là từ 5A đến 40A. Điốt của các sản phẩm thế hệ thứ ba chủ yếu tập trung ở 650V, giữa 2A và 20A. Quá trình thiết kế cấu trúc JBS được thông qua. Trong cùng điều kiện làm việc, khả năng chống dòng điện tăng vọt của thế hệ thứ ba được tăng gấp đôi so với thế hệ thứ hai -sản phẩm phát sinh., Sự mất mát dẫn truyền cũng đã được giảm bớt. Đồng thời, dòng điện rò của sản phẩm thế hệ thứ ba chỉ bằng 1/20 sản phẩm thế hệ trước.

Về MOSFET silicon carbide, ROHM đã giới thiệu MOSFET silicon carbide cổng rãnh thế hệ thứ ba, chủ yếu bao gồm hai mức điện áp là 650V và 1200V. Khả năng chống chịu của MOSFET silicon carbide cổng rãnh thế hệ thứ ba giảm một nửa so với MOSFET silicon carbide phẳng thế hệ thứ hai, do đó giảm tiêu thụ điện năng của hệ thống. Trong số đó, dòng SCT3 đã cải tiến quy trình đóng gói và áp dụng quy trình đóng gói 4 chân. Theo các quan chức ROHM, MOSFET silicon cacbua 4 chân có tổn thất chuyển mạch thấp hơn 35% so với gói ba chân, do đó cải thiện hiệu quả hệ thống .

Về mở rộng công suất, để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao của thị trường đối với các thiết bị điện silic cacbua, ROHM bắt đầu mở rộng nhà máy Apollo vào năm 2019. Dự án sẽ hoàn thành vào cuối năm 2020, dự kiến ​​sẽ chính thức đi vào hoạt động. hoạt động vào năm 2022. Diện tích của nhà máy mới sẽ tăng gần gấp đôi Theo ông Tokken Suwon, Giám đốc Trung tâm Công nghệ ROHM, đến năm 2025, công suất sản xuất cacbua silic của ROHM sẽ gấp 16 lần năm 2017.