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AG真人游戏 和巍巍:第三代半导体之碳化硅功率器件

2020-03-04 03:58:07 和记官网 已读

以新能源车为代表,碳化硅MOSFET将来替代IGBT,成本端何时可下降到同等水平,得以大规模铺开?

这里列举的氮化镓产业链上的主要公司,我就不做特别详细的介绍,大家可以看一下。

会 议 实 录

国际上的大公司对这个行业也是非常看重的,近几年投入巨资来增加对这个行业的投入,举个例子,比如说美国的CREE公司,宣布投资10亿美元,产能未来五年扩大十倍。日本的罗姆投资45亿人民币,产能扩大16倍。韩国的SKSiltron做8寸、12寸的硅片比较好,他们也把业务领域以收购的方式扩大到碳化硅的领域,其他一些公司像英飞凌、昭和电工也有比较大的投资举动,说明国内和国外都是非常看好这个行业的。

很多的公司计划在2022年或是2023年开始大量使用碳化硅的器件。车规半导体有一些独特的特点,比如说产品开发周期长、行业壁垒高,最低的要求是要有16949体系的要求,对具体的器件,分立器件有AEC-Q101的要求,模块有ISO26262的要求,不同的车厂有不同的要求。芯片的验证时间至少需要两三年才能完成车规认证并且进入到整车的供应链,时间周期是比较长的。一旦进入整车的供应链,供货周期也会比较长,车型的生命周期可能有五到十年,可以比较稳定的供货,有稳定的合作关系。

主持人:陈俊杰,天风证券研究所电子高级分析师。曾先后就职于ADI, Fairchild, Teradyne 等美资半导体公司,拥有丰富的半导体事业经验。

器件的环节,MOSFET只有我们公司量产碳化硅的MOSFET,国内其他的公司可能还在工程样品的阶段。国内对碳化硅非常重视,政府和民间都投入了大量的资源,未来会缩短和国外的差距。

| 技术进展:材料、器件、封装、驱动

也有一些公司只做里面的某一些环节,衬底环节除了CREE公司做得比较好以外,还有美国的道康宁,还有美国的Ⅱ-Ⅵ,国内做得比较好的有山东天岳(华为的哈勃投资2019年投资了山东天岳),另外还有一家北京的天科合达,还有瑞典的NORSTEL,它被ST公司全资收购。

【和巍巍】:大家好!我是深圳基本半导体的和巍巍,今天非常高兴和大家分享一下第三代半导体碳化硅功率器件技术和应用的问题。

| 公司介绍:公司简介、产品介绍、发展规划

射频器件,650V及以下的硅基氮化镓功率器件已生产,最大的功率可以达到1800W。

碳化硅的技术里,另外有一个比较重要的是驱动器,MOSFET有源的器件都是需要驱动器动作,MOSFET又有一些动作的特点,比如说预置电压比较低,现在在3伏左右,还有关断和开通的电压和硅不一样,还有短路耐受偏低,大概在5微秒左右,IGBT可以承受10个微秒短路的时间,在设计碳化硅启动的时候需要有更高的开通关断的速度,延时要小,选择合适的开通关断的电压。

外延炉里通过反应堆,衬底会有小的斜切,会一层一层外延长上去,长成需要的厚度,需要通过控制气体的比例控制掺杂的浓度,最后得到碳化硅的外延片。

氮化镓也是第三代半导体,和碳化硅一样,第一代主要是硅和Ge,第二代是GaAs和InP,第三代半导体应用领域更广,氮化镓可以用于功率器件,另外可以用于射频器件,氮化镓还有一个应用是可以用于LED,现在用于比较广泛,诺贝尔奖就是氮化镓蓝光LED。功率器件氮化镓也做二极管和场效应晶体管。射频期间可以做PA、LNA等用在基站和雷达里。

| 典型应用:电动汽车、国防军工、轨道交通

第 一 期

今天我跟大家分享一下碳化硅功率器件的内容,主要分为四个部分:一是简单介绍一下产业的情况;二是碳化硅三种典型的应用;三是最新的技术进展,材料、器件、封装、驱动四个方向介绍;四是对我们公司的介绍。

衬底和外延的生长过程中,会有比较多的缺陷,这种生长方法相对是比较复杂的,硅的拉单晶方法可以做的纯度非常高,6个9甚至更高,碳化硅会有几个主要缺陷AG真人游戏,Dowfall、Mcropipe、Carrot、Triagle。

来源:天风证券

我们还在开发车规级的模块AG真人游戏,我们开发1200伏、200安的项目AG真人游戏,我们和珠海英博尔联合获得广东省重点项目,开发基于碳化硅的电驱系统,我们和一汽、北汽、华域、蓝海华腾合作,预计2020年送样测试

【陈俊杰】:各位投资人大家好,我是天风半导体分析师陈俊杰,今天有幸参加由力合资本和天风证券研究所一起主办的活动,我们主要是在二级市场上做投资分析,从二级市场角度出发,对于任何一个新兴的方向都会非常关注。半导体的角度,我们认为从超越摩尔定律这条路线上来看,未来随着下游的器件高压、高频等各种性能要求逐渐的提升,新材料是非常有前途的方向,主要包括三代化合物:碳化硅、氮化镓,我们逐渐看到这些产品、材料、器件在全球范围内逐步推广。

给大家介绍一些产业链的概念,首先是高纯的粉末,粉末在单晶炉里,这个炉子和蓝宝石生产的单晶炉比较像,需要高温的环境,单晶炉里生产成碳化硅的晶锭,通过切、磨、抛三道大的工序得到碳化硅的衬底,衬底再拿到碳化硅的外延炉长碳化硅的外延,得到外延片以后拿到晶圆厂做光刻、离子注入、金属钝化、退火等。做完前道再做后道,得到一颗一颗小的芯片,芯片再送到封装厂,封装成分立器件,最后再把器件送到设备厂商,集成到各种各样的设备应用里,这是碳化硅产业链的制备过程。

市场刚才陈总也介绍了,市场容量是5亿美元左右,随着电动汽车行业的需求驱动,现在的增长速度超过30%,也有的说40%到50%,总的来说增长的速度比较快,有一个机构预测到2027年碳化硅的功率器件的市场容量可以达到120亿,还是比较可观的数字。

由于它有各种各样的优势,目前在600伏以上的电力电子领域,比如说FPC电源、光伏逆变器、新能源汽车的电机控制器、车载充电机、DC-DC及充电桩有很多的应用,随着价格的下降,在白色家电、轨道交通、医疗设备、国防军工也会得到比较多的应用。

首先介绍一下衬底,衬底是最近几年发展得比较快,很多主流厂商进入到6英寸衬底的生产环节,最新的像科锐公司已经展示了他们8英寸的衬底样品和加工好的晶圆样品,他们是在2022年、2023年左右开展8英寸的生产,走得确实是比较靠前的。

来源:金融界网站

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无论是全球还是国内大家都是朝这个方向开发和努力,我们认为这条路线在资本市场上来看也是非常有前景的,资本市场或是二级市场上有些上市公司也开始切入这块领域,给的估值也是相对比较高的,这块的市场前景是非常明朗的,确定性趋势比较强,我们非常看好碳化硅,以碳化硅为代表的第三代化合物的前景。

硅器件来说一般是IGBT的结构,对碳化硅器件一般是MOSFET的结构,有平面的DMOSFET,也有TrenchMOSFET。全世界有差不多接近20家公司可以生产碳化硅二极管,MOSFET稍微少一点,加起来有十家,其中平面的MOSFET相对更成熟一些,沟槽的MOSFET相对难度更高一些,其他几种形式的器件还不是主流的器件,现在做的人不是特别多。

碳化硅的MOSFET,10月第一款1200伏10安160豪欧的MOSFET通过所有工业级的可靠性测试,是第一家通过所有测试的,相应的参数,阻抗、阈值电压、耐压和国际知名品牌在一个水平线上,栅极经过测试寿命也在200年以上,也是符合要求的。同时我们在开发一些新型的封装,这是TO-247-4L的封装,普通的三极管的基础上,多加了SS级,可以减少整体损耗,实测的结果可以降低损耗15%到21%,这是我们所有工业级可靠性测试的结果。

如果有高压的碳化硅器件,比如说有18千伏,科技部和国家电网在做18千伏碳化硅IGBT的项目,项目成功可以把器件数量减小原来1/3,系统的可靠性会提高,这也是未来比较有前景的方向,一个换流阀需要用十几亿的IGBT器件,每年都会建几条线,一个市场可能有几亿美元的市场,是非常可观的。

器件的结构来看,碳化硅的器件结构和硅的结构是非常近的,所有硅可以做的器件,碳化硅用非常接近、非常类似甚至一样的结构也是可以做的,像二极管、MOSFET、IGBT等,结构上基本是一样的。但是也有一些区别,电压的区别,碳化硅的材料耐压性能比较好,同样的结构,碳化硅做出的电压更高,对1200伏等级来说,是用大功率器件比较多的等级。

介绍一下最近特别火的氮化镓应用就是快充,去年有30多家公司发布的基于氮化镓的快充,倍思也有相应的产品,今年小米发布氮化镓的充电器,一下子把大家的热情激发出来。他们用氮化镓的几个好处,开关频率可以很高,原来用硅的器件时,开关频率大概是200千赫兹,用到氮化镓可以达到500千赫兹,电感被动的元件可以缩小尺寸,它的损耗更小,散热要求会再降低一些,充电器的尺寸就会更小。我看到一些市场调研的报告,去年全球有300万、500万台应用氮化镓快充的产品,今年会增长更快一些,预测会达到1500万台左右的量级,增长是非常快的,氮化镓也是很有前景的行业。

免责声明:市场有风险,投资需谨慎。本资料内容和意见仅供参考,不构成对任何人的投资建议。

●今年小米发布氮化镓的充电器激发了大家的热情,去年全球有300万、500万台应用氮化镓快充的产品,今年预测会达到1500万台左右的量级。

A股有哪些碳化硅的上市公司?

短路保护的响应和动作的时间都要比较短,才能保护住器件,这是驱动器比较重要的方面,驱动器和器件两个结合起来配合才能把器件用好。

碳化硅这个器件来看,从第一代碳化硅的SBD,逐渐到现在的碳化硅MOSFET,也经历了大概二十多年的开发历程。

简单介绍一下我们公司,我们公司2016年成立,我们公司总共有70多人,大概的方向覆盖材料制备,主要是外延;芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等各方面。成立以来得到了深圳市和清华大学的大力支持,力合资本也是我们的股东,也给了我们非常多的帮助。

介绍下我们的产业布局,目前总部在深圳,深圳坪山区筹建车规级的器件封装基地。南京江北新区外延制造基地开始建设,日本名古屋是车规级模块封装研发中心,瑞典Kista是碳化硅外延研发中心,我们和国内合作伙伴进行碳化硅晶圆片制造工厂的工作。

碳化硅相对来说晶格的结构更致密一些,没办法用硅拉单晶的方法,只有在高压和高温的环境中才能生长,主流的PVT方法,大家可以看这幅图(见PPT),单晶炉里,类似一个种子样的东西放在上面,下面是碳化硅的粉末,在高温的环境下升华,升华以后凝结在上面,最后越长越大,最后长成晶锭,最后再加工成一片一片的衬底,这是目前主流的生长方法,很多大公司用这种方法。

主讲嘉宾:和巍巍,深圳基本半导体有限公司总经理,国家万人计划专家,中国半导体行业协会理事。2007年毕业于清华大学电机系,2014年毕业于剑桥大学获电力电子专业博士学位。主要研究方向为功率半导体器件IGBT及碳化硅MOSFET的仿真、设计、制造及应用,在国际著名期刊和会议上发表多篇论文,在功率半导体器件和应用领域拥有专利二十余项。

我们的主要产品是碳化硅二极管和MOSFET,其中600伏到1700伏的碳化硅二极管已经量产,650伏二极管车规正在认证中预计一两个月可以完成。1200伏的碳化硅MOSFET进入小批量的量产阶段,客户量已经不算太小,车规级碳化硅模块在去年第四季度开始上车测试,整体的产品性能还是可以达到国际的一流水平。我们有一些自己独有的技术,比如说外延生长的技术,还有一些核心的工艺,比如说沟槽的刻蚀工艺、高温栅氧工艺,这些技术可以让我们做出来的器件和进口品牌对标。

原标题:和巍巍:第三代半导体之碳化硅功率器件

和巍巍&陈俊杰圆桌对话精选

行业是否会出现供不应求的情况?是否有提价趋势?

碳化硅二极管发展的情况,二极管发展比较成熟,第一个商业化应用是在2001年英飞凌的碳化硅二极管,差不多二十年的时间,现在英飞凌的产品已经发到第六代,采用MPS、薄片、沟槽等技术,功率密度、电流密度可以做得比较高,电压现在也从600伏发展到3300伏等多个系列。

●外延的生长环节碳化硅需要的温度更高,退火的环节也需要温度更高,掺杂的浓度、粒子浓度也会有一些不同,这是碳化硅技术的难点。

| 氮化镓器件简介

1、电动汽车,一共有四个部件可以用到碳化硅,车上的有三个,分别是车载充电器OBC、DC-DC的变换器,以及DC-AC主逆变器,前面两个部件大量使用碳化硅的二极管和碳化硅的MOSFET,比亚迪和北汽新能源已经在用了,DC-AC主逆变器做得比较早的是丰田,他们2010年开始试用碳化硅的主逆变器,后面的发展可能是因为一些技术和产业的问题,没有大规模的上。第一个上的是特斯拉Model3,他是用了24个小的器件做并联,每个用的是小的单管的器件。为什么在车里,这些车企愿意用碳化硅的器件,它可以减小逆变器的体积、减小重量,它可以提升整个效率,损耗会小一些。

●电动车共有四个部件可以用到碳化硅,分别是车载充电器OBC、DC-DC的变换器,以及DC-AC主逆变器。

时 间:3月5日(周四)下午15:30-17:00

我们也看到碳化硅这些器件逐步在各个领域上得到了非常广泛的应用,可以说是非常有潜力、发展的市场,尤其是在高压电力的这块应用场景上,无论是海外还是国内,核心的龙头公司都纷纷在布局,像ST、CREE都对碳化硅的布局做得非常透。国内也有很多的公司,比如泰科天润也逐步切入这样的领域,包括今天分享的基本半导体都在往这个方向做。

工艺实现的过程中,碳化硅也有一些不同,硅是不透明,碳化硅是半透明,基台要做处理和调节。外延的生长环节碳化硅需要的温度更高,退火的环节也需要温度更高,掺杂的浓度、粒子浓度也会有一些不同,这是碳化硅技术的难点。

●受高效电源、电动汽车等行业的需求驱动,碳化硅功率器件未来市场容量将以超过30%的年复合增长率发展,预计2027年市场容量达到120亿美元。

3、轨道交通,日本的《朝日新闻》报道,今年日本新干线最新的型号N700S在牵引逆变器,主逆变器往往功率非常大,往往达到兆瓦级别,他们会用碳化硅的器件作为核心的功率器件,可以减少重量、体积,效率还可以提高。国内的中车在开展相应的研究,我看到已经有报道说,他们用了混合型的模块,开关器件用IGBT,并联的碳化硅二极管在云南的地铁线路上试运行,国内也有这方面的研究。

| 产业情况:材料优势、产业背景

我们也看到Model3开始用到碳化硅MOSFET,我们觉得碳化硅的材料随着市场关注度及应用的趋势,尤其是在新能源车的驱动下,未来会有非常大的增长空间。

功率器件来看,氮化镓和碳化硅有一些分界线,功率来看,氮化镓比较适合650V以下的电压器件,和他的器件结构是有关系的,氮化镓一般是平面型的器件,也就是说电压主要是在平面上走,不是像碳化硅一样垂直性的。另外可以从功率上来分,氮化镓一般是做1000W、3000W以下的小功率应用,比如说充电头、消费类的,大概只有几十瓦,氮化镓比较适合的,碳化硅是大功率,轨道交通上兆瓦的应用都是有的,这是应用上做的一些区分。

2、国防军工,比如说高能武器、全电装甲车的电源、飞机和舰载的电源,还有雷达电子、卫星也是可以用到碳化硅的器件。

整个市场,氮化镓的市场目前不是特别大,2019年在7000多万美元的量级,它的增长速度很快,2019年以后快充市场爆发以后,氮化镓的增长速度比较快,明年大概1.65亿的数字,这是yole的数据。

碳化硅器件的工艺开发流程,简单可以分为三个大的步骤:模拟仿真、工艺开发、测试分析。首先在仿真软件里就结构做模拟仿真,定出版图设计,设计好的版图进行真正的工艺实现,先是长外延再做工艺的加工光刻等一系列的步骤,最后得到碳化硅的晶圆片,再做几种测试,CP测试,再划片测试电性能,再做老化等可靠性的测试,最后还要做一些破坏性的测试,高温、高压的情况下,长时间的运行,分析薄弱点在哪里,再把所有测试的结果反馈给模拟仿真进行优化,优化好的结果再做一次工艺实现和分析,几个循环做起来,一般可以得到符合要求的器件。

外延方面做得比较好的是日本企业和台湾嘉晶,国内有瀚天天成和东莞天域做外延比较好。器件设计行业的公司比较多,国际上接近20家公司,国内我们认为做得比较好的有泰科天润、基本半导体,还有中电13所、55所的研究所也在做,这是产业链大概的介绍。

本期主题:第三代半导体——碳化硅功率器件技术及应用

国内几个环节与海外比较,哪个差距最大?

收到主持人的邀请,让我介绍一下氮化镓方面的工作,也是第三代半导体,我临时总结了一些内容,给大家介绍介绍,我对这方面也不是特别熟。

氮化镓的射频器件增长非常快,原来4G里很多用LDMOS做射频器件,氮化镓里是可以在6G赫兹的宏基站都可以应用到,未来的应用场景是非常明显的。已经有很多在安装的基站里使用。

碳化硅器件还能做双极型的器件,硅的IGBT现在商业化高的是6.5千伏,碳化硅理论上可以做到16千伏甚至更高的电压,实验室报最多的是25千伏的IGBT,主要应用在电网里。

MOSFET发展状况,市面上主要的还是以平面MOSFET为主,罗姆和英飞凌做沟槽的MOSFET,沟槽的MOSFET有一个优势,阻抗更小,同样的电流密度尺寸可以更小,芯片的产量可以更高、成本会低一些,我们认为沟槽也是未来的一个发展方向。

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观 点 精 要

国内的情况还算不错,一个国家可以完整的做第三代半导体碳化硅整个产业链的也没有几个国家,也就是日本、美国、中国,我们国家是整个产业链都能做,产业链每个环节和国际先进的水平还有一些差异,比如说衬底环节,国际上已经做到8寸的衬底,国内只能做到6寸。

我们还开发的全碳化硅的逆变器,基于自己的模块和自己设计的驱动器做的800VDC,150kW,方便客户进行快速的测试工作。

这是2017年、2018年意法半导体碳化硅和硅的性能对比,随着技术的进步,现在一般最新的研究认为,碳化硅可以提高三到八个百分点的效率,对汽车来说,同样的续航里程下可以减小3到8个百分点的电池损耗,大家知道电池是比较贵的,整体的系统成本可能是持平或者是下降的。

这是西安功率半导体测试中心的结果(见PPT),这几项参数,反向漏电流,正向压降基本上和进口产品是在一个水平线上,浪涌电流比英飞凌差一些,比其他的都好一些,良率也比较高,二极管可以做到95%以上,整体的一致性也做得比较好。这是一些实测参数的对比,可以看到和科锐的产品对比,基本上都是一致的。

介绍一下全球碳化硅产业链上的公司,这个产业链分为几个环节,从SiC、外延、设计、工艺、封装以及系统的集成。可以按每个公司跨越几个产业链的环节分为几种:IDM公司,比如说典型的CREE旗下的Wolfspeed,和日本的ROHM,他们横跨整个产业链。

技术上来看,纯氮化镓的衬底做到2寸,或者是4英寸小批量的过程,国内也有一些公司,苏州有一家公司做衬底。外延又分几种,碳化硅衬底长氮化镓,现在4寸往6寸转。还有硅基氮化镓,硅的衬底上长氮化镓的外延做功率器件,现在量产是台积电6寸的比较多,也有一些在做8寸的硅基氮化镓的研发和生产。

行业的层面上来说,我们认为2020年往后看,行业复合增速在40%左右,目前全球市场是在5.5亿美金左右,每年以40%的速度在增长,这是非常有潜力和增速的市场。

现在很多电网系是从交流输电往直流输电转换,转换成800千伏,1000千伏的直流输电,直流输电需要在输电线的两端建换流阀,现在用MMC级联、串联的方式,因为6.5千伏需要的器件数量非常多,器件数量一多,系统的可靠性会差一些,需要做很多的旁路和保护。

我这边长话短说,接下来把时间交给和总。和总是深圳基本半导体领导,主要是以碳化硅器件开发、功率器件开发为主,和总有非常丰富的产业经验,他的分享一定会给我们带来非常大的收获,接下来请和总讲一下关于今天的分享主题,谢谢大家!

如果一个器件包含一个缺陷,这个器件可能就是不合格的,整体的良率会降低,材料供应商想各种各样的工艺办法减少材料上的缺陷,最后做成的器件性能更好、良率也会更高。

碳化硅的功率模块的发展情况,目前市面上主流的还是老式的封装,已经用很多年的62毫米的标准封装,EconoDual封装用得比较多,这些都是为硅的器件开发的,他们没有办法把碳化硅的特性,比如说高温、高频充分发挥出来,很多厂家都在开发专用的碳化硅器件,这个是特斯拉里用的ST的技术,比如说用了银烧结,散热的效果好,芯片又进行了一些优化,工作的温度可以做得比较高,这是一些新的封装。我们公司自己也在开发面向新能源汽车的碳化硅功率模块。

● 碳化硅功率器件具有高频、 高效、 高温、 高压等优势,是下一代功率器件的发展方向。

首先给大家介绍一下碳化硅的优势,它的禁带宽度、临界击穿场强,碳化硅优越于硅2-10倍,比较适合高频的应用,IGBT工作频率在20K,碳化硅100K赫兹可以高效的运行。他的开关损耗、导通损耗小,工作温度比较高,硅的工作结温是150度到200度,碳化硅理论上可以超过200度。它还有一个特性是可以做一些比较高压的器件,可以做10kV以上的器件。

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