2014-02-19

碳化硅量产新一代功率器件产业化加速

在电能的产生、输送和分配过程中,电力传送效率和使用效率至关重要。当前,电力传输功率器件主要是基于硅材料,由于发展了30年,硅材料的物理性能已经发掘殆尽。碳化硅作为半导体界公认的“一种未来的材料”,具有巨大的发展潜力。日前,泰科天润半导体科技(北京)有限公司实现了碳化硅肖特基二极管功率器件的量产。这对我国电力电子业的长远发展具有深远意义。

碳化硅材料带来革命性变化

碳化硅材料能够抗高温,如果汽车采用碳化硅功率器件,将出现革命性变化。

碳化硅材料有着广阔的用武之地,小到电脑、家电,大到混合电动车,再大到国家电网、铁路运输、光伏产业等需要节能降耗、提高电力效率的领域都能用到。

在汽车的应用上,泰科天润总经理陈彤向《中国电子报》记者介绍:“汽车的整套水冷系统中装置的散热片重达2~4公斤,成本高、体积大、分量重,可控性较差。碳化硅材料能够抗高温,如果汽车中采用碳化硅功率器件,原来几公斤的散热片可以大幅减少甚至直接拿掉,这将是一个革命性的变化。”

对电压要求极高的工业领域碳化硅也有广泛应用空间。中国半导体行业协会前副理事长赵正平指出:“硅功率器件最高关断电压只能做到6000伏,而目前碳化硅功率器件最高关断电压可做到20万伏。我国智能电网建设要求使用关断电压在万伏以上的功率器件,单个硅功率器件是无法达到要求的,碳化硅功率器件却能轻松胜任。”

此外,碳化硅在绿色能源发展中可以起到支撑作用。中国电器工业协会电力电子分会常务副理事长肖向锋表示:“现在煤和石油越来越紧缺,能源危机是我国面临的极大考验。国家倡导绿色能源,发展光伏发电、风能发电。如果碳化硅功率器件发展起来,能大大提高电力传送效率和使用效率,能源危机有可能缓解。”

碳化硅出色的性能优势,能够为我国的社会发展建设发挥出不可或缺的支撑作用。碳化硅的出现,也为全球半导体功率器件产业开辟了更为广阔的发展空间。因此,发展碳化硅材料,成为了全球半导体企业的共同选择。

我国实现量产打破国外垄断

泰科天润公司实现碳化硅肖特基二极管多个功率器件量产,产品涵盖600V~3300V等中高压范围。

在全球碳化硅市场的发展格局中,欧、美、日抢先一步,早在2003年左右就实现碳化硅功率二极管的商品化。

对于碳化硅行业的整体发展情况,陈彤向记者介绍:“美国是全球碳化硅的老大,所占市场份额最大。英国的主导产品还是硅,碳化硅的发展正在积累中。日本企业比较特殊,从材料做到终端产品,不会单独卖中间某个配件。”

此次国内企业泰科天润公司实现碳化硅肖特基二极管多个功率器件量产,产品涵盖600V~3300V中高压范围,其中600V/10A、1200V/20A等产品的成品率达到国际领先水平,600V/50A、1200V/50A实现量产突破,1700V/10A、3300V/5A两个产品也已经完成研发。

从无到有,实现碳化硅量产需要克服诸多挑战。陈彤指出:“一是来自硬件设备层面的挑战。目前使用的加工设备均为通用设备,并没有专为碳化硅材料定制的。二是来自人才方面的挑战。在碳化硅没有实现量产的情况下,相关人才也是空白的。三是来自管理方面的挑战。由于量产涉及到工艺控制,半导体各个环节都要做得非常精准,才能做出稳定且成品率高的产品。”

碳化硅功率器件的量产,打破了国外技术垄断。赵正平告诉《中国电子报》记者:“虽然我国在硅材料的发展上和国外差距较大,但是在碳化硅材料的推进上起步较早,现在已经看到希望。”他进一步指出:“当前国内另一家企业型研究所,中国电科55所也已做出碳化硅二极管和结型场效应功率管,并即将量产。”

我国碳化硅功率器件的量产,使我国进入了碳化硅发展的队列中,与欧、美、日并肩同行。为了使我国碳化硅产品在与国外企业竞争中具有竞争力,未来还需要有更多的国内企业加入进来,相关配套支撑环节完善,才能实现规模效应。

三大举措推进产业化

碳化硅量产为我国提供了后发优势,对碳化硅产业来讲,发展的契机就在这几年。

推动碳化硅功率器件的发展,需要尽早实现产业化。对于中国来说,拥有时间上的契机点。

陈彤指出:“碳化硅产品量产为我国提供了后发优势,2014年对整个碳化硅产业来讲非常关键,契机点就在当下几年。一是全球半导体产业并不在高峰期,碳化硅市场并没有真正启动;二是最大的市场在中国,目前国外厂商都在等中国市场成熟。我国需要利用好这个时间差,尽快推进碳化硅的成熟。”

对于如何加速碳化硅产业化步伐,赵正平认为:“国家已将碳化硅单晶材料和功率器件作为重点新材料和器件列入国家科技重大专项之中。未来需要做好几个关键环节:一是碳化硅产业基础部分的单晶要国产化。做碳化硅功率器件需要较大尺寸的无微管缺陷的单晶片。由于技术垄断,在2004年左右一片2英寸的碳化硅单晶片国外卖给我们要5万元。现在国内的3英寸碳化硅单晶片已有小批量供货,国外的价格在逐步下降,但一片3英寸单晶片也要1.7万元。如果国内实现碳化硅单晶的产业化,价格可以降到每片6000元。二是建立一条成熟的碳化硅功率器件生产线,有了生产线,才能生产出产品。三是要与应用相结合。国外更早一步进入碳化硅市场,作为后来者,只有产品比对方做得好、更便宜,才能在市场上站住脚。”

碳化硅材料的发展程度对我国至关重要。陈彤指出:“碳化硅的发展好坏,决定我们能否在下一个30年掌握主动权,站在全球功率器件的高端领域。如果这一步没有跟上,我们有可能重蹈硅功率器件的老路,高利润环节被国外企业垄断。”

在硅材料兴盛的30年中,由于我国起步较晚,功率器件产业一直处在被动局面。碳化硅材料的发展,提供了一次重新洗牌的机会。由于当前全球半导体产业处在低迷时期,碳化硅市场没有成熟,中国有一个难得的契机点。当前,抢占时间点,推动碳化硅功率器件的产业化步伐势在必行。

(来源:中国电子报、电子信息产业网)


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