“功率半導體在節約能源方面起著重要的作用，然而之前令人無奈的是市場卻很小，但是，2017年世界市場規模超過了2兆日元（約1,200億人民幣），特別是EV、混合動力汽車、燃料電池車等方面發展迅猛。尤其是SiC（碳化硅）被高度評價具有優越的材料特性。”
就職于大阪大學研究生院的客座教授—-中村 孝先生發表了以上看法。中村先生從1990年到2018年在羅姆株式會社從事鐵電隨機存取存儲器（Ferroelectric Random Access Memory）、SiC 功率器件的的研發工作，是羅姆公司研究開發總部的統括部長。在功率半導體的世界里，可謂沒有人不知道他的名字。
SiC 功率半導體器件漸漸地開始被車載市場開始采用。（照片：infineon的SiC power device）
中村先生還說到，功率半導體市場融合電力和周波數，同時開發各種各樣的產品。在動作周波數高的領域里，硅制MOSFET（金氧半場效晶體管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是“主角”；在家電領域里，反而更多使用動作周波數更低的功率IC。從電力變換容量方面來說，在最高領域里，晶閘管（Thyristor）和GTO(Gate—Turn-Off)是最活躍的。用途大約位于中等地位的是IGBT模組，可以說可以“變著花樣”使用。
各大公司積極進行投資
功率MOSFET的正在擴大用于各種電源、適配器、照明、DVD、車載等領域，東芝是量產MOSFET的大公司，據他們公司的干部說現狀是，“無論怎么生產，都不夠用”。為了滿足現狀市場需求，在石川縣的主力工廠正在進行超過100億日元（約6億人民幣）的擴大產能工作，而且也在考慮再增加投資。
據日經中文網透露，東芝計劃到2020年度，將把功率半導體產能增加至2017年度的1.5倍。將以保持滿負荷運轉的生產子公司加賀東芝電子為中心增強設備。此外，東芝姫路半導體工廠（位于兵庫縣太子町）和泰國的半導體工廠也將加強組裝工序。
投資額在3年里預計達到約300億日元。東芝正在制造被稱為“分離式（Discrete）”的功率半導體。該產品的利潤率高達10％左右，因此東芝考慮將分離式功率半導體業務的銷售額到2020年度增加25％，達到2000億日元。在將全年銷售額達到4000億日元以上的存儲器業務出售之后，東芝為實現經營重建，希望將分離式功率半導體培育為新的盈利業務支柱之一。
日本國內最大企業三菱電機2018年度將以位于熊本縣和中國的主力工廠為中心，投資約100億日元。以功率半導體為中心的功率器件業務到2022年度力爭實現2000億日元銷售額。
富士電機也將在2018年度內投入200億日元，增強國內工廠設備。開發面向純電動汽車、小型輕量化的功率半導體。該公司2017年度剛剛形成量產體制。2020年度以后將追加投資300億日元，希望將功率半導體的2023年度銷售額增加至現在的1.5倍，達到1500億日元。
羅姆公司則集中于生產SiC 器件，為了擴大用于產業的機器和面向車載的IGBT模組，繼續進行對位于滋賀縣石山工廠的已經量產的8inch 晶元IGBT的投資。富士電機、三菱電機等公司在超過已投資金額的基礎上，繼續對功率半導體進行投資，其投資的重點還是IGBT。
瞄準增長市場的不僅僅是日本企業。世界最大企業德國英飛凌科技公司 (Infineon Technologies AG)3月與上海汽車合資，在上海成立了功率半導體模塊的制造公司。而美國半導體巨頭安森美半導體(ON Semiconductor）也將以車載半導體為中心，擴充功率半導體產品。
中國的比亞迪也在日前表示，明年會將其IGBT的產能從現在的5萬片提升到十萬片左右。
順便說一下，IGBT的歷史并不是很久遠。1990年左右進入市場，最初并未成為人們的話題。登場的契機居然是因為用在了豐田的混合動力車--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開始逐漸推廣用于汽車上。
SiC功率器件以電動車為中心，擴展用途
以IGBT為“主角”功率半導體市場很活躍，SiC功率半導體也相當備受矚目。Band gap（禁帶寬度）比硅（1.12）高3.26，熱傳導率也比硅（1.5）高4.9。在周波特性方面也很突出，在對應高電壓方面也實現了1,200V以上。可以說，對于高電壓、高電流應用方面是最合適的功率器件。
據中村先生說，“羅姆公司在本田的Clarity（一款氫燃料電池電動車）上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅動的燃料電池車，由于具有高溫條件下動作和低損耗特點，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過高頻切換也實現了電抗器的小型化。為此，擴大了內部空間，豐田的燃料電池車MIRAI可以坐4個人，本田的Clarity實現了5人座”。
SiC功率器件的目標市場是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車。最近也開始用于功率調節器（power conditioner）、工業機器的電源等方面。成本方面相當具有優越性。也開始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經使用，但是只采用了三菱電機公司的Full SiC。富士電機、日立制作所、東芝等公司還沒有實現Full。
德國英飛凌同樣是SiC市場一個重磅玩家。
據英飛凌工業功率控制部門副總裁、大中華區副總裁于代輝介紹，英飛凌在SiC方面的研究已經超過了十五年，近年來更是投入三千五百萬歐元對SiC設備和相關工藝的研發，并和可靠6英寸SiC晶圓供應商建立了可靠的合作關系，保證了其SiC晶圓的供應；再加上他們頂尖的研發和技術支持團隊加持，英飛凌的SiC研發進展順利，并推出了CoolSiC系列產品。
據介紹，不同于市場上大多采用類似平面DMOS的設計，英飛凌的SiC產品是采用溝槽式概念，這種設計能緩和平面溝道的極低電導率，為此能夠克服性能與魯棒性之間的兩難問題。
在今年十一月，11月13日，英飛凌（Infineon）宣布，其已收購一家名為 Siltectra 的初創企業，將一項創新技術（Cold Spilt）也收入了囊中。“冷切割”是一種高效的晶體材料加工工藝，能夠將材料損失降到最低，這能大大提升SiC晶圓的切割效率，并能降低成本。
因為其SiC產品被全球的電動車明星特斯拉采用的意法半導體在這個市場的表現也不容忽視。在早些時候，意法半導體CEO在接受半導體行業觀察等媒體采訪也談到，該公司的碳化硅產品已實現批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場占有率高達90%；
國內的比亞迪在日前同樣宣布了他們在SiC方面的布局。據介紹，公司已投入巨資布局第三代半導體材料SiC，并將整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動車領域的應用。
比亞迪宣布，他們已經成功研發了SiC MOSFET（汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等），有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代，將整車性能在現有基礎上再提升10%。
其他諸如安森美、東芝、富士電機、三菱、、Littelfuse、通用電氣和GeneSiC等公司也都是SiC市場的重要玩家，他們都在摩拳擦掌，虛位以待。
晶圓完全供不應求
功率半導體繼續發展以車載應用為主要目標，實現了擴展IGBT、采用SiC，同時，它將在2030年成為4.5兆日元（約2,700億人民幣）的大市場。但是，最大的瓶頸問題是晶片的供不應求，尤其是SiC。
以汽車應用為例，我們知道，功率半導體對硅片的消耗量巨大，一般情況下，一片8英寸硅片僅能切割70~80顆IGBT芯片。但新能源汽車的出現，將這個需求推到了一個新高度。
例如在純電動車方面，一輛tesla model x汽車需要使用84顆IGBT，這樣算來，基本上一輛車就要消耗掉一片硅片。混合動力汽車的功率半導體用量相對較少，以寶馬i3為例，單輛汽車的功率半導體硅片消耗量約為1/4片。
預計到2022年，全球電動車銷量有望突破1000萬輛，以平均每輛車消耗1/2片硅片計算，對應功率半導體硅片消耗量將達到500萬片左右。這就給相應的硅片帶來了供應緊張，而今年以來的功率器件供應問題，也是這種情況的反應之一。
而在面臨爆發的SiC的碳化硅，也同樣有晶圓問題。據了解，碳化硅晶圓，光長晶的時間，就約需要7至10天，而且生成的高度可能只有幾吋而已（硅晶棒可達1至2米以上），再加上后續的加工制程也因為硬度的影響而相對困難，因此其產能十分有限，品質也不穩定。
據中村先生說，羅姆公司收購了SiCrystal公司，實現了原材料的調配，但是其他廠家現狀非常嚴峻。
當今，只有一半的市場需求得到了滿足。長此以往，有可能會失去市場，Cree公司的供給責任雖然比較大，但是SICCAS、SICC、CETC、CENGOL、SKC等亞洲公司和昭和電工等的增產體制應該會手握今后發展的“鑰匙”吧。 |
