“功率半導(dǎo)體在節(jié)約能源方面起著重要的作用，然而之前令人無(wú)奈的是市場(chǎng)卻很小，但是，2017年世界市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)了2兆日元(約1,200億人民幣)，特別是EV、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池車(chē)等方面發(fā)展迅猛。尤其是SiC(碳化硅)被高度評(píng)價(jià)具有優(yōu)越的材料特性。”

就職于大阪大學(xué)研究生院的客座教授—-中村 孝先生發(fā)表了以上看法。中村先生從1990年到2018年在羅姆株式會(huì)社從事鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Ferroelectric Random Access Memory)、SiC 功率器件的的研發(fā)工作，是羅姆公司研究開(kāi)發(fā)總部的統(tǒng)括部長(zhǎng)。在功率半導(dǎo)體的世界里，可謂沒(méi)有人不知道他的名字。

SiC 功率半導(dǎo)體器件漸漸地開(kāi)始被車(chē)載市場(chǎng)開(kāi)始采用。(照片：infineon的SiC power device)

中村先生還說(shuō)到，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)融合電力和周波數(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)各種各樣的產(chǎn)品。在動(dòng)作周波數(shù)高的領(lǐng)域里，硅制MOSFET(金氧半場(chǎng)效晶體管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是“主角”;在家電領(lǐng)域里，反而更多使用動(dòng)作周波數(shù)更低的功率IC。從電力變換容量方面來(lái)說(shuō)，在最高領(lǐng)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(shuō)可以“變著花樣”使用。

各大公司積極進(jìn)行投資

功率MOSFET的正在擴(kuò)大用于各種電源、適配器、照明、DVD、車(chē)載等領(lǐng)域，東芝是量產(chǎn)MOSFET的大公司，據(jù)他們公司的干部說(shuō)現(xiàn)狀是，“無(wú)論怎么生產(chǎn)，都不夠用”。為了滿足現(xiàn)狀市場(chǎng)需求，在石川縣的主力工廠正在進(jìn)行超過(guò)100億日元(約6億人民幣)的擴(kuò)大產(chǎn)能工作，而且也在考慮再增加投資。

據(jù)露，東芝計(jì)劃到2020年度，將把功率半導(dǎo)體產(chǎn)能增加至2017年度的1.5倍。將以保持滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)子公司加賀東芝電子為中心增強(qiáng)設(shè)備。此外，東芝姫路半導(dǎo)體工廠(位于兵庫(kù)縣太子町)和泰國(guó)的半導(dǎo)體工廠也將加強(qiáng)組裝工序。

投資額在3年里預(yù)計(jì)達(dá)到約300億日元。東芝正在制造被稱(chēng)為“分離式(Discrete)”的功率半導(dǎo)體。該產(chǎn)品的利潤(rùn)率高達(dá)10%左右，因此東芝考慮將分離式功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的銷(xiāo)售額到2020年度增加25%，達(dá)到2000億日元。在將全年銷(xiāo)售額達(dá)到4000億日元以上的存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)出售之后，東芝為實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)重建，希望將分離式功率半導(dǎo)體培育為新的盈利業(yè)務(wù)支柱之一。

日本國(guó)內(nèi)最大企業(yè)三菱電機(jī)2018年度將以位于熊本縣和中國(guó)的主力工廠為中心，投資約100億日元。以功率半導(dǎo)體為中心的功率器件業(yè)務(wù)到2022年度力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)2000億日元銷(xiāo)售額。

富士電機(jī)也將在2018年度內(nèi)投入200億日元，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)工廠設(shè)備。開(kāi)發(fā)面向純電動(dòng)汽車(chē)、小型輕量化的功率半導(dǎo)體。該公司2017年度剛剛形成量產(chǎn)體制。2020年度以后將追加投資300億日元，希望將功率半導(dǎo)體的2023年度銷(xiāo)售額增加至現(xiàn)在的1.5倍，達(dá)到1500億日元。

羅姆公司則集中于生產(chǎn)SiC 器件，為了擴(kuò)大用于產(chǎn)業(yè)的機(jī)器和面向車(chē)載的IGBT模組，繼續(xù)進(jìn)行對(duì)位于滋賀縣石山工廠的已經(jīng)量產(chǎn)的8inch 晶元IGBT的投資。富士電機(jī)、三菱電機(jī)等公司在超過(guò)已投資金額的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)功率半導(dǎo)體進(jìn)行投資，其投資的重點(diǎn)還是IGBT。

瞄準(zhǔn)增長(zhǎng)市場(chǎng)的不僅僅是日本企業(yè)。世界最大企業(yè)德國(guó)英飛凌科技公司 (Infineon Technologies AG)3月與上海汽車(chē)合資，在上海成立了功率半導(dǎo)體模塊的制造公司。而美國(guó)半導(dǎo)體巨頭安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)也將以車(chē)載半導(dǎo)體為中心，擴(kuò)充功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。

中國(guó)的比亞迪也在日前表示，明年會(huì)將其IGBT的產(chǎn)能從現(xiàn)在的5萬(wàn)片提升到十萬(wàn)片左右。

順便說(shuō)一下，IGBT的歷史并不是很久遠(yuǎn)。1990年左右進(jìn)入市場(chǎng)，最初并未成為人們的話題。登場(chǎng)的契機(jī)居然是因?yàn)橛迷诹素S田的混合動(dòng)力車(chē)--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開(kāi)始逐漸推廣用于汽車(chē)上。

SiC功率器件以電動(dòng)車(chē)為中心，擴(kuò)展用途

以IGBT為“主角”功率半導(dǎo)體市場(chǎng)很活躍，SiC功率半導(dǎo)體也相當(dāng)備受矚目。Band gap(禁帶寬度)比硅(1.12)高3.26，熱傳導(dǎo)率也比硅(1.5)高4.9。在周波特性方面也很突出，在對(duì)應(yīng)高電壓方面也實(shí)現(xiàn)了1,200V以上?？梢哉f(shuō)，對(duì)于高電壓、高電流應(yīng)用方面是最合適的功率器件。

據(jù)中村先生說(shuō)，“羅姆公司在本田的Clarity(一款氫燃料電池電動(dòng)車(chē))上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅(qū)動(dòng)的燃料電池車(chē)，由于具有高溫條件下動(dòng)作和低損耗特點(diǎn)，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過(guò)高頻切換也實(shí)現(xiàn)了電抗器的小型化。為此，擴(kuò)大了內(nèi)部空間，豐田的燃料電池車(chē)MIRAI可以坐4個(gè)人，本田的Clarity實(shí)現(xiàn)了5人座”。

SiC功率器件的目標(biāo)市場(chǎng)是EV、混合動(dòng)力車(chē)、燃料電池車(chē)等電動(dòng)車(chē)。最近也開(kāi)始用于功率調(diào)節(jié)器(power conditioner)、工業(yè)機(jī)器的電源等方面。成本方面相當(dāng)具有優(yōu)越性。也開(kāi)始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經(jīng)使用，但是只采用了三菱電機(jī)公司的Full SiC。富士電機(jī)、日立制作所、東芝等公司還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)Full。

德國(guó)英飛凌同樣是SiC市場(chǎng)一個(gè)重磅玩家。

據(jù)英飛凌工業(yè)功率控制部門(mén)副總裁、大中華區(qū)副總裁于代輝介紹，英飛凌在SiC方面的研究已經(jīng)超過(guò)了十五年，近年來(lái)更是投入三千五百萬(wàn)歐元對(duì)SiC設(shè)備和相關(guān)工藝的研發(fā)，并和可靠6英寸SiC晶圓供應(yīng)商建立了可靠的合作關(guān)系，保證了其SiC晶圓的供應(yīng);再加上他們頂尖的研發(fā)和技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)加持，英飛凌的SiC研發(fā)進(jìn)展順利，并推出了CoolSiC系列產(chǎn)品。

據(jù)介紹，不同于市場(chǎng)上大多采用類(lèi)似平面DMOS的設(shè)計(jì)，英飛凌的SiC產(chǎn)品是采用溝槽式概念，這種設(shè)計(jì)能緩和平面溝道的極低電導(dǎo)率，為此能夠克服性能與魯棒性之間的兩難問(wèn)題。

在今年十一月，11月13日，英飛凌(Infineon)宣布，其已收購(gòu)一家名為 Siltectra 的初創(chuàng)企業(yè)，將一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)(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?qū)⒉牧蠐p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?yàn)槠銼iC產(chǎn)品被全球的電動(dòng)車(chē)明星特斯拉采用的意法半導(dǎo)體在這個(gè)市場(chǎng)的表現(xiàn)也不容忽視。在早些時(shí)候，意法半導(dǎo)體CEO在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察等媒體采訪也談到，該公司的碳化硅產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場(chǎng)占有率高達(dá)90%;

國(guó)內(nèi)的比亞迪在日前同樣宣布了他們?cè)赟iC方面的布局。據(jù)介紹，公司已投入巨資布局第三代半導(dǎo)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(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。

比亞迪宣布，他們已經(jīng)成功研發(fā)了SiC MOSFET(汽車(chē)功率半導(dǎo)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(dòng)車(chē)。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車(chē)中，實(shí)現(xiàn)SiC基車(chē)用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代，將整車(chē)性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10%。

其他諸如安森美、東芝、富士電機(jī)、三菱、、Littelfuse、通用電氣和GeneSiC等公司也都是SiC市場(chǎng)的重要玩家，他們都在摩拳擦掌，虛位以待。

晶圓完全供不應(yīng)求

功率半導(dǎo)體繼續(xù)發(fā)展以車(chē)載應(yīng)用為主要目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展IGBT、采用SiC，同時(shí)，它將在2030年成為4.5兆日元(約2,700億人民幣)的大市場(chǎng)。但是，最大的瓶頸問(wèn)題是晶片的供不應(yīng)求，尤其是SiC。

以汽車(chē)應(yīng)用為例，我們知道，功率半導(dǎo)體對(duì)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(chē)的出現(xiàn)，將這個(gè)需求推到了一個(gè)新高度。

例如在純電動(dòng)車(chē)方面，一輛tesla model x汽車(chē)需要使用84顆IGBT，這樣算來(lái)，基本上一輛車(chē)就要消耗掉一片硅片。混合動(dòng)力汽車(chē)的功率半導(dǎo)體用量相對(duì)較少，以寶馬i3為例，單輛汽車(chē)的功率半導(dǎo)體硅片消耗量約為1/4片。

預(yù)計(jì)到2022年，全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量有望突破1000萬(wàn)輛，以平均每輛車(chē)消耗1/2片硅片計(jì)算，對(duì)應(yīng)功率半導(dǎo)體硅片消耗量將達(dá)到500萬(wàn)片左右。這就給相應(yīng)的硅片帶來(lái)了供應(yīng)緊張，而今年以來(lái)的功率器件供應(yīng)問(wèn)題，也是這種情況的反應(yīng)之一。

而在面臨爆發(fā)的SiC的碳化硅，也同樣有晶圓問(wèn)題。據(jù)了解，碳化硅晶圓，光長(zhǎng)晶的時(shí)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(dá)1至2米以上)，再加上后續(xù)的加工制程也因?yàn)橛捕鹊挠绊懚鄬?duì)困難，因此其產(chǎn)能十分有限，品質(zhì)也不穩(wěn)定。

據(jù)中村先生說(shuō)，羅姆公司收購(gòu)了SiCrystal公司，實(shí)現(xiàn)了原材料的調(diào)配，但是其他廠家現(xiàn)狀非常嚴(yán)峻。

當(dāng)今，只有一半的市場(chǎng)需求得到了滿足。長(zhǎng)此以往，有可能會(huì)失去市場(chǎng)，Cree公司的供給責(zé)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(chǎn)體制應(yīng)該會(huì)手握今后發(fā)展的“鑰匙”吧。