兩大巨頭聯(lián)手，全因看好功率器件未來前景

據(jù)外媒報道，在羅姆近日召開的財務(wù)業(yè)績發(fā)布會上，公司總裁Isao Matsumoto（松本功）宣布，將于今年6月開始與東芝在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)方面進行業(yè)務(wù)談判，預(yù)計談判將持續(xù)一年左右。

兩家公司旨在加強旗下半導(dǎo)體業(yè)務(wù)全方面合作，涵蓋技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、采購和物流等領(lǐng)域。

松本功表示：“東芝和我們的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)在包括產(chǎn)品組合在內(nèi)的各個方面都非常平衡且高度兼容，我們希望就如何創(chuàng)造這種協(xié)同效應(yīng)提出建議。”雙方設(shè)想通過批量采購?fù)ㄓ迷O(shè)備和零部件、相互銷售內(nèi)部設(shè)備以及相互外包產(chǎn)品銷售來降低成本。


東芝與羅姆聯(lián)手開發(fā)碳化硅功率器件

據(jù)了解，2023年12月，東芝從東京證券交易所退市，日本產(chǎn)業(yè)合作伙伴公司（JIP）等企業(yè)財團將其收購。這一過程中，羅姆出資3000億日元（折合人民幣約139億元），成為了最大的投資者，為后續(xù)雙方合作埋下了伏筆。

同月，羅姆和東芝宣布將合作生產(chǎn)碳化硅（SiC）和硅（Si）功率半導(dǎo)體器件，這一計劃還得到了日本政府的支持。

該計劃旨在讓羅姆和東芝分別對SiC功率半導(dǎo)體和Si功率半導(dǎo)體進行重點投資，依據(jù)對方生產(chǎn)力優(yōu)勢進行互補，有效提高供應(yīng)能力。項目總投資為3883億日元（折合人民幣約180億元），其中政府將支持1294億日元（折合人民幣約60億元），占比高達三分之一。羅姆旗下位于宮崎縣的工廠將負責(zé)生產(chǎn)SiC功率器件和SiC晶圓，而東芝旗下位于石川縣的工廠將以生產(chǎn)Si芯片為主。

此外，羅姆計劃在2027財年之前，對SiC業(yè)務(wù)整體投資5100億日元（折合人民幣約237億元）。到2027財年，羅姆預(yù)計SiC功率器件的銷售額將增長到2700億日元（折合人民幣約125億元），是2022財年的9倍。由東芝負責(zé)傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體業(yè)務(wù)將使羅姆公司能夠把投資重點放在更尖端的SiC產(chǎn)品上。


高壓平臺提升零件技術(shù)要求，碳化硅功率器件脫穎而出

高壓平臺帶來高難度要求，重要零件需隨之升級。

高壓平臺將給整車零部件系統(tǒng)帶來多種高難度要求， 例如更高絕緣工作電壓等級的承受能力、 更低水平的導(dǎo)通損耗等等。因此， 電驅(qū)系統(tǒng)、 車載電源等作為零件系統(tǒng)中的重要部分， 需要相應(yīng)升級以滿足上述要求；而功率器件作為重要組成部分， 對于電驅(qū)系統(tǒng)、 車載電源等部件的升級具有重要影響。

硅基IGBT性能接近極限， 碳化硅功率器件有望形成替代。

目前， 大多數(shù)功率模塊采用硅基IGBT技術(shù)。但硅基IGBT的功率密度正接近極限， 同時隨著整車平臺電壓的提高， 硅基IGBT的開關(guān)損耗將會加大。在此背景下， 碳化硅（SiC） 功率器件的應(yīng)用逐步擴大。相較硅基IGBT， 碳化硅器件具備多方面優(yōu)勢， 尤其在電控逆變器、OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。

碳化硅較硅具備性能優(yōu)勢，有效滿足高壓平臺零件需求。

作為第三代半導(dǎo)體材料的代表， SiC 具有大禁帶寬度、高擊穿電場強度、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)良特 性。SiC 的禁帶寬度（ 2.3-3.3eV）約是 Si 的 3 倍，擊穿電場強度（ 0.8 × 106/-3 × 106/） 約是 Si 的 10 倍，熱導(dǎo)率（ 490W/(m·K)）約是 Si 的 3.2 倍，可以滿足高溫、高功率、高壓、高頻等多種應(yīng)用場景。

與硅基半導(dǎo)體材料相比，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射能力等特點，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

Si 材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約 2~2.5 次方的比例增加），因此 600V 以上的電壓中主要采用 IGBT。IGBT 通過電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET 還要小，但是同時由于少數(shù)載流子的積聚，在 Turn-off 時會產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。

SiC 器件漂移層的阻抗比 Si 器件低，不需要進行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以 MOSFET 實現(xiàn)高耐壓和低阻抗，而且MOSFET 原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用 SiC-MOSFET 替代 IGBT 時，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。另外， SiC-MOSFET 能夠在 IGBT 不能工作的高頻條件下驅(qū)動，從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。與 600V~900V 的 Si-MOSFET 相比， SiC-MOSFET 的優(yōu)勢在于芯片面積小（可實現(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小，主要應(yīng)用于工業(yè)機器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)換器中。

以 80kW EV 為例， ST 測算了 SiC MOSFET 與 Si IGBT+二極管方案下的牽引逆變器功率損耗。歸因于 SiC 更優(yōu)的 FOM 參數(shù)性能， SiC MOSFET 在更高的結(jié)溫情況下?lián)p耗減少更多， 合計導(dǎo)通損耗后相比硅基方案減耗 40%。


功率器件前景提升

隨著新能源汽車的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點。碳化硅器件在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中主要應(yīng)用在電機控制器（電驅(qū)）、車載充電機OBC、DC/DC變換器以及充電樁，碳化硅器件相比硅基器件有更優(yōu)越的物理性能，體積小，性能優(yōu)越，節(jié)能性強，同時緩解了續(xù)航問題，更適應(yīng)新能源汽車增加續(xù)航里程、縮短充電時長、提高電池容量、降低車身自重的需求。近年來，我國新能源汽車市場快速發(fā)展。2024年1-3月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成211.5萬輛和209萬輛，同比分別增長28.2%和31.8%，市場占有率達到31.1%。

在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 與碳化硅 SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢。

與硅基半導(dǎo)體材料相比，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射能力等特點，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024-2029全球及中國SiC和GaN功率器件市場洞察報告》顯示，2023年全球SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模為21.2億美元，受益于新能源汽車及光伏領(lǐng)域需求量的高速增長，預(yù)計2024年全球SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)計將達26.6億美元。