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碳化硅(SiC)代工业务即将兴起?

2020-01-29 11:35:22 来源:EETOP、semiengineering

然而,对碳化硅代工供应商和他们的客户来说,要想在市场上取得显著的进展并不容易。它们正面临来自Cree、英飞凌(Infineon)、Rohm和意法半导体(STMicroelectronics)等传统SiC器件供应商的激烈竞争。

在SiC中,集成器件制造商(IDM)占据主导地位。Cree,Rohm和其他公司在自己的工厂生产器件,并以自己的品牌名称出售。
SiC代工业务刚刚起步。不过,在某些时候,SiC代工厂希望复制成功的硅代工厂的模式。在这种模式下,许多芯片公司将其IC生产外包给了台积电、三星、GlobalFoundries和SMIC等硅代工厂。这些硅代工供应商未参与SiC的代工。目前SiC代工业务仍然很小。
YoleDéveloppement分析师Hong Lin说:“当您谈论硅代工厂模式时,它是非常成功的。” “我并不是要说碳化硅的代工没有机会。在功率半导体行业,如果我们关注当今的IGBT设计,这里有很多代工厂,但这更多是IDM业务。”
  • X-Fab(德国)在其位于美国的晶圆厂中的SiC代工能力翻了一番。

  • Clas-SiC(英国),Episil(中国台湾),三安(中国)和YPT(韩国)最近进入了SiC代工业务。

  • 一些IDM和硅代工厂也在探索市场。
“在我们的预测中,2020年仍将增长,” Yole的Lin说。“如果我们看看5年的复合年增长率,它接近30%。如果我们看一下今年,有一些产品将继续上升。但真正的增长,尤其是汽车市场的增长,要晚一些,而不是在2020年。
SiC也具有竞争力。几乎有两个碳化硅器件供应商参与了该业务的竞争。“市场仍然非常新生。我们仍处于阶段,在这里看到越来越多的公司。我们可能会看到它进入整合阶段。” 预测无晶圆厂公司是否成功还为时过早。今天,现在说还为时过早。”
SiC功率半导体是市场上许多类型的功率器件之一。功率半导体是用作开关的专用晶体管。它们允许电源在“开”状态下流动,并在“关”状态下截止。这些器件提高了效率,并将系统中的能量损失降至最低。
IGBT用于400伏至10千伏的应用,包括:汽车、工业和其他应用等。
UMC公司市场营销副总裁Steven Liu表示:“由于SiC和GaN与诸如功率MOSFET和IGBT的硅基同行相比,具有更高的效率和更小的外形特性,因此它们是电力半导体市场上很有前途的元件。” “在具有相同的相对电压和电流处理能力的情况下,器件的尺寸可以小得多。GaN已经在600伏及以下的应用中取得进展,而SiC已经在1200伏特及以上的应用得到了更多的进展。”
目前SiC的缺点是成本,该器件比功率MOSFET和IGBT更加昂贵。
功率半导体与数字CMOS芯片不同。它们可以承受系统中的高压和大电流。
半功率段是不同的。UMC的刘表示:“许多代工厂为包括UMC在内的客户提供MOSFET / IGBT生产服务。” “但是,就出货量而言,IDM仍然继续主导分立IC。”
每个fabless客户可能有不同的工艺过程。因此,代工厂必须为众多客户移植和维护不同的流程。
有几个原因。简而言之围绕代工厂中的工艺开发和优化了给定的设备。器件和工艺在工厂中是紧密耦合的。因此,重点是开发专有流程,而不是IC设计。实际上,设计和过程是相同的。
因此,从传统的角度来看,SiC功率器件不是一个真正的电路。Palmour说:“这是一堆并联的小离散MOSFET。” 
并非所有IDM都一样。一些是垂直整合的。例如,Cree制造自己的SiC衬底。它不仅将基材用于自己的产品,而且还将其出售给竞争对手。此外,Cree制造并销售SiC设备给客户。
很多IDM并不是垂直集成的。大多数都从Cree,Rohm或第三方供应商那里购买基板。
最大的挑战是SiC衬底。它太贵了,从而推高了SiC功率器件的成本。KLA产品营销经理Mukund Raghunathan表示:“我们在SiC市场上看到的一个关键挑战是,以合理的价格为为任何公司的生产计划确保高质量的基板。”
ASE公司业务发展高级副总裁Rich Rice说:“与硅相比,碳化硅存在很多挑战,碳化硅更加难以处理,研磨和锯切。”
在SiC晶片工艺之后,在衬底上生长外延层。然后在晶圆厂中对晶片进行处理,从而制成SiC器件。
谈到晶圆处理和等离子蚀刻,对于非平面SiC器件,沟槽轮廓有两种选择。用户要求没有微沟槽(平底)或底部倒圆(试管形状)的沟槽。SPTS总裁兼KLA高级副总裁Kevin Crofton表示:“无论使用哪种轮廓,都需要使用端点来将蚀刻前沿停止在正确的深度。” “对于SiC器件,通过PVD进行膜沉积与硅MOSFET线中使用的非常相似。在这两种应用中,设备制造商都希望沉积无缺陷的厚(大于4微米)铝合金。挑战之一是不使用须晶就以高速率沉积这些薄膜。另一个挑战是跟踪和对齐晶圆处理系统周围的透明晶圆,特别是使用旧式硬件。”
fabless模式
在CMOS中,这种关系通常称为fabless代工模式。该模式于1980年代首次引入。
KLA的Raghunathan说:“fabless模式允许初创企业和较小的公司测试其产品而无需大量的工艺设备投资。” 相反,传统的晶圆厂保留了成为主要客户首选战略供应商的优势。两种模式都在发挥各自的优势,满足当前行业格局的各种需求,并找到共存的方式。”
作为其努力的一部分,PowerAmerica在2016年为X-Fab提供了支持,该工厂正在(并且仍在)在其德克萨斯州150毫米晶圆厂开发SiC代工服务。X-Fab与PowerAmerica合作,设计了用于制造SiC器件的工艺套件和其他技术。
今天,X-Fab已与数个SiC客户一起投入生产。但是建立SiC代工业务带来了一些挑战。X-Fab业务部经理ChristopherToelle表示:“需要进行投资以在批量生产之前提供相当大的支持创建合适的代工基础设施以适应SiC电力客户的需求也很重要。”
  • 开发与现有代工有竞争力的成本结构。

  • 说服IDM通过代工厂的生产来补充其内部能力。

  • 引入合适的人才来开发和安装新的流程。
拥有晶圆厂很有意义。但据UnitedSiC称,除非每月可以处理10,000至30,000个SiC晶片,否则建造一个晶圆厂在经济上没有意义。
拥有代工厂只是其中的一部分。“作为一家fabless公司,您必须购买基板并在其上进行磊晶处理。然后,您需要代工厂和封装厂。” Dries说。“作为一家fabless公司,我们如何与更大的垂直整合竞争对手竞争?您必须创新垂直整合的竞争对手。这正是我们所做的。我们拥有当今世界上最低的特定导通电阻设备。”
不过,有些客户在与fabless公司打交道时可能会有些不快。为了帮助解决问题,UnitedSiC具有强大的后盾。ADI已投资了UnitedSiC,并与该公司签订了供应协议。
还有其他障碍。在CMOS中,许多IDM停止建造高级晶圆厂,因为它们太贵了。相反,许多IDM决定将其部分或部分生产外包给代工厂。目前尚不清楚外包模式是否适用于SiC IDM。
显然,由于电动汽车市场的潜在需求,SiC是一个热门市场。反过来,这吸引了越来越多的新参与者,包括设备制造商和代工厂。
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