羅姆：專注于半導(dǎo)體研發(fā)，加速發(fā)力SiC市場(chǎng)

    羅姆（ROHM）株式會(huì)社成立于1958年，其總部設(shè)立于日本京都，是一家專門從事研發(fā)、生產(chǎn)半導(dǎo)體的企業(yè)。它的產(chǎn)品涉及多個(gè)領(lǐng)域，其中包括：IC、分立元器件、光學(xué)元器件、無(wú)源元件、模塊、半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品及醫(yī)療器具。目前，羅姆在中國(guó)設(shè)有七個(gè)制造部，現(xiàn)有員工2000余人，投資總額達(dá)到340億日元。

    作為全球知名的半導(dǎo)體制造商之一，自創(chuàng)立以來(lái)，羅姆便在晶體管﹑二極管領(lǐng)域和IC等半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)。1971年，羅姆作為第一家進(jìn)入美國(guó)硅谷的日本企業(yè)，在硅谷開(kāi)設(shè)了IC設(shè)計(jì)中心，并以當(dāng)時(shí)的企業(yè)規(guī)模，憑借著“品質(zhì)第一”的發(fā)展方針，“超常思維”的創(chuàng)新理念迅速發(fā)展起來(lái)。目前，羅姆在中國(guó)主要生產(chǎn)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、DVD、PC、多功能打印機(jī)及各種音響設(shè)備的片式二極管、片式發(fā)光二極管、傳感器、半導(dǎo)體激光器、液晶顯示器等半導(dǎo)體分產(chǎn)元器件。

一、捷足先登，挖掘SiC亮點(diǎn)

    近幾年，羅姆成為世界首家開(kāi)始量產(chǎn)內(nèi)置功率半導(dǎo)體元件——全部由碳化硅組成的“全SiC”功率模塊的企業(yè)。隨著SiC在工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，市場(chǎng)對(duì)SiC產(chǎn)品的需求越來(lái)越旺盛。

    作為新一代低損耗元件，SiC功率器件進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了小型化、低功耗及高效化。目前，與Si器件相比，SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)大約是Si的10倍。因此，SiC功率器件能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層制作出600V到數(shù)千V范圍內(nèi)的高耐壓功率器件。而高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此，采用SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。并且，在相同耐壓的器件中，SiC單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300。

    為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問(wèn)題，Si材料中主要采用了如IGBT等少數(shù)載流子器件，這便存在開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會(huì)限制IGBT的高頻驅(qū)動(dòng)。而SiC材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件去實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”這三個(gè)特性。另外，由于SiC的帶隙較寬，所以即便是在高溫下，SiC功率器件也可以穩(wěn)定工作。

    但是，由于SiC的硬度比Si高很多，因此在生成晶體的時(shí)候容易出現(xiàn)缺陷，且過(guò)硬也會(huì)導(dǎo)致生成晶體的速度變得很慢。而且，在同一規(guī)格產(chǎn)品的情況下，SiC器件的價(jià)格是Si器件的5-6倍，因此阻礙了碳化硅功率器件的應(yīng)用推廣。

二、瞄準(zhǔn)SiC廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)

    作為目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，SiC主要應(yīng)用于電力電子器件、半導(dǎo)體照明、激光器和探測(cè)器等領(lǐng)域。其中，SiC在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，它主要集中應(yīng)用在高頻率、大功率的微波器件和中低壓、高壓的功率器件。

    目前，由于SiCSBD（碳化硅肖特基二極管）與SiCMOSFET組成的開(kāi)關(guān)器件已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)車牽引領(lǐng)域，展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。而早在2007年，豐田、日產(chǎn)、本田等公司首先將SiC器件應(yīng)用于電動(dòng)汽車中。同時(shí)，羅姆、三菱、東芝等半導(dǎo)體公司也針對(duì)電動(dòng)汽車需求開(kāi)發(fā)SiC產(chǎn)品，以滿足牽引逆變器小型化、輕量化、高效率的發(fā)展趨勢(shì)。

    現(xiàn)階段，雖然SiC器件的研究已經(jīng)取得了令人矚目的成果，但其性能離SiC材料本身的極限還有較大的距離。在牽引領(lǐng)域應(yīng)用方面，SiC電力電子器件還是面臨著諸多挑戰(zhàn)。應(yīng)用于牽引領(lǐng)域的SiC電力電子器件在單個(gè)芯片面積上必須在1.2cm²以上，以保證100A以上的通流能力，降低多芯片并聯(lián)產(chǎn)生的寄生參數(shù)。而目前SiC薄膜晶體中仍含有大量的微管、位錯(cuò)和層錯(cuò)等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重限制了SiC芯片成品率及大電流需求。另一方面，SiC功率器件封裝工藝及方法通常借鑒SiIGBT封裝技術(shù)，在DBC布局、芯片鍵合、高溫焊料、硅凝膠填充、密封材料等方面還存在一些問(wèn)題，不能充分發(fā)揮SiC材料高溫及高頻應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

    此外，由于SiC功率器件工藝費(fèi)用高，設(shè)備及技術(shù)僅掌握在國(guó)外少數(shù)幾家公司手中，因此，較高的價(jià)格導(dǎo)致SiC功率器件通常只應(yīng)用在Si器件不能應(yīng)用的領(lǐng)域，如高溫、輻照等，較小的市場(chǎng)和高成本也限制了SiC功率器件的發(fā)展。

    但是，隨著SiC材料技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各大廠商對(duì)SiC器件的重視，SiC電力電子器件未來(lái)幾年在成品率、可靠性、價(jià)格及封裝技術(shù)方面可獲得較大改善，將廣泛應(yīng)用于牽引領(lǐng)域，逐步展現(xiàn)出其性能和降低變流系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)牽引變流器的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的推動(dòng)作用。

采用SiC元器件的優(yōu)勢(shì)

三、重拳出擊，全SiC功率模塊面市

    在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的歷史長(zhǎng)河中，羅姆作為世界首家開(kāi)始量產(chǎn)內(nèi)置功率半導(dǎo)體元件的先驅(qū)者，始終引領(lǐng)者半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的腳步。2017年，羅姆面向工業(yè)設(shè)備用的電源、太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器及UPS等逆變器、轉(zhuǎn)換器，研發(fā)出額定1200V400A、600A的全SiC功率模塊“BSM400D12P3G002”、“BSM600D12P3G001”。

    據(jù)了解，這款新品通過(guò)利用羅姆獨(dú)有的模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了600A額定電流，由此，在工業(yè)設(shè)備中用大容量電源等更大功率產(chǎn)品中的應(yīng)用成為可能。另外，與普通的同等額定電流的IGBT模塊相比，在芯片溫度150℃的情況下，開(kāi)關(guān)損耗降低了64%，這非常有助于應(yīng)用的進(jìn)一步節(jié)能。不僅如此，由于可高頻驅(qū)動(dòng)，還有利于外圍元器件和冷卻系統(tǒng)等的小型化。例如，根據(jù)冷卻機(jī)構(gòu)中的損耗仿真進(jìn)行計(jì)算，與同等額定電流的IGBT模塊相比，使用SiC模塊可使水冷散熱器的體積減少88%。

    從SiC功率元器件的研究開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)，羅姆一直以長(zhǎng)年不斷積累起來(lái)的技術(shù)力量和高品質(zhì)為基礎(chǔ)，始終堅(jiān)持著在半導(dǎo)體領(lǐng)域的鉆研。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的不斷挑戰(zhàn)，ROHM的產(chǎn)品已經(jīng)遍及世界各地，成為業(yè)界遙遙領(lǐng)先的企業(yè)。