SiC的市場格局及其帶來的工程挑戰
碳化硅(SiC)是近五年以來備受關注的第三代半導體，SiC功率器件的研發從1970年代就開始了，到了1980年代，SiC晶體質量和制造工藝獲得了大幅改進，90年代末，除了美國之外，歐洲和日本也開始投入資源進行研發。此后，行業開始加速發展。
到2001年英飛凌推出了第一款SiC器件------300V~600V(16A)的SiC肖特基二極管(SiC SBD)，接著科銳（Cree）在2002年推出了600V~1200V（20A）的SiC肖特基二極管，主要用在開關電源控制和和電機控制中，隨后ST、羅姆、飛兆和東芝等都紛紛推出了相應的產品。而SiC晶體管（SiC JFET）和SiC MOSFET則分別在2006年和2011年才面世。
最近幾年，由于MOSFET技術開始被市場所接受，包括心理門檻和技術門檻，SiC市場開始了較快地增長。根據2019年Yole發布的SiC市場報告，2018年SiC的市場規模約為4.2億美元，該機構預計SiC市場的年復合增長率為29%，也就是說到2024年，SiC的市場規模將達19.3億美元。
SiC玩家有哪些？
與集成電路的制造類似，SiC器件的生產也有IDM和Fabless模式兩種。目前主要以IDM模式為主。SiC產業鏈包括上游的襯底和外延環節、中游的器件和模塊環節，以及下游的應用環節。因此，SiC產業鏈內的玩家其實有不少，其中份額最大的當屬美國的Cree，根據Yole最新的報告，它占了整個SiC功率器件市場的62%，它具有多年的SiC襯底生產經驗，它旗下的Wolfspeed也是一家射頻和功率器件公司擁有垂直一體化的生產能力。
圖2：SiC電力電子器件產業鏈企業。（來源：長江證券）
在器件和模塊方面，目前技術最強的還是羅姆、英飛凌和Wolfspeed等國外廠商。國內的廠商技術與他們相比差距還比較大，國內主要還是做SiC肖特基二極管為主。不過好消息是，差距在縮小，也內人士認為，差距的原因主要是國內起步比較晚，研發也就做了十年左右，而國外企業的研發至少已經做了25年了。SiC技術，尤其是SiC二極管技術，不是特別復雜，只要企業愿意去做，沉下心去做，幾年后基本就可以做穩定了，但SiC MOSFET的技術要更難，要追上來需要更長的時間。像現在的泰科天潤的SiC二極管產品已經在國內賣了很多年了，也獲得了行業的一些認可。
在代工廠方面，目前SiC產業內還沒有真正的代工廠，據說也沒有有產線的企業愿意給別人代工。所以國內的SiC Fabless企業一般都是要去找***的代工廠商，比如漢磊科技。國內的基本半導體就是一家Fabless的SiC企業。
這幾年，國內有不少企業新進入了SiC領域，其實要想在SiC領域活下來，也不容易。首先要有足夠的資金投入，因為它是一個高投入的行業，據業內人士透露，不說其他投資，就一個SiC制造廠的水電費，一個月也得200多萬，因此，沒有足夠的資金支持是很難堅持下去的；其次是上下游的支持情況，上游能否拿到好材料，器件在下游能否賣出去，開始可能需要自己投資，對市場有一定的掌控力。三是技術團隊很重要。
當然，國內的SiC企業有一個最大的問題，那就是上游材料不能把控，存在進不到貨的問題。現在高端的襯底和外延片基本都是需要進口的。但如果上游國內自主襯底和單晶廠商能取得突破，相信過幾年情況就能好轉了。
SiC帶來的工程挑戰
我們都知道SiC的好處是具有更低的阻抗、更高的運行頻率和更高的工作溫度。比如SiC的開關頻率一般為10KHz~10MHz，且還在發展中；其理論耐溫超過了400℃，即使受目前封裝材料所限，也能很容易做到225℃。
當然，更高的耐高溫有好處，比如無需水冷，可以把設備的尺寸做得更少。但它的這些特性其實也會帶來一些其他的工程挑戰。比如當SiC器件工作在225℃時，其他周邊器件該如何處置，要都用能耐這么高溫的器件，那成本又是一個大問題。
來自CISSOID的首席應用工程師Abel Cao曾總結了SiC功率器件的應用給工程設計帶來的挑戰。在他看來主要有五大挑戰。
一是結構設計和導熱設計。傳統工藝主要采用DCB導熱襯底、Die組合、引線鍵合、模塑填料或者灌封的方式進行結構設計，這些多數為單面散熱，雙面的效能有限；Die的空間位置，決定了散熱差異和寄生電容差異。這些都不適合SiC器件的結構和散熱設計了，SiC的高溫，需要新封裝材料和工藝。
二是雜散電感和分布電容。按照目前的拓撲結構，分支太多，寄生電感太大，各個支路寄生電感不一致，熱不平衡。
四是可靠性設計和壽命規劃。這包括在目標環境溫度下，要求的壽命期限；高溫壽命模型；以及如何驗證的問題，因為目前民用好像還沒有175℃的試驗標準。
五是系統設計的演進能力。這包括新品的持續演進和產品概念的持續演進。
結語
SiC功率器件隨著技術的進步和市場接受度的提高，開始進入了快速成長期，這期間肯定會有不少新的進入者參與到這個市場當中，也會出現一些新的應用，希望這些新的進入者能夠耐得住寂寞，能夠給整個產業鏈賦能，共同將這個產業做大，做好。
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