Annons

Asien och USA dominerar brett bandgap

Konferensen IWBGPEAW 2017 arrangeras årligen i ett samarbete mellan RISE Acreo, SiC Power Center (ett initiativ av RISE Acreo, KTH och Swerea Kimab), Yole Développement, Energimyndigheten, Enterprise Europe Network och Green power electronics.
USA, Japan och Kina fortsätter att stärka sina marknadspositioner inom halvledare för brett bandgap (WBG, Wide Band Gap). I en första rapport från IWBGPEAW tar vi upp marknadens utveckling. Hong Lin, senior analyst vid Yole Dévelopement (foto nedan) gav en sammanfattning på konferensen.

Hong_Lin

Konferensen inleddes av professor Mietek Bakowski, senior expert vid RISE Acreo som betonade SiC- (SiC, kiselkarbid) och GaN-halvledarnas (GaN, galliumnitrid) stora betydelse för att minska klimatpåverkan tack vare att de starkt kan bidra till ökad verkningsgrad i kraftelektronik.
– Energibesparing är i ett samhällsperspektiv den viktigaste tekniska fördelen med brett bandgap. Vi möter dock fortfarande utmaningar i att få en kostnadseffektiv tillverkning av komponenter, kapsla komponenter samt utveckla driv- och styrkretsar. Långsiktiga strategiska program och initiativ behöver vi, helt enkelt för att det är det snabbaste och mest effektiva sättet att främja samarbete mellan akademin och industrin och för att motivera och involvera nya industripartner.  Vi skall heller inte glömma det internationella samarbetet. Utmaningarna är trots allt globala!
Mietek_Bakowski
Mietek Bakowski
Energimyndigheten har i år lanserat ett program för utveckling av WBG-baserade produkter och applikationer. Vi välkomnar det som ett viktigt steg i rätt riktning. Energimyndigheten tillhandahåller också direkt ekonomiskt stöd till denna workshop, som börjar i år.

Kina satsar på WBG
Under 2015 formade den kinesiska regeringen en expertgrupp och bildade ett kontor för att hantera projekt inom WBG. Projektet ”Strategic Advanced Electronic Materials har rullat sedan 2016 och i år inleds projektet ”National Science and Technology Innovation Project 2030”.  Regionalt kan man se den här uppdelningen av utvecklingen av WBG i Kina:
* Beijing-Tianjin-Hebeiregionen: Här sker den starkaste utvecklingen i hela SiC-kedjan. Ett antal ledande tillverkare gör applikationer.
* Yangtzeflodens delaområd: Här görs applikationer inom kraftelektronik och smart belysning, GaN-substrat, chip- och komponenttillverkning.
* Pärlflodens deltaområde: LED-belysning och displayteknik, samt konsumentelektronik och RF-tillämpningar dominerar.
Kina satsar stort på smart belysning, med LED styrda via Internet för att tillsammans bilda ”smarta” städer. År 2020 är det meningen att Kina skall bli den ledande nationen inom detta, där man med 70 procents penetration av belysningen skall kunna spara 340 miljarder KWh!

Japan tidigt ute
Den japanska industrin var tidigt ute med att använda SiC i produkter för att höja verkningsgraden. Redan 2012 hade tågen i Tokyos tunnelbanelinje Ginza omformare med SiC-halvledare från Mitsubishi. 2015 installerades AC-omvandlare för 25 000 V i snabbtågen för sträckan ”JR central new Tokaido”.
Fuji Electric HP tog 2014 fram en 450 kW hybridmodul för solceller. Övergången från kisel till kiselkarbid gjorde att utrustningen kunde utformas hälften så stor.
Japan inledde sin materialforskning på halvledarmaterial med brett bandgap redan 1970.
Senaste utvecklingen inom den organisation som leder 15 forskningsinstitut, AIST, är en process för att framställa 6 tums SiC wafer på 9 timmar och 40 minuter, vilket är en tredjedel till en fjärdedel jämfört med konventionell teknik. Man har också tagit fram nya strukturer för att kunna åstadkomma en ”trench” MOSFET som blockerar 3800 V och har en on-resistans av 8,3 mOhmcm2. För att klara ännu högre spänningar har man åstadkommit en IGBT med 16,4 kV blockeringsspänning och 8 mOhmcm2 on-resistans.

PowerAmerica
Namnet PowerAmerica talar för sig självt. Det är ett institut som amerikanska energidepartementet har bildat för att kommersialisera WBG-produkter. PowerAmerica inledde sin verksamhet 2015 med 140 miljoner dollar i anslag under fem år. Det administreras av North Carolina State University i Raleigh, NC USA.
* Den mest kända medlemmen, CREE-Wolfspeed, var tidigt ute med en vertikal process som omfattar tillverkning av SiC-wafers, till epitaxi, till färdiga komponenter. 2016 omsatte Wolfspeed (som ingår i CREE) 171 miljoner dollar. Då var det meningen att Infineon skulle köpa Wolfspeed. Avtalet var klart men försäljningen stupade på att amerikanska regeringen motsatte sig affären.
Wolfspeed kvalificerar nu en 3,3 kV SiC MOSFET med 45 mOhm on-resistans och en 10 kV/350 mohm SiC MOSFET är på gång. De utvecklar även moduler som bygger på dessa MOSFET.
* X-FAB är ett foundry för både Si och SiC på 150 mm wafer. X-fab utnyttjas av såväl ABB, GeneSiC, Monolith, USCi, Global power som NCSU.
* Monolith Semiconductor Inc samarbetar med Littlefuse för att ta fram 1200 V SiC Schottkydioder för 5 och 10 A.
* GeneSiC har demonstrerat prover av 1200 V/200 A SiC Schottkydioder, tillverkade av X-fab.
* USCi har utvecklat en 40 mOhm 1200 V planar MOSFET.
* ABB låter tillverka 3,3 kV SiC Schottkydioder i X-fab.
* Navitas, tillverkare av spänningsomvandlare, har ersatt sin 15 W Si-baserade omvandlare med en omvandlare som är helt uppbyggd med GaN-halvledare. Senaste 25 W-modellen har 1 MHz switchfrekvens och 95 procents verkningsgrad.
* Texas tekniska universitet har inom sitt centrum för pulsad effekt och för kraftelektronik undersökt tillförlitligheten hos en SiC JFET. En sådan har klarat 2,4 miljoner 1200 V pulser vid 150 °C. Toppströmmen var 13 gånger större än specificerad strömtålighet och toppeffekten 68,2 kW!
Kiselkarbid, i stället för kisel, kan spara mycket energi tack vare ökad verkningsgrad. Högre värmetålighet tillåter dessutom kompaktare konstruktioner. Ett strålande exempel på det är den lastmaskin, JDES 644K, som John Deere har tagit fram med stöd av personalen vid DOE och PowerAmerica.  Lastaren innehåller en omformare som levererar 18 kW/liter.
Ett annat högeffektprojekt inom PowerAmerica står ABB för: 100 kW avbrottsfri kraft (UPS) med 98 procents verkningsgrad.

Ökande marknad för WBG
Marknadsanalysföretaget Yole Dévelopement, en av konferensens arrangörer, bedömer att marknaden för SiC-dioder årligen ökar med 14 procent och SiC-transistorer med 42 procent, under åren 2016 till 2021. Det skulle betyda en marknad för SiC-dioder på 300 miljoner dollar och för SiC-transistorer på 230 miljoner dollar år 2021. Jämfört med kisel är det fortfarande litet, men i ett klimatperspektiv viktig tillväxt.  SiC-marknaden väntas då vara ungefär 3 procent av marknaden för kiselhalvledare.
Totalmarknaden för effekthalvledare sjönk under 2015 för att åter stiga 2016. Från 2015 till 2016 ökade marknaden för moduler med 7 procent, IGBT med 12 procent och olika typer av FET med 6 procent.
Fördelningen mellan olika världsdelar ändrades mycket litet från 2015 till 2016. Kina dominerar med 39 (41) procent av marknaden för effekthalvledare, Japan 17 (15)procent, Stilla havsområdet 18 (18) procent, Europa 18 (18) procent och Amerika (nord- och syd) 8 (8) procent.

GaN gör en inbrytning
Fortfarande är marknaden för GaN-halvledare mycket liten, men den ökar snabbare än SiC-marknaden. Fördelningen år 2021 väntas vara Si 94,5 procent, SiC 3,8 procent och GaN 1,7 procent av totalmarknaden för effekthalvledare.
Transistormarknaden 2016 är i stort sett uppdelad i SiC-komponenter över 600 V och GaN- komponenter under 600 V. Yole spår att GaN-transistorer kommer att täcka mycket låga spänningar upp till 900 V och att SiC täcker 600 V till över 3,3 kV år 2020. I området kring 400 – 900 V kommer SiC att konkurrera med GaN.
Si-marknaden domineras av MOSFET upp till ca 600 V, IGBT från 600 till 1,7 kV och däröver av tyristorer.
Marknaden för effekthalvledare kan enligt Yole uppdelas i följande segment: 400 – 900 V utgör 69 procent, 1,2 kV – 1,7 kV står för 20 procent, 2 – 3,3 kV hade 7 procent av marknaden medan 3,3 kV stod för 4 procent.

Stort tillskott
Antalet tillverkare av SiC-dioder ökade från 17 till 22 förra året. De nytillkomna är Littlefuse Inc, WeEn Semiconductor, IXYS, Caly Technologies.  Övriga är Central Semiconductor Corp, GeneSiC Semiconductor, Global Power Technologies group, Infineon Technologies, Microsemi power products group, Rohm semiconductor, Sanken, STMicroelectronics, Toshiba semiconductor and storage, Cree/Wolfspeed, Faircild/On semiconductor, Fuji electronic, USCi, Global power technologies Co, Hestia power, Bruckewell Technology Corp och Renesas.
I april 2017 fanns det följande kommersiella (av Yole kända) tillverkare av SiC MOSFET: Microsemi power products group, Rohm semiconductor, STMicroelectronics, Cree/Wolfspeed, Infineon, IXYS, Global power technologies group och Hestia power.
Kommersiellt tillgängliga GaN effektkomponenter finns från EPC, GaN system, Panasonic och Tranphorm. Följande företag har demonstrerat provexemplar eller håller på att utveckla GaN-halvledare: Infineon, Texas Instruments, On Semiconductor, Sanken, ExaGaN, VIS Technologies, Dialog Semiconductor Navitas Semiconductor och Cambridge electronics.
Hong Lin, senior analyst vid Yole Dévelopement, sammanfattade i sin presentation utmaningar som fortfarande industrin för GaN-effekthalvledare möter:
* Hög kostnad, hög grad av defekter och en epitaxi med relativt lågt utfall
* Hög kostnad, avsaknad av second source, långsiktig tillförlitlighet
* Möjligheten att integrera aktiva komponenter i system. Vilka passiva komponenter och vilka dielektriska material skall man välja?
SiC-dioder har idag uppnått en mognadsfas på marknaden och SiC MOSFET och GaN HEMT för spänningar under 200 V befinner sig i en tillväxtfas. 600 V GaN närmar sig det nålsöga som skall passeras innan marknaden tar fart medan integrerade effektkomponenter i GaN och SiC JFET för skyddskretsar ännu befinner sig i fasen för tidig utveckling.

Namnbyte
Årets kiselkarbidkonferens i Stockholm bytte namn från ISICPEAW till IWBGPEAW (International Wide BandGap Power Electronics Applications Workshop) med anledning av att galliumnitrid numera har en viss, ökande del av halvledarmarknaden inom brett bandgap. Nästa år blir namnet mer uttalbart: SCAPE, Stockholm Conference of APplies Electronics.

Comments are closed.