PCBニュース - SIC基板のトレンド

SiCは禁制帯域幅が大きく、破壊電圧が高く、熱伝導率が高く、電子飽和速度が高いなどの利点がある。SiCセラミックスの熱伝導率はBeOを超え、最大・270 W/（K・m）の熱膨張率はSiCに近く、強度はAl 2 O 3の2倍で、絶縁抵抗は高いが、可変抵抗特性の絶縁耐圧/誘電特性はAl 2 O 3より劣る。高緻密炭化ケイ素セラミックスの製造方法には、反応焼結法、無圧焼結（常圧焼結）法、熱圧焼結法、熱などの静圧焼結法などが含まれる。

学界で注目されているのは、SiCを原材料としてセラミックスSiC基板を製造する際に、そこに少量のBeOとB 2 O 3を添加することで抵抗率を高めることができるホットプレス焼結の方法である。異なる焼結方法、焼結助剤を用いて製造された異なる純度のSiCセラミックス。焼結時、その室温における熱伝導率は100〜490 W/（m・K）である、1900℃以上の温度でホットプレス焼結を用いて、作製したSiCセラミックスの密度は98%以上に達し、平均結晶粒度は約6ミクロンであった。

図１　SIC基板

ここでは高熱伝導率の原理を採用し、BeOはSiC中で固溶しにくく、原料に含まれる各種不純物は高温及び真空中で蒸発するため、フォノン散乱の最大要素である不純物固溶は少なく、熱伝導率を従来より約50%向上させる。

SiC基板の誘電率は非常に大きいため、低周波用途にしか適さず、高周波用途には適さない。現在、主に高温応用分野、加熱と熱交換工業分野、自動車分野、腐食環境下での応用、研削分野、耐摩耗機械分野、国防軍需産業及び航空宇宙分野、光学応用分野、半導体分野の応用、核工業分野などに応用されている。

Wolfspeedの予測によると、2026年の炭化ケイ素デバイス市場規模は89億ドルに達する見込みで、炭化ケイ素は新エネルギー自動車、工業とエネルギー、無線周波数市場で徐々にケイ素ベースデバイスへの代替を完了する見込みだ。

炭化ケイ素を原材料とするパワーデバイスは良好なスイッチング効率と高効率の熱蓄積性能があり、昇温システムにおいて機能を安定させることができ、高変換周波数と同時に99%以上のインバータ効率を持つ。現在、SiC基板は都市軌道交通システムに応用されている。

研究によると、多くの下流市場の需要の中で、SiCセラミック基板市場の成長の主な駆動要素は自動車分野から来て、特に新エネルギー自動車の盛んな発展は、SiCの市場成長傾向を後押しした。

Yoleの統計データによると、2021年の世界のSiCパワーデバイス市場規模は10億9000万ドルで、下流の自動車電子分野は6億8500万ドルを占めている。その市場は急速に成長する見込みで、2027年までに62.97億ドルに達し、そのうち自動車電子は49.86億ドルを占め、複合成長率は40%に達した。

まず、800 V高圧プラットフォームは炭化ケイ素に新たな発展のチャンスをもたらした。長い間、充電速度が遅いことは純電動乗用車ユーザーの痛い点であり、充電電力を高め、充電時間を短縮するために、ほとんどの主流車企業は高圧急速充電案を選択してきた。そのため、ホスト工場は800 V高圧プラットフォームの配置を加速している。800 Vプラットフォームの下で、SiC基板の性能優位性はよりよく発揮され、全体効率は6%-8%向上するという。2023-2024年には800 V高圧プラットフォームの急速な発展期を迎えると予想されている。

将来的には、新エネルギー自動車分野がSiCセラミックス基板の最大の需要分野となる。新エネルギー自動車分野では、炭化ケイ素デバイスは主にインバータに応用されている。SiC MOSが主駆動インバータの供給を開始するにつれて、インバータに必要なSiC MOS面積が大きくなるため、セラミック基板に対する生産エネルギー消費量は急速に増加した。

現在、テスラは世界で炭化ケイ素モジュールの使用量が最も多い企業であり、Model 3からテスラ全系標準炭化ケイ素MOSFETモジュールがIGBTをインバータパワーデバイスとして代替している。その後、比亜迪は炭化ケイ素において重大な技術的突破を遂げ、旗艦車種に炭化ケイ素モジュールを大量に使用し、蔚来傘下のET 7、ES 7、ES 8、EC 7などの車種もすでに炭化ケイ素電気駆動システムを使用し、小鵬傘下のG 9も炭化ケイ素デバイスを採用した。見積もりによると、1枚の標準ライニング板の単価は400元前後で、2027年に世界でSiC基板を採用するのは1032万台に達し、SiC車規の市場規模は34.3億元に達する見込みだ。