(408) 844-7100 실리콘 카바이드 경쟁의 시작
반도체 공학
2021년 9월 20일
다양한 자동차 칩에 실리콘 카바이드(SiC)의 채택이 증가하면서 대부분의 칩 제조업체는 이제 비교적 안전한 내기라고 생각하는 티핑 포인트에 도달했고, 이 와이드밴드갭 기술을 주류로 끌어올리기 위한 경쟁이 시작되었습니다.
SiC 는 다양한 자동차 애플리케이션, 특히 배터리 전기 자동차에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 실리콘에 비해 1회 충전당 주행 거리를 늘리고, 배터리 충전 시간을 단축하며, 더 적은 배터리 용량과 무게로 동일한 주행 거리를 제공함으로써 전반적인 효율성 방정식에 기여할 수 있습니다. 현재 과제는 이러한 디바이스의 제조 비용을 줄이는 것이며, 이것이 바로 SiC 팹이 6인치(150mm)에서 8인치(200mm) 웨이퍼로 마이그레이션하는 이유입니다.
"이러한 강력한 이점은 규모의 경제로 인한 SiC 제조 비용 절감을 가져오는 BEV의 대량 SiC 채택으로 이어지고 있습니다."라고 미국 에너지부가 SiC 및 GaN 전력 전자장치의 채택을 가속화하기 위해 설립한 PowerAmerica Manufacturing USA Institute의 전무이사 겸 CTO인 Victor Veliadis는 말합니다. "SiC 제조업체들이 주력하고 있는 주요 대량 응용 분야이며, 제조 확장을 촉진하고 있습니다. 또한 많은 신규 업체가 SiC 분야에 진입하는 이유이기도 하며, BEV 설계 수주 경쟁이 치열해지는 이유이기도 합니다."
파워아메리카를 관리하는 노스캐롤라이나 주립대학교의 전기공학 교수인 벨리아디스는 트랙션 인버터, DC-DC 컨버터, 온보드 충전기 등 여러 전기차 시스템에 SiC가 도입되고 있다고 말합니다. 이 기술은 또한 BEV를 충전하는 데 걸리는 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
"고전압 SiC 전력 장치는 또한 광범위한 전기차 소비자 수용의 마지막 주요 장벽을 제거할 고속 충전 인프라를 구현하는 데 핵심적인 역할을 합니다."라고 그는 말합니다. "SiC는 고전압에서 매우 효율적이어서 기존 차량의 연료 탱크에 주유하는 것과 비슷한 수준의 빠른 배터리 충전 시간을 가능하게 합니다."
2017년 테슬라가 메인 인버터에 SiC를 채택한 이후, 자동차는 SiC의 킬러 애플리케이션이 되었다고 욜 디벨롭먼트의 화합물 반도체 및 신흥 기판 팀 수석 애널리스트인 에즈기 도그무스(Ezgi Dogmus)는 지적합니다. "그 이후로 거의 모든 자동차 제조업체와 티어 1에서 SiC에 대한 관심을 목격했습니다. BYD, 도요타, 현대가 전기차 모델에 SiC를 선택했고 아우디, GM, 니오, 폭스바겐도 그 뒤를 따를 것으로 예상됩니다."라고 도그무스는 말합니다. "SiC 솔루션의 설계 수주가 크게 증가함에 따라 2020년부터 2026년까지 전망이 밝을 것으로 예상합니다. 실제로 자동차 시장은 의심할 여지 없이 가장 큰 동인이며, 2026년에는 전체 SiC 디바이스 시장 점유율의 60% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다."
도그머스는 전기차 애플리케이션과 더불어 충전 인프라에서도 효율을 높이고 시스템 크기를 줄일 수 있는 SiC를 채택하는 추세를 보고 있습니다. 또한 SiC는 철도, 모터 드라이브, 태양광과 같은 애플리케이션에서 2019년부터 2026년까지 두 자릿수 연평균 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다.
SiC와 GaN 비교
전력 전자 제품에서 SiC는 표준 실리콘 제품뿐만 아니라 질화 갈륨 (GaN)과 같은 다른 와이드 밴드갭 반도체에 비해 상당한 이점이 있습니다.
도그무스는 "실리콘 MOSFET은 점진적인 성장과 수십 년에 걸친 개선을 거쳐 이론적 한계에 근접하고 있습니다."라고 말합니다. "역사적으로 이러한 MOSFET 제품은 대상 애플리케이션에 충분했습니다. 동시에 SiC 및 GaN과 같은 혁신적인 와이드 밴드갭 소재는 실리콘 기반 디바이스를 능가하는 성능 특성을 보여줍니다."라고 도그무스는 말합니다. "높은 항복 전압, 빠른 스위칭 속도, 소형 폼 팩터를 갖춘 와이드 밴드갭 소재는 전력 시장 산업을 보완할 수 있는 유망한 후보입니다. 또한 시스템당 수동 부품 수를 줄일 수 있어 컴팩트한 설계가 가능합니다. 하지만 이러한 소재는 실리콘에 비해 여전히 고가입니다."
다른 사람들도 동의합니다.인피니언 테크놀로지스( )의 고전압 변환 제품 마케팅 담당 수석 이사 겸 책임자인 로버트 헤르만(Robert Hermann)에 따르면 실리콘, 실리콘 카바이드, 질화 갈륨의 포지셔닝은 높은 수준에서 보면 간단합니다. "실리콘 카바이드는 실리콘에 비해 고온, 고전력 및 더 높은 스위칭 주파수를 혼합할 때 가장 강합니다. 이는 메인 인버터 및 온보드 충전에 대한 시스템 비용 절감으로 이어집니다."
또 다른 주요 와이드밴드갭( 밴드갭 기술인 질화 갈륨은 훨씬 더 높은 효율과 향상된 주파수 동작을 제공합니다. "이 두 가지 요소는 실리콘 카바이드에 비해 전력 밀도를 더 높은 수준으로 끌어올립니다."라고 헤르만은 말합니다. "하지만 이러한 이점을 활용하려면 더 큰 규모의 시스템 변화가 필요합니다. 또한 상호 보완적인 반도체 및 패시브 제품을 사용할 수 있어야 합니다."
하지만 현재로서는 EV 애플리케이션과 고전력 시스템용 인버터에서 SiC의 진정한 경쟁 상대는 실리콘이라고 Yole의 도그무스는 말합니다. "SiC의 경우 더 높은 전압에서 비용 대비 성능 비율이 매력적입니다. 예를 들어 800V 배터리 차량에 1,200V SiC 디바이스를 구현하는 것은 상당한 시장 기회가 될 것입니다. 한편, GaN은 핸드셋 애플리케이션을 위한 고속 충전 시장에도 계속 침투할 것입니다. 실제로 저전력에서 GaN은 SiC에 비해 더 나은 비용 대비 이점을 제공합니다. 또한 GaN은 3kW 미만의 시스템을 위한 데이터 통신 및 통신 전력 시장과 EV 애플리케이션의 OBC 및 DC-DC 컨버터에도 널리 보급될 것으로 예상됩니다."
장벽을 뛰어넘는 SiC의 장점
아직 모든 테스트 및 검사 프로세스가 완전히 정립된 것은 아니며, 자동차 애플리케이션에서 무결점에 대한 요구는 모든 신소재에 대한 높은 기준입니다. 그러나 많은 반도체 제조업체들은 이러한 문제를 비교적 빠르게 극복할 수 있다고 믿고 있으며, 전기 자동차의 SiC 칩에 대한 전망을 매우 낙관적으로 보고 있습니다.
"SiC 전력 다이오드는 수년 동안 상업적으로 사용되어 왔지만, SiC MOSFET은 SiC 전력 전자 제품의 시장 환경을 빠르게 변화시키고 있는 게임 체인저입니다."라고 로옴 반도체의 기술 마케팅 매니저인 밍 수(Ming Su)는 말합니다. "최근 시장 성장의 주요 동력 중 하나는 전기차 전력 시스템입니다. 몇 년 전 자동차 트랙션 인버터에 SiC MOSFET 기술이 처음 채택된 이후, 에너지 효율과 시스템 크기 감소 측면에서 실리콘 디바이스 대비 SiC의 이점이 자동차 업계에서 널리 받아들여지고 있습니다."라고 말했습니다.
Su는 오늘날 거의 모든 자동차 OEM과 전기차 스타트업이 이미 SiC를 채택했거나 전기차 트랙션 인버터와 온보드 충전기에 SiC를 사용하기 위해 제품 설계 단계에 있다고 말합니다. "SiC 디바이스는 연료전지 차량에도 채택되었습니다. SiC를 사용하는 다른 차량용 전력 컨버터로는 배터리 전압을 12V 또는 48V로 강압하는 DC-DC 컨버터와 무선 배터리 충전기가 있습니다."
전기차는 현재 유럽 연합 및 기타 지역에서 설정한CO2 배출 제한과 같은 정부 규제에 힘입어 엄청난 붐을 일으키고 있습니다. 인피니언의 헤르만은 "환경을 보호하는 동시에 운전의 재미를 즐기려는 사람들의 강한 열망도 전기차에 대한 수요를 높이고 있습니다."라고 말합니다. "이는 자동차 생산량이 증가하여 틈새 시장에서 벗어나 대량 생산 시장의 미래로 나아가는 것을 의미하며, OEM에게는 더 많은 가격 압박이 가해집니다. 이러한 상황에서 실리콘 카바이드는 전기차 전력 애플리케이션의 다양한 트렌드를 지원하기 때문에 매우 중요한 역할을 합니다."
이는 결국 OEM에게 새로운 옵션의 길이 열리고, 칩 제조업체에게도 동등한 기회를 제공합니다.
"실리콘 카바이드와 IGBT의 기술적 이점 중 하나는 에너지 효율이 높다는 점입니다. 이는 몇 퍼센트 포인트가 더 큰 범위 또는 더 작은 배터리로 직접 변환되는 주요 자동차 인버터에서 잘 설명할 수 있습니다."라고 Hermann은 말합니다. "전력 손실이 줄어들면 열 관리가 간소화됩니다. 즉, 순수 전력 반도체 비용은 IGBT에 비해 높지만 SiC는 시스템 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 전기차 구매자에게는 더 적은 비용으로 더 긴 주행 거리를 확보할 수 있다는 간단한 공식이 적용됩니다."
SiC의 효율성은 또한 차량 내부의 더 많은 공간으로 이어질 수 있습니다. "실리콘 카바이드는 또 다른 응용 분야인 자동차 온보드 충전을 통해 더 많은 공간에 직접적으로 기여할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "주행 거리를 늘리려면 배터리 용량이 증가해야 합니다. 즉, 온보드 충전을 위한 전력 수준이 높아져야 하며, 그렇지 않으면 하룻밤 사이에 배터리를 완전히 충전할 수 없게 됩니다. 또한 차량 대 그리드와 같이 양방향 충전이 필요한 사용 사례도 점점 더 많아지고 있습니다. 설계 및 기술 대책이 없다면 온보드 충전기는 점점 더 커져 차량 내 기존 공간을 차지하게 될 것입니다. 실리콘 카바이드를 사용하면 효율성이 향상될 뿐만 아니라 더 높은 스위칭 주파수를 실현할 수 있습니다. 그 결과 수동 소자의 크기가 작아지고 냉각 노력이 줄어듭니다. 실제로 실리콘 카바이드의 전력 밀도는 기존 실리콘 기반 솔루션에 비해 두 배로 증가하여 야심찬 설계 목표를 실현하고 온보드 충전기의 크기를 줄일 수 있다고 생각합니다."
자동차 제조업체들은 전기 커넥터의 크기를 늘리지 않고도 차량과 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 전력량을 늘리기 위해 800V DC 버스로 전환하고 있으며, 이는 전기차에 불필요한 무게와 크기를 추가할 수 있습니다. SiC는 실리콘보다 이러한 애플리케이션에 더 효율적이어서 과도한 열을 발생시키는 손실을 줄여줍니다.
"이 전압의 결과, 400V 배터리 및 시스템에 더 적합한 650V를 사용하는 대신 1,200V 정격 SiC MOSFET이 적절한 설계 선택입니다." STMicroelectronics의 전력 트랜지스터 MACRO 부서의 전략 마케팅, 혁신 및 주요 프로그램 매니저인 Filippo DiGiovanni는 말합니다. "즉, SiC가 장착된 인버터는 본질적으로 더 효율적이므로 주어진 용량 배터리의 주행 거리가 더 길어집니다. 또한 SiC의 냉각 요구 사항이 덜 엄격하다는 점도 큰 장점입니다. GaN 트랜지스터(또는 고전자 이동성 트랜지스터, HEMT)도 전기 자동차의 트랙션 인버터와 같은 고전압 애플리케이션에 효율적이기 때문에 사용할 수 있지만, 측면 구조로 되어 있어 SiC MOSFET만큼 고전압을 쉽게 허용하지 않는 GaN보다 SiC가 더 효율적입니다."라고 설명합니다.
온세미 전기 자동차 트랙션 파워 모듈 사업부 부사장 겸 총괄 매니저인 브렛 잔은 SiC는 차세대 반도체의 핵심 소재로, 전기 자동차, 전기차 충전 및 에너지 인프라의 시스템 효율성을 크게 향상시키는 SiC 전력 스위칭 장치에 기술적 이점을 제공한다고 설명합니다. "SiC 전력 모듈은 수요가 많지만 SiC 베어 다이 부문도 빠르게 성장하고 있습니다."
더 높은 전압, 더 낮은 전체 비용
고속 충전을 위해 더 높은 전압 아키텍처로 전환하는 것은 BEV에 광범위한 영향을 미칩니다.
"고전압에서는 실리콘에 비해 SiC의 효율 이점이 더욱 두드러집니다."라고 벨리아디스는 말합니다. "오늘날 거의 모든 BEV 제조업체는 실리콘의 경쟁력이 매우 높은 400V에서 설계합니다. 예를 들어 800~1,000V와 같이 더 높은 전압으로 가면 전압이 높을수록 동일한 전력 수준에서 더 적은 전류 암페어를 의미하므로 훨씬 더 얇은 전선 덕분에 무게를 줄이고 패키징을 개선하면서 더 빠르게 충전할 수 있습니다."
이는 비용을 절감하고 전체 시스템을 더 효율적으로 만드는 데 도움이 됩니다. "전기차 고객은 내연기관 차량과 비슷한 수준의 가격을 원합니다. 이를 위해서는 더 많은 노력이 필요합니다."라고 그는 말합니다. "전기차에서 SiC와 실리콘 가격의 비교와 관련하여, 오늘날 SiC 장치의 높은 비용은 더 높은 주파수 작동과 냉각 요구 사항 감소 등 SiC의 이점으로 인한 전반적인 시스템 단순화로 인해 상쇄됩니다. 또한, SiC 효율이 높을수록 전기차의 상당한 비용을 차지하는 배터리 수가 줄어듭니다. 따라서 전반적으로 전기차에 사용되는 SiC는 경쟁력이 있으며 실리콘 솔루션보다 저렴할 수 있습니다. SiC 전기차 대량 도입의 주요 장벽은 신뢰성과 견고성에 대한 우려와 기술을 구현할 숙련된 인력이 부족하다는 점입니다."
고속 충전을 위해서는 더 낮은 전류로 동일한 전력을 얻기 위해 더 높은 전압 아키텍처가 필요하므로(따라서 무게, 부피 및 배선 비용이 감소하므로) SiC의 가치 제안은 더욱 두드러질 것이라고 그는 덧붙였습니다.
이러한 기술을 발전시키고 부분적으로는 효율성을 개선하기 위해 OEM은 더욱 수직적으로 통합되고 있습니다. 이에 따라 티어 1 및 티어 2 공급업체는 비용을 더욱 절감해야 한다는 압박을 받고 있습니다. 또한 높은 수요를 충족하기 위해 초기 웨이퍼부터 제조된 디바이스에 이르기까지 중단 없는 공급망을 보장하는 데 도움이 됩니다.
이는 일부 M&A 활동을 포함하여 SiC 분야에 대한 투자의 물결을 불러일으키고 있습니다. 벨리아디스는 "업계 인수는 대세입니다."라고 말합니다. "신규 기업이 SiC 기술 분야에서 오랜 역사를 가진 기업들과 효과적이고 시기적절하게 경쟁하려면 전문성을 보완하는 SiC 기업을 인수하면 시너지 효과와 시장 출시 속도를 높일 수 있습니다."
사례: 지난 8월, 온세미는 실리콘 카바이드(SiC) 결정 성장 기술 및 기판 제조업체인 GT Advanced Technologies를 인수하는 최종 계약을 체결했다고 발표했습니다.
온세미의 잔은 "현재 400V 배터리 전압이 널리 사용되고 있지만 2024년 이후부터는 800V 배터리 시스템에 대한 수요가 증가하고 있습니다."라고 말합니다. "이러한 시스템은 차량 내부와 충전소에서 배전 손실이나 케이블 크기 증가 없이 밀도와 효율성을 높여 1회 충전당 주행 거리를 늘릴 수 있기 때문에 표준이 될 가능성이 높습니다. 실리콘 기술에 비해 SiC의 장점은 800V 버스에 필요한 1,200V 정격 전압에서 더욱 분명하게 드러납니다. SiC는 더 높은 스위칭 주파수와 잠재적으로 패키징에 의해 제한되는 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 테슬라의 성공적인 SiC 도입과 더 긴 주행 거리에 대한 필요성을 고려할 때, 많은 OEM이 SiC 전기 드라이브트레인 구현을 위해 열심히 노력하고 있습니다."
결론
배출가스 저감에 대한 각국 정부의 압박과 BEV의 인기 증가로 탄화규소 및 기타 와이드밴드갭 소재가 각광받고 있습니다. 하지만 이 모든 것에는 시간이 걸리며, 현재까지는 일부 자동차 애플리케이션에서 실리콘을 대체할 수 있는 주요 후보로 SiC와 GaN이 유력합니다.
수율, 결함 및 다양한 제조 공정 측면에서 새로운 소재에는 지불해야 할 대가가 있지만, 자동차 제조업체가 전기 자동차의 다양한 부품에 SiC를 설계하기 시작하면 충분한 이점이 있습니다. 자동차 업계가 이 기술을 주류로 밀어붙이면서 가격에 대한 압박을 가하고 팹에서 발생할 수 있는 문제를 해결함에 따라 SiC의 사용은 여기서부터 증가할 것으로 예상됩니다.