未來(lái)兩三年將供不應(yīng)求，碳化硅開(kāi)啟“上車(chē)、逐光”雙通道加速跑
碳化硅技術(shù)是新能源電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力之一，未來(lái) 5 年車(chē)用碳化硅功率模塊的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 38.3%，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 44.13 億美元。作為電驅(qū)系統(tǒng)功率模塊的核心器件，碳化硅功率芯片仍然處于被國(guó)外芯片企業(yè)壟斷的狀態(tài)，成為限制我國(guó)新能源汽車(chē)快速發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
紅旗自研750V 碳化硅功率芯片
紅旗功率電子開(kāi)發(fā)部依托豐富的電驅(qū)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，主導(dǎo) 750V 碳化硅功率芯片產(chǎn)品技術(shù)需求定義，聯(lián)合中電科 55 所，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、材料應(yīng)用維度開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，芯片比導(dǎo)通電阻達(dá)到 2.15mΩ?cm2，最高工作結(jié)溫 175℃，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
采用有限元仿真和工藝實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，完成平面柵碳化硅芯片的元胞建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。開(kāi)展 JFET 區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，使芯片在導(dǎo)通和阻斷性能之間取得最佳平衡；對(duì)終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高終端保護(hù)效率，提升器件耐壓能力。
建立穩(wěn)定的碳化硅芯片薄片工藝，通過(guò)襯底減薄和激光退火的方法有效降低襯底電阻；采用柵介質(zhì)氧化及氧化后的氮化處理方法，降低界面態(tài)密度，完成一氧化氮退火工藝參數(shù)優(yōu)化及可靠性驗(yàn)證，提高了溝道遷移率和閾值電壓穩(wěn)定性。
采用國(guó)產(chǎn)低缺陷襯底材料與高均勻性外延材料，進(jìn)一步降低碳化硅功率芯片失效概率，提高芯片可靠性；應(yīng)用可支持銀燒結(jié)工藝的表面金屬層材料，大大提升了芯片散熱效果，可支持高溫下的穩(wěn)定安全工作。
“上車(chē)、逐光”雙通道加速跑
為何集體看上了碳化硅？有業(yè)內(nèi)人士稱，在新能源汽車(chē)、光伏、電力電子等市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，全球碳化硅市場(chǎng)規(guī)模正在快速成長(zhǎng)，投資產(chǎn)業(yè)鏈公司正當(dāng)時(shí)。
“我們看到越來(lái)越多的車(chē)企開(kāi)始使用碳化硅MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）模塊方案，需求增速非?？?。”談起碳化硅“上車(chē)”，斯達(dá)半導(dǎo)董事長(zhǎng)沈華告訴記者，在特斯拉之后，比亞迪和現(xiàn)代汽車(chē)都在部分車(chē)型上搭載了高性能碳化硅模塊，蔚來(lái)、小鵬等也計(jì)劃采用。
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，碳化硅功率器件在新能源汽車(chē)領(lǐng)域具有顯著的性能等優(yōu)勢(shì)。“比如在主逆變器里，用碳化硅MOSFET可提高約5%的系統(tǒng)效率?！鄙蛉A介紹，由此，整車(chē)廠有兩個(gè)選擇：一是采用相同電池容量，續(xù)航里程可提升5%；二是設(shè)計(jì)相同的續(xù)航里程，但電池容量可減少5%。
新潔能董秘肖東戈表示，鑒于碳化硅功率器件可明顯提升新能源汽車(chē)的功率密度、能效和續(xù)航里程，多家新能源主機(jī)廠新車(chē)型在轉(zhuǎn)向800V系統(tǒng)，需要采用1200V功率器件，碳化硅功率器件在這個(gè)電壓段優(yōu)勢(shì)明顯。后續(xù)，隨著成本進(jìn)一步下降，碳化硅器件會(huì)成為新能源車(chē)的主流配置。
“不同于過(guò)去簡(jiǎn)單對(duì)比價(jià)格，客戶更多開(kāi)始考慮系統(tǒng)成本?！甭勌┛萍计髣澆坎块L(zhǎng)鄧安明說(shuō)，當(dāng)前碳化硅功率器件的價(jià)格確實(shí)依然高于硅器件，但碳化硅器件的更高效率等優(yōu)勢(shì)，可能使整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格低于硅解決方案。
光伏則是碳化硅的另一個(gè)“主戰(zhàn)場(chǎng)”。肖東戈介紹，2021年，光伏市場(chǎng)應(yīng)用約占全球碳化硅功率器件市場(chǎng)的25%。
“光伏行業(yè)邁入后1500V以及20A大電流時(shí)代，要建成更大組串進(jìn)一步降成本，就需要降低組件工作電壓和提高電站的電壓等級(jí)，碳化硅的性能優(yōu)勢(shì)凸顯?！卑残就顿Y總裁王永剛援引Wolfspeed數(shù)據(jù)介紹，采用碳化硅后，光伏逆變器系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率可以從96%提升到99%以上，能量損耗降低30%以上，功率密度增加50%，顯著提高循環(huán)設(shè)備的使用壽命，降低系統(tǒng)體積，節(jié)約系統(tǒng)成本10%。
多家機(jī)構(gòu)看好碳化硅市場(chǎng)的高成長(zhǎng)性。Yole預(yù)測(cè)，2021年全球碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模約10億美元，預(yù)計(jì)到2025年將超過(guò)37億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)34%。
產(chǎn)業(yè)鏈上下游不斷協(xié)同
我國(guó)汽車(chē)功率半導(dǎo)體發(fā)展起步較晚，產(chǎn)業(yè)鏈尚不健全，上游的襯底、外延、晶圓、封裝、測(cè)試，中游的電機(jī)、電控，下游的整車(chē)，以及關(guān)鍵材料、裝備、軟件、工藝等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)還沒(méi)有形成協(xié)同創(chuàng)新、協(xié)同發(fā)展的局面。
為抓住機(jī)遇，共促汽車(chē)功率半導(dǎo)體發(fā)展，形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在工信部裝備一司、電子司的指導(dǎo)下，在產(chǎn)業(yè)鏈主要企業(yè)的支持下，汽車(chē)功率半導(dǎo)體分會(huì)在汽車(chē)芯片創(chuàng)新聯(lián)盟組織下正式設(shè)立，以促進(jìn)功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展為總體目標(biāo)，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建創(chuàng)新鏈促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，加快關(guān)鍵技術(shù)的快速突破，構(gòu)建有競(jìng)爭(zhēng)力的車(chē)規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。
“值得一提的是，近年來(lái)，以碳化硅、氮化鎵等材料為代表的化合物半導(dǎo)體因其寬禁帶、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場(chǎng)等優(yōu)異的性能而飽受關(guān)注?！睆堈骈胚€向記者表示，碳化硅功率器件受下游新能源汽車(chē)等行業(yè)需求拉動(dòng)，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)快速。
根據(jù)IHS數(shù)據(jù)，受新能源汽車(chē)行業(yè)龐大的需求驅(qū)動(dòng)，以及光伏風(fēng)電和充電樁等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸囊筇嵘挠绊?，預(yù)計(jì)到2027年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，2018-2027年的復(fù)合增速接近40%。
博世中國(guó)執(zhí)行副總裁徐大全表示，碳化硅芯片在未來(lái)2至3年都呈現(xiàn)供不應(yīng)求的態(tài)勢(shì)，博世持續(xù)在中國(guó)尋找合作伙伴來(lái)布局新產(chǎn)能。
“碳化硅處于汽車(chē)應(yīng)用的起步階段，需不斷提升碳化硅功率器件的生產(chǎn)制造良品率，滿足車(chē)規(guī)級(jí)量產(chǎn)質(zhì)量要求?！币黄邪l(fā)總院功率電子開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)趙永強(qiáng)則表示，碳化硅應(yīng)用于車(chē)輛屬于系統(tǒng)工程，需要整車(chē)、零部件、原材料生產(chǎn)企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作，中國(guó)整車(chē)同行給國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體試錯(cuò)中改進(jìn)的機(jī)會(huì)。
碳化硅芯片加速降成本
從去年以來(lái)，新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，芯片需求大增，導(dǎo)致缺芯問(wèn)題影響了產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展，也成為不少企業(yè)的困擾。
對(duì)此，奇瑞汽車(chē)研發(fā)總院芯片規(guī)劃總監(jiān)郭宇輝向《證券日?qǐng)?bào)》記者表示，今年結(jié)構(gòu)性缺芯情況還存在，功率半導(dǎo)體只是其中一種，計(jì)算機(jī)類(lèi)、控制類(lèi)等也都存在短缺情況，半導(dǎo)體投資需要18-32個(gè)月的建設(shè)周期，從去年開(kāi)始很多半導(dǎo)體廠商開(kāi)始建廠，但到2025年才能真正釋放出產(chǎn)能。
郭宇輝還提到，目前電動(dòng)車(chē)前后驅(qū)都使用碳化硅功率半導(dǎo)體的成本太高，行業(yè)共識(shí)是只有20萬(wàn)元以上的電動(dòng)車(chē)才會(huì)用碳化硅功率半導(dǎo)體。目前國(guó)內(nèi)碳化硅原材料都是來(lái)自進(jìn)口，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有大規(guī)模供應(yīng)。
據(jù)了解，三安半導(dǎo)體投資160億元的長(zhǎng)沙碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合超級(jí)工廠，2021年6月一期工程投產(chǎn)，6英寸碳化硅晶圓產(chǎn)能爬坡至20萬(wàn)片/年，二期工程預(yù)計(jì)2023年完工，達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)能50萬(wàn)片6英寸碳化硅晶圓。
張真榕向記者表示，行業(yè)結(jié)構(gòu)性缺芯確實(shí)存在，但這其中有危有機(jī)，公司也正在抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，不斷降低碳化硅的成本，并加速規(guī)?；瘧?yīng)用，三安碳化硅功率半導(dǎo)體有望在今年四季度正式“上車(chē)”。價(jià)格下降來(lái)源于創(chuàng)新，一是生產(chǎn)技術(shù)良率要提升，二是整個(gè)設(shè)備原材料的國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)創(chuàng)新也會(huì)帶來(lái)成本降低。
郭宇輝也表示，具體到奇瑞方面的芯片應(yīng)用，一方面是加速國(guó)產(chǎn)化，另一方面是保證供應(yīng)鏈安全，在缺芯的時(shí)候能找到替代方案。
