未來兩三年將供不應求，碳化硅開啟“上車、逐光”雙通道加速跑
碳化硅技術是新能源電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展的核心驅(qū)動力之一，未來 5 年車用碳化硅功率模塊的年復合增長率將達到 38.3%，市場規(guī)模將達到 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外芯片企業(yè)壟斷的狀態(tài)，成為限制我國新能源汽車快速發(fā)展的關鍵瓶頸。
紅旗自研750V 碳化硅功率芯片
紅旗功率電子開發(fā)部依托豐富的電驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)應用經(jīng)驗，主導 750V 碳化硅功率芯片產(chǎn)品技術需求定義，聯(lián)合中電科 55 所，從結(jié)構設計、工藝技術、材料應用維度開展技術攻關，芯片比導通電阻達到 2.15mΩ?cm2，最高工作結(jié)溫 175℃，達到國際先進水平。
采用有限元仿真和工藝實驗相結(jié)合的方法，完成平面柵碳化硅芯片的元胞建模及結(jié)構優(yōu)化設計。開展 JFET 區(qū)結(jié)構參數(shù)優(yōu)化，使芯片在導通和阻斷性能之間取得最佳平衡；對終端結(jié)構進行設計優(yōu)化，提高終端保護效率，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)化及可靠性驗證，提高了溝道遷移率和閾值電壓穩(wěn)定性。
采用國產(chǎn)低缺陷襯底材料與高均勻性外延材料，進一步降低碳化硅功率芯片失效概率，提高芯片可靠性；應用可支持銀燒結(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、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、光伏、電力電子等市場需求帶動下，全球碳化硅市場規(guī)模正在快速成長，投資產(chǎn)業(yè)鏈公司正當時。
“我們看到越來越多的車企開始使用碳化硅MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）模塊方案，需求增速非常快。”談起碳化硅“上車”，斯達半導董事長沈華告訴記者，在特斯拉之后，比亞迪和現(xiàn)代汽車都在部分車型上搭載了高性能碳化硅模塊，蔚來、小鵬等也計劃采用。
業(yè)內(nèi)普遍認為，碳化硅功率器件在新能源汽車領域具有顯著的性能等優(yōu)勢。“比如在主逆變器里，用碳化硅MOSFET可提高約5%的系統(tǒng)效率。”沈華介紹，由此，整車廠有兩個選擇：一是采用相同電池容量，續(xù)航里程可提升5%；二是設計相同的續(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的功率密度、能效和續(xù)航里程，多家新能源主機廠新車型在轉(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電壓段優(yōu)勢明顯。后續(xù)，隨著成本進一步下降，碳化硅器件會成為新能源車的主流配置。
“不同于過去簡單對比價格，客戶更多開始考慮系統(tǒng)成本。”聞泰科技企劃部部長鄧安明說，當前碳化硅功率器件的價格確實依然高于硅器件，但碳化硅器件的更高效率等優(yōu)勢，可能使整個系統(tǒng)的價格低于硅解決方案。
光伏則是碳化硅的另一個“主戰(zhàn)場”。肖東戈介紹，2021年，光伏市場應用約占全球碳化硅功率器件市場的25%。
“光伏行業(yè)邁入后1500V以及20A大電流時代，要建成更大組串進一步降成本，就需要降低組件工作電壓和提高電站的電壓等級，碳化硅的性能優(yōu)勢凸顯。”安芯投資總裁王永剛援引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%。
多家機構看好碳化硅市場的高成長性。Yole預測，2021年全球碳化硅功率器件的市場規(guī)模約10億美元，預計到2025年將超過37億美元，年復合增長率超過34%。
產(chǎn)業(yè)鏈上下游不斷協(xié)同
我國汽車功率半導體發(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、測試，中游的電機、電控，下游的整車，以及關鍵材料、裝備、軟件、工藝等產(chǎn)業(yè)基礎還沒有形成協(xié)同創(chuàng)新、協(xié)同發(fā)展的局面。
為抓住機遇，共促汽車功率半導體發(fā)展，形成競爭優(yōu)勢，在工信部裝備一司、電子司的指導下，在產(chǎn)業(yè)鏈主要企業(yè)的支持下，汽車功率半導體分會在汽車芯片創(chuàng)新聯(lián)盟組織下正式設立，以促進功率半導體行業(yè)發(fā)展為總體目標，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈構建創(chuàng)新鏈促進產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，加快關鍵技術的快速突破，構建有競爭力的車規(guī)級功率半導體產(chǎn)業(yè)鏈。
“值得一提的是，近年來，以碳化硅、氮化鎵等材料為代表的化合物半導體因其寬禁帶、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等優(yōu)異的性能而飽受關注。”張真榕還向記者表示，碳化硅功率器件受下游新能源汽車等行業(yè)需求拉動，市場規(guī)模增長快速。
根據(jù)IHS數(shù)據(jù)，受新能源汽車行業(yè)龐大的需求驅(qū)動，以及光伏風電和充電樁等領域?qū)τ谛屎凸囊筇嵘挠绊懀A計到2027年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，2018-2027年的復合增速接近40%。
博世中國執(zhí)行副總裁徐大全表示，碳化硅芯片在未來2至3年都呈現(xiàn)供不應求的態(tài)勢，博世持續(xù)在中國尋找合作伙伴來布局新產(chǎn)能。
“碳化硅處于汽車應用的起步階段，需不斷提升碳化硅功率器件的生產(chǎn)制造良品率，滿足車規(guī)級量產(chǎn)質(zhì)量要求。”一汽研發(fā)總院功率電子開發(fā)部部長趙永強則表示，碳化硅應用于車輛屬于系統(tǒng)工程，需要整車、零部件、原材料生產(chǎn)企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作，中國整車同行給國產(chǎn)半導體試錯中改進的機會。
碳化硅芯片加速降成本
從去年以來，新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速，芯片需求大增，導致缺芯問題影響了產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展，也成為不少企業(yè)的困擾。
對此，奇瑞汽車研發(fā)總院芯片規(guī)劃總監(jiān)郭宇輝向《證券日報》記者表示，今年結(jié)構性缺芯情況還存在，功率半導體只是其中一種，計算機類、控制類等也都存在短缺情況，半導體投資需要18-32個月的建設周期，從去年開始很多半導體廠商開始建廠，但到2025年才能真正釋放出產(chǎn)能。
郭宇輝還提到，目前電動車前后驅(qū)都使用碳化硅功率半導體的成本太高，行業(yè)共識是只有20萬元以上的電動車才會用碳化硅功率半導體。目前國內(nèi)碳化硅原材料都是來自進口，國內(nèi)還沒有大規(guī)模供應。
據(jù)了解，三安半導體投資160億元的長沙碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合超級工廠，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20萬片/年，二期工程預計2023年完工，達產(chǎn)后年產(chǎn)能50萬片6英寸碳化硅晶圓。
張真榕向記者表示，行業(yè)結(jié)構性缺芯確實存在，但這其中有危有機，公司也正在抓住這個機會，不斷降低碳化硅的成本，并加速規(guī)模化應用，三安碳化硅功率半導體有望在今年四季度正式“上車”。價格下降來源于創(chuàng)新，一是生產(chǎn)技術良率要提升，二是整個設備原材料的國產(chǎn)化和技術創(chuàng)新也會帶來成本降低。
郭宇輝也表示，具體到奇瑞方面的芯片應用，一方面是加速國產(chǎn)化，另一方面是保證供應鏈安全，在缺芯的時候能找到替代方案。
