SiC迎來“上車”時刻？
SiC迎來“上車”時刻？
來源：半導體行業觀察
SiC成為汽車領域冉冉升起的新星，正在引發車企及技術供應商的重視和布局。
近日，鴻海集團近6億元收購6英寸SiC晶圓廠的消息，沸沸揚揚。鴻海方面透露，該工廠用來開發與生產第三代半導體，特別是電動車使用的SiC功率器件，計劃2024年產能達到18萬片。
8月11日，比亞迪半導體發文介紹稱，比亞迪漢的第100000輛新車前不久在深圳比亞迪全球總部重磅下線，其電機控制器首次使用了比亞迪自主研發制造的高性能碳化硅功率模塊，這也是全球首家、國內唯一實現在電機驅動控制器中大批量裝車的SiC三相全橋模塊。
圖源：比亞迪半導體
此外，吉利最近也宣布純電平臺采用羅姆SiC技術，開發高效電控系統和車載充電系統。同時，其子公司與SiC企業芯聚能半導體等合資成立了廣東芯粵能半導體有限公司，布局SiC國產化。另一邊，零跑汽車也宣布2023年量產800V SiC電控產品。
車企和產業鏈企業圍繞SiC紛紛展開布局。
追溯SiC產品在汽車上的應用由來，早在2014年，豐田就推出了SiC MOSFET，但受限于高昂的成本和技術的不成熟，技術一直都發展較緩。直到2018年，特斯拉率先在Model 3搭載了基于全SiC MOSFET模塊的逆變器，降低傳導與開關損耗。隨后，奧迪、大眾、蔚來等車企也在加速SiC MOSFET的落地，相繼迎來量產。
特斯拉Model 3搭載基于全SiC MOSFET模塊的逆變器（圖源：騰訊）
據不完全統計，目前國內已經有十幾家車企已經采用或明確表示要采用SiC，隨著新能源汽車市場的快速發展，未來2年SiC車載需求有望得到迅速提升。Yole預測，2023年起，SiC功率半導體全年產值年增幅將超過4成，2025年SiC功率半導體產值更可達32億美元。其中，SiC在電動汽車領域的應用將以38%的年復合率增長，到2025年將超過15億美元。
2019-2025年全球SiC市場規模分析預測（圖源：智博睿投資咨詢）
汽車領域進入SiC放量元年？
如此短的時間內，是什么原因導致SiC被追捧？SiC在汽車領域又呈現怎樣的發展格局？
如今，隨著新能源汽車高速發展，此前采用較多的硅（Si）基材料基本已逼近其物理極限，如工作溫度、電壓阻斷能力、正向導通壓降、器件開關速度等，尤其在高頻和高功率領域更顯示出其局限性。為此，需要新的材料來替代。
作為第三代半導體材料的典型代表，SiC具有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導率、高電子遷移率及更高的抗輻射能力，是高溫、高頻、高壓、大功率以及耐輻射應用場合下極為理想的半導體材料。此外，由于SiC功率器件可顯著降低電子設備的能耗，可使新能源汽車的系統效率更高、重量更輕及結構更加緊密，有助于節省成本以及續航里程的提升。
目前，電動車中的主驅逆變器仍以硅基MOSFET和硅基IGBT為主，但考慮到未來電動車需要更長的行駛里程、更短的充電時間和更高的電池容量，在車用半導體中，SiC將會是未來趨勢，在汽車上的主要應用包括電驅、逆變器、DC/DC（直流轉換器）、OBC（車載充電器）、電控以及電動汽車充電基礎設施等部分。
電驅動集成系統將加速SiC器件在電動汽車中的量產落地，電驅動作為核心的動力系統，直接影響到整車的能源效率、續航里程等。在當前集成化趨勢下，電機+減速器+逆變器集成的“三合一”電驅動模塊將成為市場主流，通過集成化設計，一方面可以簡化主機廠的裝配，提高產品合格率；另一方面可以大規模縮減供應商數量，可以達到輕量化、節約成本的目的。
從市場進展來看，Tier1廠商博世、博格華納、大陸、法雷奧等都紛紛推出了電驅動模塊，且部分已經量產落地，憑借自身在機械制造領域的深厚經驗，在電機、減速器領域的優勢較為明顯。
其中，逆變器作為電動汽車的另一大主要部件，為了滿足市場對于高效驅動模塊的需求，供應商都在通過兼并收購或戰略合作等方式迅速補足逆變器尤其是高壓逆變器技術這一塊的拼圖。出于成本因素考慮，當前基于SiC材料的逆變器首先配置于高端電動車，特斯拉是SiC器件應用的先行者，其Model 3車型的驅動電機部分搭載了24個650V/100A的SiC MOSFET模塊，車身比Model S減輕了20%。
特斯拉Model 3搭載了24個650V/100A的SiC MOSFET模塊（圖源：騰訊）
此外，車載充電器和充電樁使用SiC器件后將充分發揮高頻、高溫和高壓三方面的優勢，有助于提高汽車充電速度，實現充電系統小型化和高可靠性。
以充電樁為例，為了緩解消費者對電動汽車續駛里程的焦慮，各國都在建設公共充電樁，加速電動汽車的發展，充電樁將成為帶動SiC應用實現突破的另一推動因素。隨著電動汽車保有量的上升，提升充電效率縮短充電時間是用戶的關注核心，直流充電樁技術正發展迅猛。同時，充電樁電壓隨電動汽車電池組電壓的增加而發生需求變化。電池電壓從400V增加到800V，充電樁電壓也要從500V增加到1000V，這也導致充電樁需要采用電壓1200V的功率部件。
然而，當電壓大于900V要實現更大功率時，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出其短板，其在轉換效率，開關頻率，工作溫度等多方面都將受限。SiC器件憑借材料特性優勢，能夠彌補傳統半導體材料器件在實際應用中的缺陷，能提供比硅基IGBT尺寸更緊湊的解決方案，更高的效率和頻率，更好的滿足高功率充電樁的需求，進而降低充電成本。
圖源：羅姆，國元證券研究中心
Yole預測，充電樁市場規模在2019-2025年間的CAGR預期將高達90%，至2025年可增長至2.25億美元。SiC有望在新的市場潛力下實現突破。
綜合來看，智能汽車在智能化、電氣化趨勢下的持續演進，下游傳統汽車升級帶來龐大的功率半導體需求。在此背景下，SiC產業將迎來發展風口，Yole研究數據顯示，即使在新冠疫情影響之下，功率半導體在汽車領域市場的增速有所下降，但基于SiC的電動汽車市場也并未放慢發展步伐，且眾多汽車制造商在繼續認證車規級SiC MOSFET。
2021年汽車領域SiC有望進入放量元年。
SiC上車的機遇和挑戰
根據半導體時代產業數據中心預計，SiC晶片在半導體領域的出貨量將從2020年的13萬片增長到2025年的80萬片，2020-2025年復合增長率達到43.8%，遠高于全球27.2%的復合增長率，中國出貨量占有率預計將從全球8.67%上升至16%。
積極地數據預測下，一方面是供應商方面對產業前景的充分看好。全球SiC襯底、器件廠商對市場預期積極，如Cree預計SiC襯底、SiC功率器件2024年市場規模分別可達11億、50億美元，2018-2024年復合增速達44.47%、51.11%；II-VI（貳陸公司）更是預計2030年SiC市場規模將超300億美元，2020~2030年復合增速高達50.60%；此外，羅姆、ST、英飛凌等廠商也對SiC市場未來增長持有強烈的信心，凸顯行業上行趨勢的強勁。
另一方面，上文也介紹了SiC在需求側的旺盛需求，電動汽車市場將成為引領SiC持續增長的“中流砥柱”，帶動SiC功率半導體的落地和滲透。據英飛凌統計，2020年全球新能源車銷量達324萬輛，同比增長43%，其中我國新能源車銷量高達133.48萬輛，穩居全球第一。2020年全球新能源車銷售量實現了大幅增長，預示SiC下游市場需求或將迎來爆發期，帶來對功率半導體的需求量大幅擴張，SiC功率器件未來或將持續替代硅功率器件，迎來持續的需求增長期。
從產業鏈結構來看，半導體芯片的基本結構都可以按照“襯底-外延-器件”劃分，SiC在半導體芯片中存在的主要形式是作為襯底材料。
SiC產業鏈分布情況（圖源：搜狐）
其中，SiC晶片是SiC晶體經過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。SiC晶片作為半導體襯底材料，經過外延生長、器件制造、封裝測試等環節，可制成SiC二極管、SiC MOSFET等功率器件。
SiC功率半導體制備工藝
從車用場景看，盡管目前SiC前景向好且受到市場追捧，但在商業化進程中依然存在各類問題。
SiC前景向好，但挑戰仍在（半導體行業觀察制圖）
此外，在產業層面，從芯片和功率模塊設計到整車層面的應用驗證這一鏈條尚未打通，芯片企業缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業缺乏芯片層面的測評信息。
全球SiC技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了SiC器件市場擴大的步伐。
成本是SiC打開市場的關鍵
其實，歸根結底，上述一系列因素的最終反映就是SiC生產和應用成本過高。據CASA統計，SiC價格近幾年快速下降，2020年較2017年下降了五成以上。半導體廠商英飛凌大中華區電源與感測系統事業部協理陳志星也表示，SiC、GaN 等相關寬能隙 (WBG) 功率元件價格已經出現很大的降幅，但是仍舊與硅基產品之間成本差距確實存在，價格還比較高昂。
但也可以從另一個角度來考慮價格問題，以特斯拉為例，特斯拉Model3當年采購SiC模塊的成本要比硅基IGBT模塊貴不少。但特斯拉是從 TCO（總體擁有成本）的角度來考慮成本問題的：主逆變器功率器件由硅基IGBT替換成SiC器件之后，采購成本確實上升了將近1500元，但是卻帶來了整車效率的提升，導致電池裝機量的下降，從電池端把成本又省回來了。
嘗到甜頭的特斯拉，將SiC模塊從Model 3一款車型，逐漸推廣到了旗下的其他車型，實現了全線產品覆蓋。在特斯拉的帶動下，其他車企也都紛紛開始裝備SiC模塊。
當前，全球市場上6英寸SiC襯底已實現商業化，主流大廠也陸續開始推出8英寸樣品，ST前不久就宣布了制造出首批8英寸SiC晶圓片，在此之前，Cree早在2015年就展示了8英寸SiC樣品，2019年完成了首批8英寸SiC晶圓樣品的制樣，正在美國達勒姆市新建的晶圓廠也規劃以8英寸SiC產品為主；II-VI和SiCrystal也已經對外展示了8英寸SiC襯底樣品。
按照各大廠商的量產計劃來看，從2023年開始，逐漸量產8英寸襯底，外延及器件方面將繼續提高產能及制造良品率。未來，隨著6英寸襯底、外延晶片質量提高，8英寸產線實現規模化生產，降本效應有望顯現，推進SiC器件和模塊普及。而且，如果SiC模塊成為了電動汽車主流配置，規模效應下，價格自然也會降下來。
圖源：騰訊科技
當然，目前SiC從6英寸向8英寸邁進的過程中還存在諸多難點，“與硅材料芯片相比，8英寸和6英寸SiC生產的主要差別在高溫工藝上，例如高溫離子注入，高溫氧化，高溫激活等，以及這些高溫工藝所需求的hard mask（硬掩模）工藝等。高溫工藝關乎著SiC的良率，是各大SiC廠商所著力研發的關鍵環節之一。” 深圳基本半導體有限公司總經理和巍巍博士表示，8英寸SiC的制造難點主要集中在襯底生長、襯底切割加工、氧化工藝。其中，襯底生長方面，擴徑到8英寸，對襯底生長的難度會成倍增加；襯底切割加工方面，越大尺寸的襯底切割應力、翹曲的問題越顯著；氧化工藝一直是SiC工藝中的核心難點，8英寸、6英寸對氣流和溫場的控制有不同需求，工藝需各自獨立開發。
綜合來看，未來在生產規模、產能投資、良率控制等方面的共同推進下，SiC功率元件的成本有望有效下降，英飛凌預計3-5年后有機會把成本降到跟硅基元件相仿的程度，后段制程技術也持續推進。
SiC行業格局與國產化進展
縱觀全球市場格局，目前全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中CREE（子公司Wolfspeed負責SiC器件生產）、羅姆（子公司SiCrystal負責SiC晶圓生產）實現了從SiC襯底、外延、設計、器件及模塊制造的全產業鏈布局，實力較強。國際主要的上游原材料企業均實現了從襯底到外延的連續布局，器件生產廠商則主要以IDM形式為主，如英飛凌、ST、富士電機、三菱電機、安森美、東芝等。
從國內的SiC參與者來看，全產業鏈布局的玩家主要是中電科55所、世紀金光；生產SiC襯底的企業有天科合達、山東天岳、同光晶體等；生產SiC外延片的企業有東莞天域、瀚天天成；負責器件設計的企業有深圳基本半導體、瞻芯電子、蘇州鍇威特、陸芯科技等；以IDM形式生產器件和模塊的企業有泰科天潤、中車時代、斯達半導體、比亞迪半導體、揚杰電子、瑞能半導體等。
國內
外SiC產業鏈相關廠商（圖源：智博睿投資咨詢）
近期，國內SiC產業鏈相關企業仍在頻頻布局：露笑科技隨著襯底加工設備、清洗設備和測試設備的逐步到位及加工工藝優化，預計在9月份基本可實現6英寸導電型SiC襯底片的小批量生產；安徽徽芯長江SiC項目建設工程的主體工程順利封頂，計劃2021年3季度完成廠房建設和設備安裝調試，2021年12月底完成中試并開始試銷。預計目標年產4英寸SiC晶圓3萬片、6英寸12萬片。
國內企業在SiC襯底方面以4英寸為主，同時山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能、露笑科技等廠商已完成6英寸襯底的研發；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底，在SiC單晶襯底技術上形成自主技術體系。
從市場現狀來看，在SiC這條賽道上，國內企業經過幾年深入耕耘，正在積極進入一些關鍵產品的供應鏈，但目前與國外還存在一定差距。
對此，新能源與智能網聯汽車獨立研究者曹廣平向筆者說道：“在SiC晶片制造上，我們與美國的差距較大，但目前國內山東東岳等也取得了較好的進步，已掌握了2-6英寸晶片的制作技術。襯底、外延片、器件、模塊、驅動、輔助設計等后續的關鍵技術及相關工藝，國內取得了較大進步但還沒有完全掌握，主要處于學習、摸索以及創新階段。”
舉例來說，我國SiC外延材料，20μm及以下的產品水平接近國際先進水平；而100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離國際先進水平有一定的差距。器件方面，國外英飛凌、羅姆、Cree公司的產品已經開始推廣銷售，我們即使內供的情況也并不多見，整個產業鏈的能力水平還是偏弱，只是在局部領域或局部性能上達到國際水平。
圖源：搜狐
對于國產SiC落后的原因，可以歸納為以下幾點：第一，我國SiC功率器件領域發展還存在研發時間短，技術儲備不足，進行SiC功率器件研發的科研單位較少，研發技術水平跟國外還有一定差距等問題，追趕難度較大；第二，設計、開發、仿真、測試技術尚不成熟，封裝材料和檢測設備被國外企業壟斷；第三，從芯片設計到應用的鏈條沒有打通；第四，開放的公共研發服務平臺和規范標準支撐不足。
從全球供需關系來看，目前SiC產品供不應求。中國雖然是全球最大的需求市場，但國產供應能力不足。上述種種因素都在很大程度上制約著我國獨立自主的SiC產業發展壯大。曹廣平認為，包括SiC在內的第三代半導體技術，國內目前處于跟隨國外的狀態，存在應用和開發的巨大需求，但是深度的基礎研究和產業鏈整體環境沒有長期的積累，仍是需要加速追趕的階段。雖然說做好局部的突破也是可能的，但結合行業和企業的整體發展獲得大范圍的市場認可，仍然任重而道遠。
寫在最后
很顯然，在電動汽車大熱的當下，SiC已經成為國內外汽車產業布局的重點，不論是合作開發還是自主研發，均將SiC推向了技術浪潮的巔峰。
相對于硅基器件，SiC功率半導體在高工藝、高性能與成本間的平衡，將成為SiC功率器件真正大規模落地的關鍵核心點。隨著產業化進程的加速和成本的不斷下降，整體產業也正在步上高速增長的快車道。
在國產替代的需求和政策激勵下，期待國內的SiC企業能夠憑借自身強大的汽車市場需求和優勢，在SiC “上車”的趨勢和機遇中實現新的蛻變。
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