SiC迎來“上車”時刻？
SiC迎來“上車”時刻？
來源：半導體行業(yè)觀察
SiC成為汽車領域冉冉升起的新星，正在引發(fā)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(fā)與生產(chǎn)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(chǎn)能達到18萬片。
8月11日，比亞迪半導體發(fā)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(fā)制造的高性能碳化硅功率模塊，這也是全球首家、國內(nèi)唯一實現(xiàn)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(fā)高效電控系統(tǒng)和車載充電系統(tǒng)。同時，其子公司與SiC企業(yè)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(chǎn)化。另一邊，零跑汽車也宣布2023年量產(chǎn)800V SiC電控產(chǎn)品。
車企和產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)圍繞SiC紛紛展開布局。
追溯SiC產(chǎn)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(fā)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(chǎn)。
特斯拉Model 3搭載基于全SiC MOSFET模塊的逆變器（圖源：騰訊）
據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)已經(jīng)有十幾家車企已經(jīng)采用或明確表示要采用SiC，隨著新能源汽車市場的快速發(fā)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(chǎn)值年增幅將超過4成，2025年SiC功率半導體產(chǎn)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(guī)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(nèi)，是什么原因導致SiC被追捧？SiC在汽車領域又呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展格局？
如今，隨著新能源汽車高速發(fā)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(tǒng)效率更高、重量更輕及結構更加緊密，有助于節(jié)省成本以及續(xù)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(tǒng)將加速SiC器件在電動汽車中的量產(chǎn)落地，電驅動作為核心的動力系統(tǒng)，直接影響到整車的能源效率、續(xù)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(chǎn)品合格率；另一方面可以大規(guī)模縮減供應商數(shù)量，可以達到輕量化、節(jié)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(jīng)量產(chǎn)落地，憑借自身在機械制造領域的深厚經(jīng)驗，在電機、減速器領域的優(yōu)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(zhàn)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(fā)揮高頻、高溫和高壓三方面的優(yōu)勢，有助于提高汽車充電速度，實現(xiàn)充電系統(tǒng)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(xù)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(fā)展，充電樁將成為帶動SiC應用實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(yōu)勢，能夠彌補傳統(tǒng)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(guī)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(xiàn)突破。
綜合來看，智能汽車在智能化、電氣化趨勢下的持續(xù)演進，下游傳統(tǒng)汽車升級帶來龐大的功率半導體需求。在此背景下，SiC產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展風口，Yole研究數(shù)據(jù)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(fā)展步伐，且眾多汽車制造商在繼續(xù)認證車規(guī)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(zhàn)
根據(jù)半導體時代產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)預測下，一方面是供應商方面對產(chǎn)業(yè)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(guī)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(guī)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(yè)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(xù)增長的“中流砥柱”，帶動SiC功率半導體的落地和滲透。據(jù)英飛凌統(tǒng)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(wěn)居全球第一。2020年全球新能源車銷售量實現(xiàn)了大幅增長，預示SiC下游市場需求或將迎來爆發(fā)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(xù)替代硅功率器件，迎來持續(xù)的需求增長期。
從產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈分布情況（圖源：搜狐）
其中，SiC晶片是SiC晶體經(jīng)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(jīng)過外延生長、器件制造、封裝測試等環(huán)節(jié)，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(yè)化進程中依然存在各類問題。
SiC前景向好，但挑戰(zhàn)仍在（半導體行業(yè)觀察制圖）
此外，在產(chǎn)業(yè)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(yè)缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業(yè)缺乏芯片層面的測評信息。
全球SiC技術和產(chǎn)業(yè)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(chǎn)和應用成本過高。據(jù)CASA統(tǒng)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(qū)電源與感測系統(tǒng)事業(yè)部協(xié)理陳志星也表示，SiC、GaN 等相關寬能隙 (WBG) 功率元件價格已經(jīng)出現(xiàn)很大的降幅，但是仍舊與硅基產(chǎn)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(xiàn)了全線產(chǎn)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(xiàn)商業(yè)化，主流大廠也陸續(xù)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(guī)劃以8英寸SiC產(chǎn)品為主；II-VI和SiCrystal也已經(jīng)對外展示了8英寸SiC襯底樣品。
按照各大廠商的量產(chǎn)計劃來看，從2023年開始，逐漸量產(chǎn)8英寸襯底，外延及器件方面將繼續(xù)提高產(chǎn)能及制造良品率。未來，隨著6英寸襯底、外延晶片質(zhì)量提高，8英寸產(chǎn)線實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，降本效應有望顯現(xiàn)，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(guī)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(chǎn)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(fā)的關鍵環(huán)節(jié)之一。” 深圳基本半導體有限公司總經(jīng)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(fā)。
綜合來看，未來在生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)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(xù)推進。
SiC行業(yè)格局與國產(chǎn)化進展
縱觀全球市場格局，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中CREE（子公司W(wǎng)olfspeed負責SiC器件生產(chǎn)）、羅姆（子公司SiCrystal負責SiC晶圓生產(chǎn)）實現(xiàn)了從SiC襯底、外延、設計、器件及模塊制造的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，實力較強。國際主要的上游原材料企業(yè)均實現(xiàn)了從襯底到外延的連續(xù)布局，器件生產(chǎn)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(nèi)的SiC參與者來看，全產(chǎn)業(yè)鏈布局的玩家主要是中電科55所、世紀金光；生產(chǎn)SiC襯底的企業(yè)有天科合達、山東天岳、同光晶體等；生產(chǎn)SiC外延片的企業(yè)有東莞天域、瀚天天成；負責器件設計的企業(yè)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(chǎn)器件和模塊的企業(yè)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(nèi)
外SiC產(chǎn)業(yè)鏈相關廠商（圖源：智博睿投資咨詢）
近期，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)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(yōu)化，預計在9月份基本可實現(xiàn)6英寸導電型SiC襯底片的小批量生產(chǎn)；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(diào)試，2021年12月底完成中試并開始試銷。預計目標年產(chǎn)4英寸SiC晶圓3萬片、6英寸12萬片。
國內(nèi)企業(yè)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(jié)能、露笑科技等廠商已完成6英寸襯底的研發(fā)；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(xiàn)狀來看，在SiC這條賽道上，國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過幾年深入耕耘，正在積極進入一些關鍵產(chǎn)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(wǎng)聯(lián)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(nèi)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(xù)的關鍵技術及相關工藝，國內(nèi)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(chuàng)新階段。”
舉例來說，我國SiC外延材料，20μm及以下的產(chǎn)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(chǎn)品已經(jīng)開始推廣銷售，我們即使內(nèi)供的情況也并不多見，整個產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(fā)展還存在研發(fā)時間短，技術儲備不足，進行SiC功率器件研發(fā)的科研單位較少，研發(fā)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(fā)、仿真、測試技術尚不成熟，封裝材料和檢測設備被國外企業(yè)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(fā)服務平臺和規(guī)范標準支撐不足。
從全球供需關系來看，目前SiC產(chǎn)品供不應求。中國雖然是全球最大的需求市場，但國產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。曹廣平認為，包括SiC在內(nèi)的第三代半導體技術，國內(nèi)目前處于跟隨國外的狀態(tài)，存在應用和開發(fā)的巨大需求，但是深度的基礎研究和產(chǎn)業(yè)鏈整體環(huán)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(yè)和企業(yè)的整體發(fā)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(jīng)成為國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)布局的重點，不論是合作開發(fā)還是自主研發(fā)，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(guī)模落地的關鍵核心點。隨著產(chǎn)業(yè)化進程的加速和成本的不斷下降，整體產(chǎn)業(yè)也正在步上高速增長的快車道。
在國產(chǎn)替代的需求和政策激勵下，期待國內(nèi)的SiC企業(yè)能夠憑借自身強大的汽車市場需求和優(yōu)勢，在SiC “上車”的趨勢和機遇中實現(xiàn)新的蛻變。
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