新能源汽車的快速發(fā)展，加上與之配套的充電樁建設(shè)快馬加鞭，成為SiC芯片發(fā)展的主要推手。市場研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole發(fā)布的《功率碳化硅（SiC）：材料、器件及應(yīng)用-2019版》報(bào)告指出，到2024年，SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將增至20億美元，2018～2024年的復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)高達(dá)29％。其中，汽車市場無疑是最重要的驅(qū)動因素，其SiC功率半導(dǎo)體份額到2024年有望達(dá)到50％。
■各大廠商搶占SiC器件高地
去年以來，車用SiC功率器件領(lǐng)域十分活躍，相關(guān)廠商開始爭搶市場席位。
意法半導(dǎo)體是首家推出車規(guī)級SiCMOSFET的半導(dǎo)體廠商，2019年其被雷諾－日產(chǎn)－三菱聯(lián)盟指定為高能效SiC技術(shù)合作伙伴，為新一代電動汽車車載充電器（OBC）提供功率電子器件。面對全球SiC晶圓供貨短缺的情況，2019年，意法半導(dǎo)體與Cree、Si-Crystal等多家碳化硅材料供應(yīng)商簽訂了長期供貨合同，擴(kuò)大供應(yīng)產(chǎn)能。同年12月，意法半導(dǎo)體完成對瑞典SiC晶圓制造商N(yùn)orstel的收購。今年4月召開的媒體溝通會上，意法半導(dǎo)體透露，開發(fā)中的SiC半導(dǎo)體解決方案項(xiàng)目達(dá)50多個(gè)，其中一半涉及汽車。
博世去年曾透露，2020年將開始在德國生產(chǎn)新一代微芯片，供電動汽車使用。該芯片使用了SiC半導(dǎo)體材料，首批樣品將交付潛在的客戶群體，并在三年后應(yīng)用于多款量產(chǎn)電動汽車。根據(jù)今年5月外電報(bào)道，博世已開始生產(chǎn)SiC汽車芯片。
今年6月4日，大陸集團(tuán)動力總成事業(yè)群、汽車電氣化供應(yīng)商緯湃科技與羅姆公司簽署了共同開發(fā)的合作協(xié)議。緯湃科技已開始采用SiC組件，進(jìn)一步提升運(yùn)用于電動汽車上的功率電子效率。幾天后，臻驅(qū)科技（上海）有限公司與羅姆成立“碳化硅技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，致力于進(jìn)一步加速開發(fā)以SiC為中心的創(chuàng)新型電源解決方案。6月17日，羅姆發(fā)布了業(yè)界先進(jìn)的第4代低導(dǎo)通電阻SiCMOSFET，其與在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下，成功地使導(dǎo)通電阻降低約40％，適用于包括逆變器在內(nèi)的車載動力總成系統(tǒng)。
同樣是在今年6月，宇通客車宣布，其新能源技術(shù)團(tuán)隊(duì)正在采用斯達(dá)半導(dǎo)體和CREE合作開發(fā)的1200VSiC功率模塊，開發(fā)業(yè)界領(lǐng)先的高效率電機(jī)控制系統(tǒng)，共同推進(jìn)SiC逆變器在新能源客車領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。今年早些時(shí)候，來自比亞迪的消息稱，首次應(yīng)用其“高性能SiCMOSFET電機(jī)控制模塊”的電動車型“漢”，大幅提升了電機(jī)的性能表現(xiàn)，0～100km/h加速僅需3.9秒。
- 汽車行業(yè)將占SiC市場半壁江山
SiC功率器件為何成為汽車行業(yè)“新寵”？博世中國汽車電子市場經(jīng)理王駿躍介紹稱，SiC作為一款新型的第三代半導(dǎo)體材料，在過去幾年中受到了越來越多的關(guān)注。從物理特性來說，相比于傳統(tǒng)的硅基材料，SiC更耐高溫，適合高功率、高頻率的工作環(huán)境；同時(shí)在使用過程中，有較高的電子遷移率和較小的能量損耗，可進(jìn)一步提升工作效率。
意法半導(dǎo)體功率晶體管部戰(zhàn)略市場、創(chuàng)新及重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)理FilippoDiGiovanni表示，全球車企正斥巨資開發(fā)和推出環(huán)保車型，SiC等寬帶隙半導(dǎo)體非常適合應(yīng)對可持續(xù)交通運(yùn)輸面臨的挑戰(zhàn)。與IGBT等傳統(tǒng)硅基器件比較，SiCMOSFET在導(dǎo)電性和開關(guān)性能方面明顯占優(yōu)，損耗較小，能效更高。對于給定的動力電池組，這些優(yōu)勢可以減少散熱限制且延長續(xù)駛里程。
正因如此，在新能源汽車及相關(guān)領(lǐng)域，SiC功率器件被逐漸應(yīng)用于各類逆變器、充電器和直流-直流轉(zhuǎn)換器中，用以替換傳統(tǒng)的硅基功率器件。總體來說，碳化硅在汽車行業(yè)，尤其新能源汽車領(lǐng)域大有可為，不僅符合未來的發(fā)展要求和趨勢，還可以降低零部件系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)而減小產(chǎn)品尺寸，同時(shí)進(jìn)一步提高車輛的整體可靠性、穩(wěn)定性，提升效率，降低能量損耗，提升約6％的續(xù)駛里程。這意味著電動汽車可以跑得更遠(yuǎn)，或配裝更小、更輕、更便宜的動力電池行駛同樣的距離。
羅姆相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，近半年來SiC的熱度之所以持續(xù)攀升，主要是因?yàn)殡S著新能源汽車的推廣，促進(jìn)了更高效、更小型、更輕量的電動系統(tǒng)的開發(fā)。特別是對驅(qū)動中發(fā)揮核心作用的主機(jī)逆變器系統(tǒng)而言，小型高效化已成為重要課題之一，這就要求供應(yīng)商進(jìn)一步改進(jìn)功率元器件。
另外，為延長電動汽車?yán)m(xù)駛里程，動力電池的能量密度和電壓不斷提高，用戶也對縮短充電時(shí)間有更迫切的需求。為了解決這些課題，能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓和低損耗的SiC功率器件被寄予厚望。
王駿躍還向記者補(bǔ)充道，從2015年開始，國家“大基金”一期開始投資部分SiC相關(guān)的上下游企業(yè)。地方政府和民間投資也開始頻繁地參與其中。而且，發(fā)展半導(dǎo)體已成為國家戰(zhàn)略，第三代半導(dǎo)體的研發(fā)生產(chǎn)變得越來越重要。他判斷，SiC器件首先會在工業(yè)領(lǐng)域（如光伏、不間斷電源、電力電子）推廣；汽車因?yàn)橛泄δ馨踩约膀?yàn)證的要求，行業(yè)廣泛共識是其應(yīng)用稍晚于工業(yè)領(lǐng)域。SiC器件2023～2025年將在汽車領(lǐng)域進(jìn)入高速發(fā)展期，主要產(chǎn)品以二極管和MOSFET為主；2025年后進(jìn)入成熟期，功率模塊將成為主要產(chǎn)品（基于銷售額），電動汽車及相關(guān)領(lǐng)域是SiC器件最大的市場之一。
- 消除技術(shù)和成本阻礙才能推廣
不過，據(jù)記者了解，業(yè)內(nèi)人士對SiC器件可謂“又愛又恨”。一方面，SiC器件具有高壓、高頻和高效的優(yōu)勢，給市場帶來的機(jī)遇遠(yuǎn)大于挑戰(zhàn)；但另一方面，SiC在制造和應(yīng)用方面又面臨很高的技術(shù)要求，如何降低使用門檻成為業(yè)界熱議的話題。
王駿躍認(rèn)為，目前阻礙SiC器件量產(chǎn)的原因主要在于兩方面，一是價(jià)格，一是技術(shù)。就價(jià)格原因來看，晶圓（Wafer）成本是最重要因素，現(xiàn)階段晶圓成本占功率器件成本的一半左右，全球主要的晶圓供應(yīng)又集中于少數(shù)幾家外資公司，訂單供不應(yīng)求。而且，現(xiàn)有晶圓片尺寸偏�。ㄖ饕�4～6英寸），造成成本居高不下�，F(xiàn)在，國內(nèi)一些公司已開始重視并且加大在晶圓研發(fā)和生產(chǎn)方面的投入。
在技術(shù)層面，大多數(shù)企業(yè)走的是由易到難、逐步發(fā)展的道路，從二極管到MOSFET、功率模塊，從工業(yè)級到汽車級。在這個(gè)過程中，它們會遇到各種各樣的挑戰(zhàn)。目前，SiC汽車級模塊發(fā)展存在一定的技術(shù)瓶頸，比如傳統(tǒng)封裝用于SiC時(shí)，耐久性和可靠性都有待改善。同時(shí)，對于不同客戶的要求，供應(yīng)商需要獨(dú)立設(shè)計(jì)、測試、驗(yàn)證。此外，汽車級SiC器件要滿足AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，但在現(xiàn)實(shí)中客戶的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
在Filippo看來，晶圓襯底緊缺可能是SiC產(chǎn)品量產(chǎn)的最大障礙，而車企的決心也同樣重要。“車企對意法半導(dǎo)體SiC產(chǎn)品的關(guān)注度越來越高，部分原因是我們的技術(shù)優(yōu)勢，部分原因是成功應(yīng)用SiC器件的電動汽車越來越多�？蛻裘靼祝叨塑嚤仨毷褂肧iC技術(shù)才能達(dá)到最高的性能和能效水平，尤其是對驅(qū)動電機(jī)逆變器而言。當(dāng)前市場的發(fā)展趨勢是將SiC的使用范圍下探到中檔車上。”他說。
王駿躍向記者表示，總體來說，對于SiC器件的應(yīng)用，除了部分“先行者”，其他車企還在評估、嘗試階段。據(jù)了解，國內(nèi)領(lǐng)先的新能源車企都有了比較明確的SiC器件、模塊應(yīng)用于逆變器和車載充電器的規(guī)劃和布局。而隨著成本進(jìn)一步降低，技術(shù)更加成熟，未來2～3年會有更多采用SiC器件的新車上市。“這既離不開政策刺激和資金扶持，又需要企業(yè)不斷開展并擴(kuò)大合作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合，挖掘市場需求，最終目的是降低成本，提高用戶接受度。惟有如此，SiC器件在汽車市場才能真正迎來春天。”王駿躍說。
