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【芯观点】电动汽车即将驶入碳化硅时代 第三代半导体“黄金十年”要来了?

来源:爱集微

#芯观点#

#碳化硅#

04-08 17:36

图片来源:网络

芯观点──聚焦国内外产业大事件,汇聚中外名人专家观点,剖析行业发展动态,带你读懂未来趋势!

集微网消息,正在全球范围内加速的汽车电动化浪潮,正成为以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体主要驱动力,碳化硅产业迎来落地机遇——因为让电更有效的技术正变得越来越关键。而第三代半导体的优势正在于此。

与此同时,在“碳中和”的全球大命题之下,这一产业已然进入国家战略视角。第三代半导体成为今年全国两会的一大热词。在国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中明确提出,我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程,催生一批高速成长的新材料企业。

其中,设计和制造工艺相对更成熟的碳化硅,目前已在新能源汽车、充电桩、光伏、风电、工控等众多领域得到越来越广泛的应用。多位产业界人士认为,新能源汽车无疑是碳化硅未来几年产业化落地的主流市场。

车用碳化硅的“黄金十年”正启幕。

向车用碳化硅的技术转换期开启

简单梳理一下,制作芯片的核心材料按照历史进程分为:第一代半导体材料(大部分为目前广泛使用的高纯度硅),第二代化合物半导体材料(砷化镓、磷化铟),第三代化合物半导体材料(碳化硅、氮化镓)。其中,碳化硅因其优越的物理性能——高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率,将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

“今年应该很多国内车企会有推出碳化硅样车,从明年开始会有一个逐步从IGBT转向碳化硅的过程。”国内碳化硅领域初创企业派恩杰半导体创始人黄兴博士对集微网这样指出,因为碳化硅对于整车的效率,包括静音等方面,都优势明显。

从技术上看,一段时间以来电动汽车多是以硅材料的IGBT来作逆变器芯片模组,这也是功率半导体在电动车领域的技术主流。但自从特斯拉Tesla推出Model3,采用以24个碳化硅MOSFET为功率模块的逆变器后,碳化硅(SiC)这类新型半导体材料在电动汽车上的应用逐渐进入产业视角。

为什么碳化硅适合导入电动汽车?

Digitimes分析师兼研究经理林芬卉在一份报告中指出,使用碳化硅功率元件可降低能量损失(power loss),尤其对纯电动车而言唯一能量来源是电池,这意味着可以增加续航力。同时,碳化硅也更适合车内严苛环境使用,碳化硅具耐高压、耐高温、高频化(可达系统体积小型化)等特性。此外,使用碳化硅元件可简化散热系统设计,以及减少被动元件体积等,因而长远来看有助于降低系统成本。

与此同时,各国功率密度标准持续提升,也驱动碳化硅器件对硅基器件的替代进程。美国能源部旗下的组织U.S. Drive在2017年发布的《电气电子技术路线图》4中指出,在2025年电控的功率密度需达到100kW/L,效率应大于98%;而电机的功率密度需达到50kW/L,效率应大于97%。我国工信部发布的《<中国制造2025>重点技术领域路线图(2018年版)》中则明确提出,从2025年起,自主电控产品应实现功率密度不低于25 kW/L。

无论是从技术还是经济角度看,转向碳化硅的趋势逐渐明朗。

产业链如何挖掘新价值?

5G、智慧交通、新能源已经成为全球发展的方向,但作为上游材料的碳化硅等第三代半导体的市场潜力其实还远未被全部挖掘。

目前在市场应用方面,采埃孚、博世等多家零部件制造商以及特斯拉、比亚迪等车企已率先在其部分产品中采用碳化硅 MOSFET方案,比如特斯拉Model 3、比亚迪汉系列车型在电机控制器中就已应用碳化硅模块。其他主流车企也都有计划上马或者扩大碳化硅模块的应用。

黄兴就透露,自去年底起,已有不少车厂在和他们就车用碳化硅模块方面谈相关合作。“目前碳化硅模块,或者说这种大电流芯片,它还要解决一系列的技术问题,包括良率的提升,以及车规应用的可靠性验证筛选等,这也是当前对资金要求比较高的技术突破的部分。”

据Yole的数据,到2025年新能源汽车用碳化硅功率器件市场规模将达到15.5亿美元,2019-2025年CAGR 38%,充电桩增速更高达90%。国盛证券对新能源车用碳化硅需求规模弹性进行测算,预计中期仅逆变器对碳化硅需求就有望打造70-80亿美元市场,车用碳化硅黄金十年即将开启。

此外,从产业链中游来看,国内第三代半导体器件市场有着巨大的增长空间,或能成为倒逼上游材料发展的一大动力。

碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料,并且不论是集成电路还是分立器件,其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件” 结构。碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。碳化硅晶片作为半导体衬底材料,经过外延生长、器件制造等环节,可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件,是第三代半导体产业发展的重要基础材料。

国盛证券在近期的研报中指出,碳化硅材料耐高温、耐高压、低导通电阻、高频等特性显著优于硅。碳化硅衬底价值量在碳化硅器件中占比最高,未来发展趋势是晶圆尺寸增加(目前4-6英寸过渡,领先厂商扩产8英寸)、主流产品从碳化硅二极管转变为碳化硅MOSFET。碳化硅功率器件已经历从PFC电源到光伏的应用发展,未来十年新能源汽车、充电设施、轨道交通等将是主要推动力。

而碳化硅衬底产量提升的问题也是全球产业的一大聚焦点。根据TrendForce集邦咨询的调查显示,由于通讯及功率领域皆需使用碳化硅衬底,因而6英寸晶圆的供应量显得吃紧,预估2021年SiC器件于功率领域营收可达6.8亿美元,年增32%。目前各大衬底商如科锐(CREE)、贰陆(II-VI)、意法半导体(STMicroelectronics)等已陆续开展8英寸衬底研制计划,但仍有待2022年后才有望逐渐纾缓供给困境。

全球龙头企业科锐近年来就不断战略转型聚焦第三代化合物半导体。科锐近两年先后剥离照明及LED产品业务,未来五年计划投入10亿美元扩产碳化硅等三代半核心业务。科锐具备碳化硅垂直产业链能力,碳化硅衬底全球市占率近60%,2022年有望率先实现8英寸碳化硅晶圆量产。

国内企业也在不断追赶。三安光电近年来就在大规模投资碳化硅领域,并逐渐形成碳化硅垂直产业链布局。三安光电的碳化硅从二极管到MOSFET,产品线覆盖逐渐增强,同时公司还联手家电、新能源车企业,推进产业应用。

另一国内功率半导体龙头斯达半导体也在不断加码碳化硅赛道。上个月初,斯达半导公告披露了2021年度非公开发行A股股票预案,公司拟非公开发行股票募集资金总额不超过35亿元资金,将用于投资高压特色工艺功率芯片和SiC(碳化硅)芯片研发及产业化项目、功率半导体模块生产线自动化改造项目和补充流动资金。项目达产后,预计将形成年产36万片功率半导体芯片的生产能力。而这并不是斯达半导首次布局碳化硅功率芯片。去年12月18日,斯达半导公告称,公司拟投资22947万元建设全碳化硅功率模组产业化项目,投资建设年产8万颗车规级全碳化硅功率模组生产线和研发测试中心。

巨大的新市场窗口期已经打开,但如何分得一杯羹,产业链企业还需各凭实力。

(校对/jimmy)

责编: Aki

Carrie

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作者简介

集微网IC频道副主编,关注人工智能、智能制造、智驾及AIoT产业链。

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