[熱點(diǎn)分享]汽車SIC功率半導(dǎo)體勢(shì)不可擋
近日，DIGITIMES Research給出了一組數(shù)據(jù)：預(yù)計(jì)到2025年，電動(dòng)汽車用碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體將占SiC功率半導(dǎo)體總市場(chǎng)的37%以上，高于2021年的25%。
SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，令其成為新能源汽車的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使重量更輕、系統(tǒng)效率更高且結(jié)構(gòu)更緊湊。
在電動(dòng)汽車中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于控制電機(jī)和驅(qū)動(dòng)的逆變器、車載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言，800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單，機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于快速充電樁和車載充電，與傳統(tǒng)硅器件相比，SiC功率半導(dǎo)體在充電過程中減少了所需的電容和電感的數(shù)量，也減少了能量損失。 SiC比硅更輕、更薄、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。車用半導(dǎo)體中，SiC是未來趨勢(shì)，目前，xEV車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來電動(dòng)車需要更長的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，SiC基MOSFET將是大勢(shì)所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率，從而降低電池成本。 目前來看，車用功率半導(dǎo)體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來，因?yàn)樗阅芨鼜?qiáng)，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車動(dòng)力電池包越來越大、電機(jī)最大功率/峰值扭矩越來越高，SiC基MOSFET的優(yōu)勢(shì)就越顯著。 要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢(shì)，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù)，以獲得更高的工作電壓、最大功率和綜合效率。目前，SiC基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率（以逆變器效率計(jì)算）約為98%，在應(yīng)用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢(shì)。 SiC 應(yīng)用到電動(dòng)汽車的逆變器、OBC、DC/DC時(shí)，更低的阻抗可帶來更小的尺寸，更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸，且更耐高溫，可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，最終帶來的是系統(tǒng)級(jí)的體積縮小和成本的降低。
車用SiC器件
SiC用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開關(guān)損耗降低75％（芯片溫度為150° C）。在相同封裝下，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。
特斯拉的Model 3采用了英飛凌和意法半導(dǎo)體的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。而早在2017年12月，羅姆為VENTURI車隊(duì)在電動(dòng)汽車全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E”錦標(biāo)賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器，使逆變器重量減輕了6kg，尺寸下降了43%。 逆變器已經(jīng)開始使用IGBT+SiC SBD的混合方案，預(yù)計(jì)全SiC的逆變器將從2023年開始在主流豪華車品牌中量產(chǎn)。 據(jù)羅姆測(cè)算，到2026年，幾乎所有搭載800V動(dòng)力電池的車型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢(shì)。 此外，車載OBC和DC/DC，已經(jīng)開始采用SiC器件。全SiC方案也有望從 2021年開始量產(chǎn)。 新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向和傳遞速度，傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車最主要的電能損耗來源，而使用SiC則可大大降低這一過程中的能量損失。 將傳統(tǒng)PCU配備的硅二極管換成SiC二極管，硅IGBT換成SiC MOSFET，就可以降低10%的總能量損耗，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使車輛更為緊湊。 SiC功率器件也在加速融入車載充電器領(lǐng)域，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動(dòng)汽車充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，這一市場(chǎng)在2023年之前可保持44%的增長速度。
成本控制
目前，制約SiC功率器件大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙依然是成本，受制于上游晶圓產(chǎn)能不足、晶圓缺陷面積較大等原因，目前SiC功率器件的價(jià)格是硅的5-10倍。
成本問題主要源于低效的晶體生長過程，傳統(tǒng)硅晶圓制作是將多晶硅在1500℃左右融化后，將籽晶放入其中邊勻速旋轉(zhuǎn)邊向上提拉形成約2m的硅錠，再進(jìn)行切割、倒角、拋光、蝕刻、退火等操作，然后形成晶圓。而SiC晶錠的制作比硅低效很多，普遍采用PVT 法，將固態(tài) SiC加熱至2500℃升華后，在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶而成。 SiC晶圓的尺寸迭代與硅相比仍處于早期階段，目前許多主流廠商都已經(jīng)量產(chǎn)6英寸晶圓，并同步進(jìn)行8英寸的研發(fā)，計(jì)劃最早于2022年量產(chǎn)8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達(dá)到6英寸的1.8倍，但同時(shí)也面臨著缺陷密度變高等難題。
不過，2022年有望成為SiC價(jià)格下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)橹髁骱廊A車品牌開始量產(chǎn)采用SiC方案的車型，這將大幅提升襯底廠商8英寸線的產(chǎn)能利用率。到2025年，SiC器件價(jià)格有望下降到當(dāng)前水平的1/4-1/3，結(jié)合電池成本的節(jié)省，SiC的性價(jià)比將顯著提高。
需求大增
新能源汽車行業(yè)存在續(xù)航和充電的“老大難”亟需解決，為此車企需要轉(zhuǎn)換效率更高的功率半導(dǎo)體，這成了SiC功率器件市場(chǎng)拓展的重要驅(qū)動(dòng)力。作為第三代半導(dǎo)體材料之一的SiC 具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及抗輻射能力，因而SiC 功率器件在高電壓額定值、低導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)速度等方面有良好的性能表現(xiàn)，可滿足車企能源轉(zhuǎn)換以及提高能效等方面的需求。
尤其是在提高能效方面，SiC器件相比其他硅基材料產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)突出。博世汽車電子中國區(qū)總裁Georges Andary表示，碳化硅半導(dǎo)體能為電機(jī)帶來更高的功率，將為汽車行業(yè)帶來新的變革。相較于傳統(tǒng)硅基產(chǎn)品，使用碳化硅產(chǎn)品能耗降低50%，功率也有所提升讓汽車?yán)m(xù)航里程提高6%。
從2019年新能源汽車銷量來看，中國仍占據(jù)著全球新能源汽車市場(chǎng)的半壁江山，這也是國際各主要大廠加大第三代半導(dǎo)體SiC布局的重點(diǎn)市場(chǎng)。據(jù)了解，SiC器件市場(chǎng)份額主要集中在海外廠商手上，其中Infineon、ROHM、ST和Cree四家企業(yè)占據(jù)全球近9成市場(chǎng)份額。除了中游Cree、ROHM、Infineon等半導(dǎo)體廠商推出車規(guī)級(jí)SiC Mosfet產(chǎn)品外，下游以博世等tier 1公司為代表的企業(yè)迅猛推進(jìn)車用半導(dǎo)體，其第三代半導(dǎo)體正式進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈，與下游企業(yè)合作緊密。行業(yè)內(nèi)人士向集微網(wǎng)表示，“汽車產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)悄壳疤蓟栌昧孔畲蟮募械兀┦缿{借全球第一tier 1公司的優(yōu)勢(shì)，在功率半導(dǎo)體器件方面出貨迅猛，現(xiàn)已排到歐洲半導(dǎo)體出貨量第四位?！?/span>
市場(chǎng)格局
從產(chǎn)業(yè)格局看，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(shì)。其中美國全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話語權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。
在SiC應(yīng)用于電動(dòng)汽車方面，SiC肖特基二極管器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高端電源市場(chǎng)，包括PFC、光伏逆變器和高端家電變頻器。以SiC的龍頭企業(yè)美國科銳、德國英飛凌、日本羅姆等半導(dǎo)體巨頭公司為代表的功率器件公司逐步推出SiC金屬一氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管 (BJT)、結(jié) 型場(chǎng)效應(yīng)管 (JFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IG—BT)產(chǎn)品。其中日本企業(yè)在SiC應(yīng)用推廣上更加積極，不斷推出SiC二極管和 MOSFET的功率模塊 ，并在電動(dòng)汽車和軌道交通上不斷進(jìn)行應(yīng)用研究，目前已經(jīng)取得了明顯的成就。
日本：目前SiC器件在電動(dòng)汽車（含混合動(dòng)力汽車）上應(yīng)用發(fā)展最快的是日本企業(yè)，典型為豐田公司。豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和電裝公司 從1980年就開始合作開發(fā)SiC半導(dǎo)體材料，2014年5月他們正式發(fā)布了基于SiC半導(dǎo)體器件的零部件——應(yīng)用于新能源汽車的功率控制單元（PCU）。另外，本田汽車公司、日產(chǎn)汽車公司均和羅姆公司 就HEV／EV應(yīng)用SiC半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開發(fā)出了使用SiC半導(dǎo)體器件的高功率電源模塊，將轉(zhuǎn)換器和逆變器的二極管和晶體管全部由硅器件改為SiC器件。
美國：福特汽車公司2015年底宣布計(jì)劃為電動(dòng)汽車項(xiàng)目投資45億美元。近年福特公司已經(jīng)就SiC／GaN器件在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用進(jìn)行了投資研究。另外，特斯拉已在車型中應(yīng)用SiC功率器件。
另外SiC技術(shù)的著名企業(yè)美國Cree公司開發(fā)了多款適合于新能源汽車使用的SiC功率模塊，并和 合作伙伴合作推出了使用SiC功率模塊和二極管 的電動(dòng)汽車充電樁整體解決方案。
中國市場(chǎng)
來自ev sales的數(shù)據(jù)顯示，2019年全球新能源汽車銷量為215萬輛，中國市場(chǎng)銷量達(dá)到116萬輛，占全球比重達(dá)54%。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年、2023年、2025年，中國新能源汽車產(chǎn)量分別為160萬輛、320萬輛、480萬輛。2020-2022年，只有少部分B級(jí)及以上車型采用SiC基MOSFET，其他車型采用硅基IGBT，預(yù)計(jì)2023年是8英寸SiC襯底技術(shù)商業(yè)化初步成熟之年，屆時(shí)，相當(dāng)數(shù)量的B級(jí)及以上車型將采用SiC基MOSFET，A級(jí)及以下車型仍使用硅基IGBT。SiC基 MOSFET成本每年降低2%。 據(jù)中信建投證券估計(jì)，到2025年，中國新能源汽車用功率器件市場(chǎng)規(guī)模在100億元以上，其中硅基IGBT逾70億元，SiC基MOSFET近40億元。 受益于新能源和混動(dòng)汽車銷量快速增長，以及新能源雙積分政策推動(dòng)，國內(nèi)汽車功率半導(dǎo)體將保持旺盛的市場(chǎng)需求。中長期來看，SiC基MOSFET發(fā)展?jié)摿薮螅档闷诖?/span>
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