近年來，中國新能源汽車市場發(fā)展非常迅猛。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國新能源汽車銷量達到了949.5萬輛，同比增長37.9%，市場占有率已達31.6%。預(yù)計2024年，中國新能源汽車銷量可能將達到1200-1300萬輛，市占率可能超過45%，同時將占據(jù)全球新能源汽車總銷量的約60%。
特別是隨著新能源汽車對于能源轉(zhuǎn)換效率、充電效率、續(xù)航時間等方面的要求也越來越高，也推動了對于具有高功率密度、耐高溫、耐高壓、體積更小等諸多優(yōu)勢的SiC功率硅器件需求的快速增長。
不過，在10月22日，由EEVIA主辦的第12屆中國硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢峰會暨百家媒體論壇活動上，清純半導(dǎo)體(寧波)有限公司市場經(jīng)理詹旭標(biāo)則表示，隨著全球SiC材料產(chǎn)能的快速擴張，以及中國SiC器件設(shè)計及制造技術(shù)發(fā)展快速，產(chǎn)能持續(xù)擴張，預(yù)計到2026年全球碳化硅市場將會出現(xiàn)嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩。但是中國廠商SiC技術(shù)的持續(xù)迭代，已經(jīng)達到比肩國際一線廠商的水平，中國未來或?qū)⒅鲗?dǎo)全球SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
△清純半導(dǎo)體(寧波)有限公司市場經(jīng)理詹旭標(biāo)
碳化硅功率器件為新能源汽車帶來兩大關(guān)鍵優(yōu)勢
碳化硅是一種由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率和強電場擊穿強度等特點，是主要的第三代半導(dǎo)體材料。這些獨特的物理性質(zhì)使得碳化硅器件在高溫度、高頻率、高電壓以及高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出比傳統(tǒng)硅器件更優(yōu)異的性能。
具體來說，碳化硅器件可以在高達600°C的溫度下穩(wěn)定工作，其電阻率幾乎保持不變(約0.03Ωcm)，所以它不僅耐高溫，且散熱性能也非常好。而傳統(tǒng)硅器件的工作溫度上限通常在150°C左右；碳化硅寬能隙特性使其具有更低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，從而提高了能源轉(zhuǎn)換效率；碳化硅的高電子遷移率使得器件能在高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出低損耗和高速度的特點；碳化硅器件還能夠承受比硅器件更高的電壓，可靠性更高，并且有助于減小器件尺寸和系統(tǒng)成本。
在詹旭標(biāo)看來，SiC功率器件給新能源汽車帶來了兩大關(guān)鍵好處：
1、提升新能源汽車的續(xù)航里程。得益于SiCMOSFET低導(dǎo)通電阻、低開關(guān)損耗的特點，新能源汽車電機控制器有望實現(xiàn)70%的損耗下降，進而增加約5%行駛里程。
2、解決了新能源汽車的補能焦慮問題。目前整個新能源汽車行業(yè)都是通過提升充電的功率來解決這一部分的問題，單充電槍功率正朝著超過350KW方向演進。預(yù)計到2025年，可以體驗到15分鐘充滿80%的電能。
得益于SiC功率器件給新能源汽車帶來的諸多優(yōu)勢，SiC主驅(qū)乘用車型正逐年快速增加。根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，2023年采用SiC主驅(qū)的新款乘用車型已達45款，而在2017年，全球僅有特斯拉的一款車型有采用SiC器件。從累計數(shù)據(jù)來看，到2023年，采用SiC器件的國產(chǎn)車型合計已經(jīng)達到了142款，其中乘用車76款。
從整個SiC功率器件市場規(guī)模來看，根據(jù)市場研究機構(gòu)的Yole Intelligence在Power SiC 2022報告中提供的數(shù)據(jù)顯示：SiC功率器件市場預(yù)計將持續(xù)增長，2021年至2027年的復(fù)合年增長率將超過30%，2027年將超過60億美元，預(yù)計汽車市場將占該市場的80%左右。相當(dāng)于整個新能源汽車采用SiC功率器件的市場是完全被打開了。目前，主驅(qū)應(yīng)用的主流器件還是以1200V SiC MOSFET為主。當(dāng)然，400V的平臺目前也是采用750V的SiC在做一些替代。
除新能源汽車之外，充電樁市場也是對于SiC功率器件需求非常旺盛的一個市場。據(jù)統(tǒng)計，2024年整個充電樁所需的SiC功率器件市場規(guī)模已達到25億人民幣。目前我國整體的汽車充電樁保有量約在900-1000萬左右。如果按照2030年的整個規(guī)劃，整個汽車保有量要達到6000萬輛，同時車樁比達到1：1，相當(dāng)于在未來4-5年我們大概還要增加5000萬個充電樁。按照目前的設(shè)計，充電模塊已經(jīng)開始用SiC，并且在DC-DC包括PFC應(yīng)用，用的數(shù)量至少是8個以上，所以整個市場需求規(guī)模是非常巨大的。
國外廠商壟斷近92%的SiC功率器件市場
從目前SiC功率器件市場格局來看，目前主要是被國產(chǎn)廠商所壟斷。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，在2023年全球碳化硅功率器件市場，意法半導(dǎo)體（ST）以32.6%市占率位居第一，安森美（onsemi）則由2022年的第四名躍居第二名，市場份額為23.6%。緊隨其后的則是英飛凌（Infineon，16.5%）、Wolfspeed（11.1%）、羅姆半導(dǎo)體（ROHM，8%）。這前五大國外SiC功率器件供應(yīng)商約占整個市場收的91.9%。
據(jù)詹旭標(biāo)透露，現(xiàn)在國內(nèi)整個SiC產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)潜容^分散的，雖然可能在襯底或者外延部分現(xiàn)在已經(jīng)形成了一些規(guī)模，但是在SiC功率器件，特別是車規(guī)級SiC功率器件這一塊，目前國產(chǎn)SiC MOSFET出貨銷售額基本是在幾千萬的水平，對比國外的巨頭，出貨量及銷售額差距是非常大的。
另外，從這些頭部的SiC功率器件廠商的產(chǎn)能規(guī)劃來看，目前他們都在持續(xù)擴大SiC的產(chǎn)能。比如Wolfspeed計劃投入65億美元來擴大SiC產(chǎn)能；羅姆計劃投資37億美元擴產(chǎn)；安森美計劃投資20億美元擴產(chǎn)；英飛凌的目前規(guī)劃的總投資也是達到了50億歐元；ST與中國三安集團合作，計劃投資約200億元人民幣擴產(chǎn)；博世計劃投資15億美元擴產(chǎn)。顯然，國外這些SiC器件巨頭擴產(chǎn)的投資規(guī)模都很大。
SiC即將進入產(chǎn)能過剩階段
相比國際巨頭的巨資擴產(chǎn)，中國國內(nèi)SiC廠商的投入也在持續(xù)擴大。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前國產(chǎn)的SiC的產(chǎn)能規(guī)劃投資總計約1000億元人民幣。不過，目前中國SiC產(chǎn)能投資過于分散，頭部企業(yè)也不夠強。
從具體的國產(chǎn)SiC襯底規(guī)劃產(chǎn)能來看，根據(jù)預(yù)測，到2026年，國內(nèi)整個SiC襯底的產(chǎn)能規(guī)劃大概是468萬片/年（折合6英寸晶圓）。如果這460萬片SiC襯底產(chǎn)能都能夠順利進行量產(chǎn)，屆時它將能滿足大概3000萬輛新能源汽車的需求。
根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國新能源汽車產(chǎn)量為958.7萬輛，同比增長35.8%；銷量達到了949.5萬輛，同比增長37.9%；而Rho Motion的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2024年初至9月底，全球共賣出1150萬輛電動車，其中國市場銷量高達720萬輛，年增長率達35%，在全球當(dāng)中的占比約63%。
詹旭標(biāo)表示，按照目前的一些預(yù)測數(shù)據(jù)來看，樂觀預(yù)計的話，到2026年，中國新能源汽車的產(chǎn)量大約會增長到2800萬~2900萬。屆時國產(chǎn)SiC襯底的產(chǎn)能將可滿足大概3000萬輛新能源汽車的需求，疊加海外SiC產(chǎn)能大幅增長，屆時全球SiC行業(yè)將會進入內(nèi)卷、產(chǎn)能過剩的階段。
隨著全球SiC材料的產(chǎn)能快速擴展，目前中國SiC器件設(shè)計跟制造也相應(yīng)地得到快速的發(fā)展，并且產(chǎn)能也是持續(xù)在擴展。除了在主驅(qū)上的應(yīng)用，目前在光伏、儲能包括充電模塊，這些市場競爭都是非常激烈的，并且由于整個市場的激烈競爭或者產(chǎn)能過剩導(dǎo)致主流器件的價格也是快速下降。
比如，在2023年9月份到2024年4月份，市場熱賣的1200V/40mΩ的SiC功率器件的平均價格，已經(jīng)從35元跌到了23元，下降幅度達到35%。并且對比硅基IGBT價格，目前大概是1.5-2倍。根據(jù)預(yù)測，如果SiC的價格達到同類硅基功率器件1.5-2倍價格區(qū)間，整個市場會發(fā)生巨大的變革，SiC的滲透率將會快速增長。
如果按照Yole數(shù)據(jù)，2024年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模大概是500億美元，那么兩三年后，SiC功率器件的價格下降到硅基功率器件1.2倍-1.5倍，那么這500億美元會不會全部都是SiC的呢市場？畢竟SiC功率器件對比硅基功率器件擁有高頻率、高功率密度、低損耗等諸多優(yōu)勢。
“從長遠來看，只有提高SiC企業(yè)的競爭力，通過技術(shù)迭代來實現(xiàn)整個技術(shù)降本增效，這是SiC企業(yè)賴以生存的唯一途徑。”詹旭標(biāo)總結(jié)說道。
國產(chǎn)SiC器件技術(shù)水平與國外差距迅速縮小
隨著整個新能源汽車主驅(qū)以及光伏、儲能、充電充行業(yè)的快速發(fā)展，目前整個國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)日趨完善。從材料到輔材、到襯底、外延、加工設(shè)備，包括設(shè)計、代工，現(xiàn)在基本上都是非常完善的，每個細(xì)分行業(yè)，都有了非常典型的代表廠商。
在詹旭標(biāo)看來，國產(chǎn)SiC器件技術(shù)水平跟國際的頭部企業(yè)，整個差距已經(jīng)非常小的。“我個人認(rèn)為，目前是沒有很大差距的。如果要說有差距，這個差距肯定是可以接受的差距。”
那目前主流SiC MOSFET技術(shù)大概是什么樣的水平呢？
詹旭標(biāo)將主流的兩種設(shè)計方案大致做了一個分類：
第一類，是平面柵極結(jié)構(gòu)的器件，代表廠商有Wolfspeed、ST、onsemi。平面柵極結(jié)構(gòu)的MOSFET目前也是在國內(nèi)或者在汽車領(lǐng)域包括光伏儲能，它的出貨量是最大的，并且它的可靠性目前也是最好的，而且工藝是非常成熟的。
第二類是溝槽柵極，主要以羅姆、英飛凌、博世等廠商為代表。溝槽柵極跟平面柵極各有優(yōu)缺點，平面柵整個工藝成熟，它在高溫下導(dǎo)通電阻是相對比較低的；而溝槽柵極會有比較低的Rsp，即比導(dǎo)通電阻比較低，但它在高溫下的熱性能沒有平面柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)這么好。
從近十年來國際主流SiC廠家的技術(shù)迭代路線來看，相當(dāng)于每過3-6年的區(qū)間，國際廠商會迭代一次，并且每次迭代大概下降20%-25%的Rsp水平。主流的SiC尤其是國外的技術(shù)水平，比如1200V SiC的Rsp大概能達到2.3~2.8mΩ。目前國內(nèi)1200V SiC MOSFET Rsp可能在2.8~3.3mΩ，差距正在快速縮小。
詹旭標(biāo)還以清純半導(dǎo)體為例，與ST、羅姆等頭部的SiC功率器件廠商進行了對比。
目前清純半導(dǎo)體基本上是以1年1代新產(chǎn)品的節(jié)奏快速迭代。從其第一代SiC MOSFET產(chǎn)品Rsp是在3.3mΩcm2左右，到2023年發(fā)布的第二代產(chǎn)品已經(jīng)達到了2.8mΩcm2。相比之下，2022年ST 1200V的MOSFET Rsp也是2.8mΩcm2。今年清純半導(dǎo)體將會發(fā)布第三產(chǎn)品，整個Rsp可以做到2.4mΩcm2，將跟國際巨頭目前的最新的產(chǎn)品做到幾乎打平。
此外，清純半導(dǎo)體針對主驅(qū)領(lǐng)域有推出比較多的產(chǎn)品，比如有24平方毫米、25平方毫米、27平方毫米、30平方毫米尺寸的產(chǎn)品，但主流的包括國外廠家針對主驅(qū)的芯片也是比較少的。
“當(dāng)時我們是秉著一個比較卷的態(tài)度，跟行業(yè)去做對標(biāo)。我們1200V產(chǎn)品系列的核心參數(shù)，完全對標(biāo)國際一流水平，并且在某些參數(shù)上或在可靠性方面可能會比他們更好�！闭残駱�(biāo)進一步解釋道：“我們?nèi)ツ赀�發(fā)布了全球最低導(dǎo)通電阻SiC MOSFET，大概是3.5mΩ，整個尺寸是10×10平方毫米的面積。雖然它的應(yīng)用是比較少，但是它的存在是非常有意義。它相當(dāng)于可以指導(dǎo)我們的下一代產(chǎn)品，因為我們可以對它做了一個非常詳細(xì)的良率分析，在不同的材料、不同的工藝，我們可以很清楚包括很準(zhǔn)確地了解針對每一個器件的良率。”
詹旭標(biāo)還以國際頭部企業(yè)目前在新能源汽車?yán)锩嬗玫米疃唷⒆畛墒斓钠骷c清純半導(dǎo)體的產(chǎn)品在相同的驅(qū)動、相同的參數(shù)、相同的板子上做一個詳細(xì)的做了1：1的對比。結(jié)果顯示，清純半導(dǎo)體的產(chǎn)品串?dāng)_抑制能力（串?dāng)_可能導(dǎo)致直通現(xiàn)象，或者會增加整個損耗）已經(jīng)領(lǐng)先國際一流水平。
詹旭標(biāo)指出：“在相同的dv/dt條件下，我們整個參數(shù)包括動態(tài)參數(shù)表現(xiàn)也更優(yōu)。這也是允許我們可以在同樣的參數(shù)下，降低開關(guān)損耗。對比競品，我們大概能降低35%-40%的開關(guān)損耗，同時提升產(chǎn)品的效率。”
另外，對于SiC功率器件來說，主要應(yīng)用于工業(yè)級和車規(guī)級市場，因此客戶對于產(chǎn)品可靠性的要求非常高。目前行業(yè)都是已經(jīng)按照車規(guī)等級的標(biāo)準(zhǔn)做了一些更加嚴(yán)格的測試，尤其是在主驅(qū)方面的應(yīng)用。
對此，清純半導(dǎo)體也對其產(chǎn)品做了非常全面且嚴(yán)苛的可靠性測試，實現(xiàn)了新能源汽車級工業(yè)應(yīng)用400萬顆MOSFET零失效的出色成績。
小結(jié)：
隨著SiC市場競爭越來越激烈，以及產(chǎn)能即將進入過剩的階段，國產(chǎn)廠商要想勝出就必須想辦法降低成本和提高產(chǎn)品的性能。
對于材料來說，一方面可以向更大尺寸的SiC材料發(fā)展，比如目前主要6英寸的SiC襯底，但頭部的廠商已經(jīng)進入了8英寸，尺寸越大，可以制造的器件就越多，可以攤薄成本。另一方面就是提升良率，降低SiC襯底的缺陷率。此外還可以向外延制備方向發(fā)展。
對于器件來說，主要就是往比導(dǎo)通電阻越來越低的水平去設(shè)計，同時在可靠性或者魯棒性方面向硅基IGBT的水準(zhǔn)對齊。針對工藝方面，溝道遷移率的問題可以進行更多的研究。
從市場端來看，目前國內(nèi)在SiC材料、器件量產(chǎn)已開始進入內(nèi)卷和洗牌快車道。
SiC功率器件在光儲充的國產(chǎn)替代已經(jīng)大批量應(yīng)用，成功推進2-3年，規(guī)模持續(xù)擴大，部分企業(yè)已率先完成100%國產(chǎn)替代。
雖然國產(chǎn)車規(guī)級SiC MOSFET技術(shù)與產(chǎn)能已對標(biāo)國際水平，但由于各種原因，SC MOSFET在乘用車主驅(qū)應(yīng)用目前仍依賴進口，但預(yù)計未來2~3年后局面肯定會有大幅改善。不過，由于競爭激烈和應(yīng)用場景復(fù)雜，車規(guī)級SiC MOSFET可靠性標(biāo)準(zhǔn)逐年提高，這也將進一步推動設(shè)計和制造技術(shù)進步。因此，在這塊國產(chǎn)需要持續(xù)跟上。
此外，激烈的市場競爭將促使國內(nèi)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品價格快速下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續(xù)擴大，主驅(qū)芯片國產(chǎn)替代已經(jīng)起步，并將逐步上量，最終有望主導(dǎo)全球供應(yīng)鏈。
“在完成SiC半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新及市場教育后，國際競爭焦點逐步從技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)移到大規(guī)模量產(chǎn)。依托巨大的應(yīng)用市場和高效產(chǎn)能提升，中國在不久的將來有可能主導(dǎo)全球SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。”詹旭標(biāo)總結(jié)說道。
編輯：芯智訊-浪客劍
