“充电5分钟，续航里程增加200公里。” 这是今年即将推出的智机LS6“全球800V双碳化硅平台”给出的数据。
由于碳化硅优异的物理性能满足了新能源汽车市场的发展需求，碳化硅半导体正迅速成为新能源汽车功率器件的发展趋势。 然而今年3月，碳化硅全球头号买家特斯拉却在碳化硅上投下了一枚“深水炸弹”——下一代汽车平台将减少75%碳化硅的使用量。
特斯拉为何“放弃”碳化硅？ 目前国内碳化硅行业发展到了什么阶段？ 您面临哪些机遇和挑战？ 近日，《上海汽车报》记者采访了碳化硅产业链多位专家，寻求上述问题的答案。
预计市场将快速增长
碳化硅是一种宽带隙半导体。 由于原材料的特性，碳化硅半导体具有“三高一低”的特点，即支持高频、高电压、耐高温、低损耗。 因此，对于整车制造商来说，碳化硅半导体可以降低功率器件的开关损耗和导通损耗，有效提高电动汽车的续航里程。
随着新能源汽车在全球范围内加速普及，功率密度标准的不断提高为碳化硅行业的发展提供了机遇。 目前，在各地制定的电动汽车发展路线图中，功率密度标准正在逼近主流硅基器件的性能极限，碳化硅器件已成为理想的替代品。 中国市场有小鹏G6、长安、华为HI等车型支持高压快充。 碳化硅功率器件是支持这些机型实现高压快充的重要技术。
碳化硅对电动汽车能源利用的协同效应明显。 据悉，在目前车辆主流400V电压平台的主驱动上，采用碳化硅功率器件替代原有的硅基IGBT功率模块，可使车辆效率提升约1%-1.5%，并且相应的续航里程将增加2%。 -3%； 在更前沿的800V高压平台上，随着电压的提高，碳化硅带来的提升更加明显，可以将车辆工况效率提升3%-4%，续航里程也相应增加车辆的 5% - 8%。 除了电机控制领域，碳化硅还应用于车辆充电领域。 OBC（车载充电器）和DC/DC（直流转换器）部件均采用碳化硅制成的（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
市场普遍认为，在电动汽车行业加速发展、渗透率提升的带动下，碳化硅有望迎来需求快速增长。 据半导体咨询机构Yole预测，2021-2027年全球碳化硅功率器件市场预计将从10.90亿美元增长至62.97亿美元，保持34%的年均复合增长率。
让基材“长得快”、“长得厚”、“长得大”
碳化硅被特斯拉“抛弃”了吗？ 业内人士表示，答案是否定的。 特斯拉减少碳化硅的使用量并不是“不想用”，更多的是因为面对销量的快速增长和特斯拉未来的市场目标，碳化硅的产能有限。 按照马斯克“2030年年产2000万辆特斯拉电动汽车”的构想，如果不限制使用量，届时全球碳化硅的产量可能还不够特斯拉家族使用。 也就是说，特斯拉真正的痛点是碳化硅价格昂贵且产能不足。
供给难以与需求匹配，这是碳化硅行业的现状。 “新能源汽车的销量增长非常快，面对可能有数千万辆的市场，即使单辆车的使用量很小，但整个市场的使用量是不可估量的。” 中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟副秘书长侯西峰表示。 在侯西峰看来，目前碳化硅产业链的瓶颈仍然在供应端，尤其是上游衬底和外延制造，影响最大。
“碳化硅就像‘五常大米’，‘好吃’，但‘很贵’。” 侯西峰表示，“在碳化硅价值链中，衬底约占47%，外延约占23%。价值链的70%。目前，全球有40多种车型使用碳化硅功率器件，其中中国占一半以上，下游需求巨大。但好的碳化硅芯片可以说是一机难求。”
碳化硅不是自然界中存在的物质。 它需要在人类创造的恶劣环境中合成，技术门槛极高。 目前，6英寸碳化硅衬底在2300℃的长晶炉中生长晶棒需要一周左右的时间，可以生长到20毫米左右的厚度。 而且，由于碳化硅晶体生长时间长，且具有硬脆的特性，碳化硅衬底的良率一直是困扰业界的问题。 据介绍，即使是全球行业龙头，综合良率也只有70%。
因此，要增加碳化硅的实际产量，一方面要重点突破良率问题，另一方面要推动技术突破，让衬底“长得更快”、“变粗”和“长大”。
“‘长而快’是指一周可以生长一炉。通过技术突破，提高了效率，缩短了生长所需的时间。‘长而厚’是指铸锭的厚度从每周约20mm，达到40-50mm，当厚度增加一倍时，可切割的基板数量自然也增加一倍，“增长”指的是面积，例如主流的6英寸碳化硅的生产工艺市场上的基板已经比较成熟，而8英寸的基板虽然已经研发成功，但还处于验证阶段，如果更大面积上有更多的芯片，成本还可以降低。” 侯西凤介绍。
要实现“长而快”、“长而粗”、“长而粗”的技术目标，需要有完整的技术链和供应链作为保障，推动技术创新突破，降低成本。通过切实提高质量和效率来降低碳化硅成本。 产量的减少和增加都是可能的。
制造能力保障亟需
目前，中国碳化硅芯片设计（）厂商正在迅速崛起，但具备制造工艺（）能力的企业并不多。
上海展芯电子是国内为数不多的具有碳化硅芯片设计和工艺开发优势的垂直集成制造（IDM）制造商之一。 展芯电子认为，工艺平台开发的基础地位更加突出。 如果基础不扎实，芯片设计就很难发挥应有的作用。
“芯片设计本质上是晶体管的集成，但除了晶体管集成之外，晶体管本身的性能也很重要。” 展芯电子市场销售副总经理曹军表示，“晶体管就像一块‘砖’，每块‘砖’的质量以及多块‘砖’的搭建都非常重要。因为有碳化硅功率器件上的“砖”种类不多，每一个“砖”的作用都比较突出，工艺平台的发展主要由工艺、材料和装备三个方面决定。未来碳化硅的竞争进入深水区，工艺、材料、设备的竞争将更加激烈，需要在自有产线上搭建工艺开发平台，推动碳化硅功率的升级迭代设备 。”
在制造过程中，产能是最迫切需要解决的问题。
目前，我国生产的碳化硅芯片在电流密度、低功耗、可靠性等方面基本可以与国际水平接轨。 与领先水平存在差距。 原因在于碳化硅芯片产业起步较早，国际领先厂商产品供应全球，衬底、材料和产业化验证领先于中国厂商。
吉塔半导体是国内汽车级器件制造领域的龙头企业，产能和技术水平均处于国内第一梯队。 吉塔半导体认为，碳化硅代工制造领域人才短缺。 对于吉塔半导体这样的龙头企业来说，他们希望凭借自身的技术积累、客户布局以及重资产、强制造的优势，推动产业规模效应进一步显现，让我国碳化硅功率器件产能“独占”它更上一层楼。”
主机厂系统集成有利于大规模推广
下游整车厂目前是SiC功率半导体的最大客户。 设计制造公司与承担系统集成任务的OEM厂商之间的合作为SiC市场的蓬勃发展提供了土壤。
吉塔半导体副总经理刘建华告诉记者：“碳化硅的最终目标是满足终端客户的需求，必须从产品定义开始，结合客户需求来规划系统集成、器件性能、产品性能。”终端客户的需求。从OEM制造到OEM系统集成，各个环节都要互相配合生活网报道，甚至敢于给上下游一些试错的机会。”
刘建华表示，目前碳化硅领域上下游联动主要有两种模式：一是政府主导，以项目形式打通产业链；二是政府主导，以项目形式打通产业链。 二是产业链各企业、整车厂和零部件企业互动。 政府推动两轮产业联动，基本沿用了原来车规级IGBT的产业联动模式，有望推动我国碳化硅产业快速追赶国际领先企业。
这也与目前整车厂的发展方向不谋而合。 “我们希望继续应用这项高效技术来支持国家的‘双碳’战略。” 上汽创新研发中心捷能公司电驱动事业部总工程师王东翠告诉记者，“不过，碳化硅目前成本仍然较高，制约了该技术的大规模推广。”
据悉，目前800V高压平台上用碳化硅功率器件替代硅基IGBT将使电驱动系统成本增加15%-30%。 同时，平台电压的提高也会导致电池成本增加5%-10%，这将使整车成本增加数千元。 在当前汽车市场竞争激烈的环境下，这样的成本增加不容小觑。 在应用更为广泛的400V电压平台上，虽然400V电池组的成本比800V更划算，但目前400V碳化硅的应用效率会不及800V，因此400V车辆也面临着相当大的成本压力。 。
为加快碳化硅国产化进程，推动碳化硅更快、更多地应用于汽车上，包括上汽在内的多家中国整车厂纷纷与上游企业展开紧密合作，通过产业链协同促进上下游共赢。 同时，上汽还通过产业金融投资完成了碳化硅半导体产业链的相关布局，其中将包括衬底原材料企业天科合达、天岳先进，设计/制造企业华大半导体、吉塔半导体、高品质半导体等。展新电子等企业融入上汽产业生态，形成价值共创共同体，共同推动碳化硅产业链上下游的业务协同和资源整合。
王东翠表示：“现在整车的集成度越来越高，深度集成需要更多上下游的配合。在系统中，如何优化功率器件的空间和体积？如何将性能与电机紧密结合？产品可靠性如何提高性能？为了解决这些问题，作为主机厂，我们可以与上游供应商共同定义和开发，以达到更好的性能。
据王东翠预测，到2026年，碳化硅行业良品率将提高，生产规模也将扩大。 届时，汽车整体成本将逐渐下降至与硅基IGBT同等水平，应用前景相当广阔。
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