新能源汽車，碳化硅器件加快替代硅基IGBT
發(fā)布時(shí)間：2021-07-01 12:00
近日，特斯拉發(fā)布了一款新車型——Model S Plaid。該車的創(chuàng)新之一是搭載了由碳化硅(SiC)為主要器件的逆變器。由于SiC MOSFET具有更好的耐高壓、高溫、高頻性能，加載到逆變器之中以后，幫助Model S Plaid成為目前全球加速最快的量產(chǎn)車型(0-100km/h加速僅需2.1秒)。除此之外，比亞迪·漢EV高性能四驅(qū)版本也搭載了SiC器件，為國(guó)內(nèi)首款采用SiC技術(shù)的車型。蔚來(lái)計(jì)劃今年發(fā)布的純電轎車也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅(qū)平臺(tái)。隨著越來(lái)越多新能源車型采用碳化硅器件，顯示出碳化硅對(duì)傳統(tǒng)車用硅基IGBT的替代已經(jīng)逐漸展開(kāi)，為碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展展現(xiàn)出良好的前景。
碳化硅器件進(jìn)入特斯拉、比亞迪新車型
特拉斯是全球率先采用碳化硅逆變器的車企。2018年特斯拉在Model 3上最主要的一項(xiàng)創(chuàng)新就是采用了意法半導(dǎo)體推出的650V SiC MOSFET逆變器。相比Model x等車型上采用的IGBT，SiC MOSFET能帶來(lái)5%～8%的逆變器效率提升，對(duì)電動(dòng)車的續(xù)航能力有著顯著提升。2020年特拉斯推出Model Y，動(dòng)力模塊后輪驅(qū)動(dòng)也采用了SiC MOSFET。加上最新發(fā)布的Model S Plaid，至今特斯拉已有三款車型采用SiC技術(shù)。此舉也讓碳化硅成為了業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。
接受記者采訪時(shí)，意法半導(dǎo)體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示，電動(dòng)汽車特別是與SiC相關(guān)的車用場(chǎng)景對(duì)改進(jìn)逆變器、車載充電機(jī)和DC/DC變換器性能的要求十分強(qiáng)烈。英飛凌汽車業(yè)務(wù)部車輛運(yùn)動(dòng)應(yīng)用營(yíng)銷高級(jí)經(jīng)理Naoki Hayashi也表示，與硅基IGBT相比，碳化硅可以提高5%～10%的電池使用率。
除了應(yīng)用于新能源汽車之外，碳化硅器件在新能源發(fā)電、軌道交通、航天航空等領(lǐng)域也有著廣闊的發(fā)展?jié)摿?。此前由于成本?wèn)題、器件性能不穩(wěn)定，限制了碳化硅器件的應(yīng)用，但隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，這些問(wèn)題正在得到解決。
根據(jù)Cree公司的預(yù)測(cè)，SiC逆變器能夠提升5%～10%的續(xù)航能力，節(jié)省400-800美元的電池成本(80kWh電池、102美元/kWh)。相關(guān)機(jī)構(gòu)研究也表明，雖然在一輛電動(dòng)車上采用SiC會(huì)多花200～300美元，但整車成本可以節(jié)省2000美元，比如節(jié)省600美元電池成本、節(jié)省600美元汽車空間成本，以及節(jié)省1000美元散熱系統(tǒng)成本。
可以說(shuō)，碳化硅對(duì)傳統(tǒng)硅基IGBT已經(jīng)具有了替代的基礎(chǔ)。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2020年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約5億～6億美元，約占整個(gè)功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)份額的3%～4%，預(yù)計(jì)到2022年，碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)10億美元。賽迪顧問(wèn)則在報(bào)告中指出，目前第三代半導(dǎo)體材料已逐漸進(jìn)入各汽車集團(tuán)的主流供應(yīng)鏈中，SiC襯底作為關(guān)鍵材料，將成為第三代半導(dǎo)體材料的布局熱點(diǎn)。
國(guó)際大廠全面進(jìn)軍碳化硅產(chǎn)業(yè)
人們對(duì)碳化硅功率器件的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代，由于其具有抗高壓、高溫、高頻，可適用于1200V以上的大電力領(lǐng)域等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為新型功率半導(dǎo)體器件研究開(kāi)發(fā)的主流。國(guó)際主要功率半導(dǎo)體器件廠商均對(duì)碳化硅給予高度重視，以期搶抓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。
意法半導(dǎo)體表示將大力發(fā)展碳化硅業(yè)務(wù)，并將其作為戰(zhàn)略和收入的關(guān)鍵部分的計(jì)劃。Jean-Marc Chery指出：“原材料和外延層方面是實(shí)現(xiàn)碳化硅技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。意法半導(dǎo)體兩年前收購(gòu)了 Norstel公司，填補(bǔ)了6 英寸晶圓的制造技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果證明，我們的產(chǎn)品技術(shù)性能高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。最近，我們還交付了首個(gè)8英寸碳化硅晶圓，并計(jì)劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造測(cè)試二極管，進(jìn)行MOSFET流片和測(cè)試?！?。
英飛凌同樣布局碳化硅產(chǎn)業(yè)多年。英飛凌科技大中華區(qū)總裁蘇華指出，功率半導(dǎo)體的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是碳化硅材料。早在1992年，英飛凌的前身西門子半導(dǎo)體部門就開(kāi)始了對(duì)碳化硅的研究。2018年，英飛凌收購(gòu)了碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司Siltectra。Siltectra的冷切割技術(shù)(Cold Spilt)相比傳統(tǒng)工藝可提高90%的生產(chǎn)效率。
美國(guó)碳化硅大廠科銳公司則于今年3月宣布完成出售旗下LED產(chǎn)品事業(yè)部門，加上2019年5月完成照明業(yè)務(wù)出售交易。科銳將完全成為一家以碳化硅和氮化鎵產(chǎn)品為主的第三代半導(dǎo)體公司，主要業(yè)務(wù)包括出售襯底、外延片、功率或射頻器件產(chǎn)品，并且提供氮化鎵射頻器件代工業(yè)務(wù)，囊括了寬禁帶半導(dǎo)體的所有環(huán)節(jié)。
根據(jù)CASA的統(tǒng)計(jì)，全球碳化硅器件領(lǐng)域主要廠商包括意法半導(dǎo)體、英飛凌、科銳、羅姆，四家合計(jì)占據(jù)90%的市場(chǎng)份額。
強(qiáng)化需求牽引，加快構(gòu)建碳化硅產(chǎn)業(yè)生態(tài)
近年來(lái)，我國(guó)也積極展開(kāi)對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)。6月23日，三安光電在湖南建設(shè)的半導(dǎo)體基地一期項(xiàng)目正式投產(chǎn)。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后可形成月產(chǎn)3萬(wàn)片6英寸碳化硅晶圓的生產(chǎn)能力。三安光電股份有限公司副董事長(zhǎng)、總經(jīng)理林科闖表示，湖南項(xiàng)目是三安光電向第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域擴(kuò)張的重要一步。項(xiàng)目總投資160億元，將打造國(guó)內(nèi)首條、全球第三條碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈。5月31日，山東天岳遞交了科創(chuàng)板上市招股書，有望成為第一個(gè)科創(chuàng)板上市的碳化硅襯底材料企業(yè)。上市計(jì)劃募集資金20億元，用于碳化硅半導(dǎo)體材料項(xiàng)目的建設(shè)。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應(yīng)用幾個(gè)環(huán)節(jié)。這幾個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)我國(guó)均有所布局。SiC襯底材料方面，天科合達(dá)、山東天岳、同光晶體等均能供應(yīng)3英寸~6英寸的單晶襯底。SiC外延片方面，廈門瀚天天成與東莞天域生產(chǎn)3英寸~6英寸SiC外延片。器件方面，除三安光電外，華潤(rùn)微的6英寸商用SiC產(chǎn)線也已經(jīng)正式量產(chǎn)。
不過(guò)，中國(guó)工程院院士丁榮軍指出：“我國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自主創(chuàng)新，以晶閘管為代表的第一代、第二代器件達(dá)到了世界先進(jìn)水平，IGBT主流器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化取得了不少突破，但以碳化硅、氮化鎵等為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)起步較晚，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)認(rèn)識(shí)模糊，人財(cái)物資源投入不足，仍落后于世界頂尖水平?！?/p>
丁榮軍建議應(yīng)從幾個(gè)方面重點(diǎn)突破：一是通過(guò)資源整合，打造功率半導(dǎo)體國(guó)家級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)，聯(lián)合政、產(chǎn)、學(xué)、研、用各環(huán)節(jié)既有資源，圍繞全產(chǎn)業(yè)鏈需求和痛點(diǎn)開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新和公共服務(wù)，構(gòu)建自主生態(tài)和協(xié)同創(chuàng)新體系。二是功率半導(dǎo)體作為技術(shù)密集、資金密集和人才密集型行業(yè)，前期投入大，回報(bào)周期長(zhǎng)，投資風(fēng)險(xiǎn)大，需要政府給予相應(yīng)的政策傾斜，支持并帶動(dòng)社會(huì)各界持續(xù)投入資源，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。三是國(guó)家出臺(tái)鼓勵(lì)自主創(chuàng)新的支持政策，加快功率半導(dǎo)體器件技術(shù)創(chuàng)新和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，營(yíng)造鼓勵(lì)科技創(chuàng)新、支持自主研發(fā)的良好環(huán)境。四是強(qiáng)化需求牽引，政府、行業(yè)、用戶應(yīng)持續(xù)加大自主功率半導(dǎo)體器件的推廣力度，大力支持自主功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品的采購(gòu)應(yīng)用。
（文章來(lái)源：中國(guó)電子報(bào)）