文｜上海汽車報
“充電5分鐘，續(xù)航里程增加200km。”這是年內即將上市的智己LS6“全域800V雙碳化硅平臺”給出的數(shù)據(jù)。
因碳化硅優(yōu)良的物理特性契合新能源汽車市場發(fā)展需求，碳化硅半導體正迅速成為新能源汽車功率器件的發(fā)展趨勢。然而，今年3月，全球碳化硅頭部采購商特斯拉卻給碳化硅投下了一枚“深水炸彈”——下一代汽車平臺將減少75%的碳化硅使用量。
特斯拉為何“舍棄”碳化硅？目前，國內碳化硅產業(yè)發(fā)展到什么階段？面臨哪些機遇和挑戰(zhàn)？近日，《上海汽車報》記者采訪了碳化硅產業(yè)鏈上的多位專家，為上述問題尋求解答。
市場規(guī)?？焖僭鲩L可期
碳化硅屬于寬禁帶半導體，由于原材料的特點，碳化硅半導體呈現(xiàn)出“三高一低”的特點，即支持高頻率、高電壓、耐高溫，以及低損耗。因此，對于整車廠來說，碳化硅半導體能降低功率器件的開關損耗與導通損耗，有效提升電動汽車的續(xù)航里程。
隨著新能源汽車在全球的普及加速，功率密度標準持續(xù)提升為碳化硅產業(yè)發(fā)展提供了契機。目前，各地區(qū)制訂的電動汽車發(fā)展路線圖中，功率密度標準逼近主流硅基器件的性能極限，碳化硅器件成為理想替代。中國市場上已有小鵬G6、長安阿維塔11、極狐阿爾法S華為HI版等車型支持高壓快充，碳化硅功率器件正是支持這些車型實現(xiàn)高壓快充的重要技術。
碳化硅對電動汽車能源利用的增效效果明顯。據(jù)悉，在目前整車主流的400V電壓平臺主驅上，用碳化硅功率器件替代原來的硅基IGBT功率模塊，大約能使整車工況效率提升1%-1.5%，對應續(xù)航里程提升2%-3%；在更加前沿的800V高壓平臺上，隨著電壓提升，碳化硅帶來的提升更加明顯，能使整車工況效率提升3%-4%，對應整車續(xù)航里程提升5%-8%。除了電機控制領域，碳化硅在整車充電領域也有應用。在OBC（車載充電器）和DC/DC（直流轉換器）兩類零部件上，都會用到由碳化硅制成的MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管）。
市場普遍認為，碳化硅有望在電動汽車產業(yè)加速發(fā)展及滲透率提升的推動下，迎來需求快速增長。根據(jù)半導體咨詢機構Yole的預測，2021-2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模有望從10.90億美元增長到62.97億美元，保持年均34%的復合增速。
讓襯底“長快”“長厚”“長大”
碳化硅被特斯拉“舍棄”了嗎？在業(yè)內人士看來，答案并非如此。特斯拉減少使用碳化硅并不是“不想用”，更多是因為在快速增長的銷量以及特斯拉未來的市場目標面前，碳化硅有限的產能導致“不夠用”。按照馬斯克“2030年特斯拉電動汽車年產量2000萬輛”的構想，如果使用量不加限制，屆時全球碳化硅產量可能都不夠特斯拉一家使用。換言之，特斯拉真正的痛點在于碳化硅價格昂貴、產能不足。
供給難以匹配需求，這恰是碳化硅行業(yè)現(xiàn)狀。“新能源汽車銷量上漲得非?？?，面對有可能是千萬輛級的市場，即便單輛車使用量再少，整個市場的使用量都是不可估量的?！敝嘘P村天合寬禁帶半導體技術創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長侯喜鋒表示。在侯喜鋒看來，目前碳化硅產業(yè)鏈的瓶頸依然在供給端，尤其是上游的襯底和外延制造，影響最大。
“碳化硅就像‘五常大米’，‘好吃’，但是‘很貴’?！焙钕蹭h表示，“在碳化硅價值鏈上，襯底大概占47%，外延大概占23%，兩者合計占了價值鏈的70%。目前，全球大約有40多款車型用到碳化硅功率器件，中國占了半數(shù)以上，下游的需求量很大。但是，好的碳化硅芯片，可以說‘一片難求’。”
碳化硅并非自然界存在的物質，需要在人為創(chuàng)造的嚴苛環(huán)境中合成，技術門檻極高。目前，制造6英寸碳化硅襯底的晶棒需要在2300℃的長晶爐中生長大約一周時間，能長到20mm左右的厚度。而且，由于碳化硅長晶時間長、屬性硬脆的特性，碳化硅襯底的良率一直是困擾行業(yè)的問題。據(jù)報道，即使是全球行業(yè)龍頭Wolfspeed，綜合良率也只有70%。
因此，要想提升碳化硅的實際產量，一方面要重點突破良率問題，另一方面要推動技術突破，讓襯底“長快”“長厚”“長大”。
“‘長快’，就是原先可能一周生長一爐，通過技術突破推動效率提升，讓生長所需時間縮短?！L厚’，就是讓晶棒的厚度從原來一周20mm左右長成40-50mm，厚度翻倍了，能切出的襯底數(shù)量自然也翻倍了?！L大’，指的是面積。比如說，現(xiàn)在市場上主流的6英寸碳化硅襯底的生產工藝比較成熟，8英寸襯底盡管已研發(fā)成功，但還處在驗證階段。如果在更大的面積上，芯片的顆數(shù)更多，就能降低成本。”侯喜鋒介紹道。
要想實現(xiàn)“長快”“長厚”“長大”的技術目標，必須要有完善的技術鏈和供應鏈作為保障，推動技術創(chuàng)新突破，通過切實的提質增效，使碳化硅的成本下降、產量上升成為可能。
亟須制造產能保障
當下，中國碳化硅芯片設計（Fabless）廠商快速崛起，而具備制造工藝（Foundry）能力的公司卻不多。
上海瞻芯電子是中國少有的垂直整合制造（IDM）廠商之一，兼具碳化硅MOSFET芯片設計與工藝開發(fā)的優(yōu)勢。瞻芯電子認為，工藝平臺開發(fā)的基礎地位更加突出，如果基礎不扎實，芯片設計就很難發(fā)揮出應有的作用。
“芯片設計在本質上是晶體管的集成，但除開晶體管集成，晶體管本身的性能也至關重要?！闭靶倦娮邮袌鲣N售副總經(jīng)理曹峻表示，“晶體管就像一塊‘磚’，每塊‘磚’的質量與多塊‘磚’的搭建都很重要。而碳化硅功率器件上因為“磚”的種類很少，所以每一塊‘磚’的作用更加突出。工藝平臺開發(fā)主要由工藝、材料、設備三個方面決定。未來碳化硅的市場競爭進入深水區(qū)時，工藝、材料、設備的競爭都會更加激烈，所以我們要在自己的生產線上搭建工藝開發(fā)平臺，推動碳化硅功率器件的升級迭代。”
在制造環(huán)節(jié)，產能是最亟須解決的問題。
目前，中國生產的碳化硅芯片在電流密度、低功耗與可靠性等性能指標上已基本能夠比肩國際水平，但在應用端，考慮到大批量生產的生產一致性，中國制造廠商依然與國際領先水平存在差距。究其原因，還是在于碳化硅芯片產業(yè)起步較早且國際領先廠商在全球供貨，襯底、材料及產業(yè)化的驗證領先于中國廠商。
積塔半導體是中國車規(guī)級MOSFET器件制造領域的龍頭企業(yè)，產能與技術水平均處于中國第一梯隊。積塔半導體認為，目前在碳化硅代工制造領域，人才相當緊缺。對于類似積塔半導體這樣的頭部企業(yè)而言，更加希望能依托自身的技術積累、客戶布局，以及重資產、強制造的優(yōu)勢，推動產業(yè)規(guī)?；M一步顯現(xiàn)，讓中國碳化硅功率器件產能“更上一層樓”。
整車廠系統(tǒng)集成助力大規(guī)模推廣
下游的整車企業(yè)是當前碳化硅功率半導體的最大客戶。設計制造企業(yè)與承擔系統(tǒng)集成任務的整車廠協(xié)同合作，為碳化硅市場茁壯成長提供了土壤。
積塔半導體副總經(jīng)理劉建華告訴記者：“碳化硅最終的目標是要滿足終端客戶的需求，一定是從產品定義開始，結合終端客戶的需求來規(guī)劃系統(tǒng)集成、器件性能、產品性能，因此從設計到代工制造，再到整車廠系統(tǒng)集成，各個環(huán)節(jié)一定要互相配合，甚至要敢于給上下游一些試錯的機會?！?/p>
劉建華表示，目前碳化硅領域的上下游聯(lián)動模式主要有兩種：一種是由政府牽頭，以項目形式串聯(lián)產業(yè)鏈；另一種則是產業(yè)鏈上各家企業(yè)和整車廠、零部件企業(yè)互動。政府推動與行業(yè)聯(lián)動兩輪并進，這基本上遵循了當初車規(guī)級IGBT的產業(yè)聯(lián)動模式，有望推動中國碳化硅產業(yè)迅速追趕國際領先企業(yè)。
這也與整車廠當前的發(fā)展方向不謀而合?！拔覀兿Ｍ懿粩喟堰@種高效的技術應用起來，支持國家的‘雙碳’戰(zhàn)略?！鄙掀麆?chuàng)新研發(fā)總院捷能公司電驅業(yè)務部首席工程師王東萃告訴記者，“但是，目前碳化硅的成本仍然較高，制約了技術的大規(guī)模推廣?！?/p>
據(jù)悉，目前在800V高壓平臺上用碳化硅功率器件全面替代硅基IGBT，會使電驅系統(tǒng)成本增加15%-30%。同時，平臺電壓升高也會導致電池成本上升5%-10%，綜合下來，會使整車成本增加數(shù)千元。在目前汽車市場競爭激烈的大環(huán)境中，這樣的成本增加不容小覷。在應用更廣的400V電壓平臺上，雖然400V電池包的成本相比800V成本友好一些，但目前400V的碳化硅應用增效相比800V會少一些，故400V整車也面臨不小的成本壓力。
為了加快碳化硅國產化進程，推動碳化硅更快、更多地上車，包括上汽在內的中國多家整車企業(yè)與上游企業(yè)展開了緊密的合作，以產業(yè)鏈協(xié)同促進上下游共贏。與此同時，上汽通過產業(yè)金融投資也已完成了對碳化硅半導體產業(yè)鏈的相關布局，將包括襯底原材料企業(yè)天科合達、天岳先進，設計/制造企業(yè)華大半導體、積塔半導體、瞻芯電子等優(yōu)質企業(yè)融入上汽產業(yè)生態(tài)，形成價值共創(chuàng)共同體，共同推動碳化硅產業(yè)鏈上下游的業(yè)務協(xié)同和資源整合。
王東萃表示：“現(xiàn)在整車的集成度愈發(fā)提高，深度集成需要上下游更多合作。系統(tǒng)中，功率器件的空間、體積如何做到最優(yōu)？性能與電機怎么緊密地結合？產品可靠性如何提高？針對這些問題，我們作為整車廠，可以和上游供應商聯(lián)合定義、聯(lián)合開發(fā)，共同把性能做到更好?！?/p>
據(jù)王東萃預計，到2026年，碳化硅產業(yè)的良率會提高，生產規(guī)模也會擴大，屆時會帶動整車綜合成本逐漸下降到與硅基IGBT持平，應用前景相當廣闊。