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新能源汽車“卷”起“含SiC量”

字號:TT 2024-04-29 08:40 作者:王信豪 許子皓 來源:中國電子報

家電網-HEA.CN報道:在新能源汽車性能穩步提升的過程中,碳化硅正在與更多新能源汽車、更多功能器件實現深度融合,而此前備受關注的成本問題也將在碳化硅晶圓從6英寸向8英寸的過渡中得到改善。種種跡象表明,車規級碳化硅市場正在加速走向成熟。

2024北京國際汽車展覽會正在北京如火如荼地進行,可以確定的是,碳化硅正受到越來越多新能源汽車廠商的重視。據《中國電子報》記者不完全統計,此次車展中展出的配備碳化硅的車型超70款,除了上市不久的小米SU7、智己L6、華為智界S7及問界新M5,奇瑞星紀元ET、瑪莎拉蒂GranCabrio Fulgore等新車型也均配備碳化硅器件及系統,“含SiC量”成為新能源汽車比拼的一大指標。

在新能源汽車性能穩步提升的過程中,碳化硅正在與更多新能源汽車、更多功能器件實現深度融合,而此前備受關注的成本問題也將在碳化硅晶圓從6英寸向8英寸的過渡中得到改善。種種跡象表明,車規級碳化硅市場正在加速走向成熟。

碳化硅與電動汽車融合程度加深

碳化硅一直與新能源汽車“雙向奔赴”,二者聯系十分緊密。碳化硅器件在高溫、高壓、高頻等方面的優異性能與消費者對新能源汽車快充和續航方面的需求相吻合,并逐漸成為新能源汽車逆變器及充電設備的首選材料,融合程度持續加深。

最明顯的跡象,莫過于搭載碳化硅器件的新車型越來越多。

2018年,特斯拉在Model 3上首次采用意法半導體的650V SiC MOSFET逆變器,相較Model X等采用IGBT的車型實現了5%~8%的效率提升,并在此后的幾款車型中均采用SiC技術。此舉既讓碳化硅成為業界焦點,也帶火了碳化硅襯底片供應商Wolfspeed。

2020年,比亞迪·漢EV成為了國內首款采用SiC的車型,同年比亞迪決定在2023年實現SiC對IGBT的全部替換。在新能源汽車蓬勃發展的同時,理想、蔚來等國產“造車新勢力”也不約而同選擇SiC。時至今日,新發布的車型幾乎與碳化硅形成了綁定。機構數據測算,2023年共新增了27款碳化硅主驅車型,而隨著問界M9、理想MEGA、小米SU7等多個碳化硅車型陸續上市,預計2024年新推出的碳化硅主驅車型數量將進一步增加。   

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展會現場展示的小米SU7

碳化硅在家用電動汽車之外的車規場景也有用武之地。

速豹針對大宗運輸場景,推出第三代智能電動重卡“黑金剛”,該車型搭載了最高900V的碳化硅平臺。據悉,該平臺最高電壓達到876V,實現了更快的充電速度。

更重要的是,車上的“含SiC量”也在增加。

當前碳化硅器件在新能源汽車中的主要應用場景包括OBC(車載充電器)、DC/DC、主驅逆變器等。“主驅逆變器更注重器件的導通電阻、短路耐受能力和高可靠性,而OBC和DC/DC更關注器件的高頻開關性能和效率,以便提高功率密度進行多合一的集成。此外,碳化硅器件還可能應用于PTC、空調壓縮機等其他電子系統。”湖南三安半導體市場銷售負責人告訴《中國電子報》記者。    

1月18日,意法半導體宣布與致瞻科技合作。致瞻科技在新能源汽車400V、800V和1000V平臺上量產了基于碳化硅的空調壓縮機控制器。據了解,采用碳化硅的空調壓縮機可極大提高電動汽車的熱管理能效,提升空調壓縮機的NVH性能(噪音、振動和聲振粗糙度),在推動電動壓縮機系統小型化的同時進一步降低成本。

8英寸晶圓快速發展有望成為市場主流

2023年,特斯拉突然宣布減少75%的碳化硅用量,引發業界熱議。特斯拉對碳化硅態度的轉變也表明,在優秀性能之外,成本也是車企不得不考慮的問題。

隨著市場需求的持續增長和成本壓力的加大,碳化硅廠商紛紛投資研發并逐步轉向8英寸產線,以期降低成本,提高市場競爭力。安森美碳化硅技術專家牛嘉浩告訴記者,由于8英寸晶圓能夠顯著提升單位面積晶圓上的芯片數量(DPW),故而可以降低單片芯片的生產成本。

從6英寸向8英寸的過渡,不僅是晶圓尺寸的擴大,還涉及襯底生長、外延、器件加工、封裝測試等全供應鏈的技術革新。從碳化硅晶圓的制備流程來看,8英寸晶圓的生產挑戰頗多,如提高襯底質量與均勻性、優化外延工藝以減少缺陷、改進器件結構以適應更大尺寸晶圓的加工條件、確保封裝和測試過程的穩定性等。

為應對8英寸碳化硅的發展需求,襯底供應商、外延服務提供商、晶圓廠、封裝測試廠等加強協作,共同推進技術標準制定、設備改造升級、原材料供應保障等工作,構建更加完善的8英寸碳化硅生態系統。   

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碳化硅器件的制備流程(圖片來源:安森美)

當前,碳化硅市場正處于從6英寸碳化硅晶圓向8英寸碳化硅晶圓過渡的加速期,供應商們也在逐步減少6英寸晶圓產能的擴張,加碼8英寸晶圓生產。  

自2023年起,國際碳化硅供應商先后布局8英寸工廠。2024年3月,Wolfspeed以其創始人命名的碳化硅工廠“John Palmour碳化硅制造中心”封頂。三菱電機將在日本熊本縣開建新的8英寸SiC工廠,并計劃在2026年投入運營。韓國釜山市正計劃投建2座8英寸SiC/GaN功率半導體生產設施。

牛嘉浩認為,未來幾年內,隨著技術進步、產能提升和成本下降,8英寸碳化硅將成為市場主流。盡管全面替代6英寸的過程可能還需一段時間,但從長期來看,8英寸晶圓將有助于碳化硅器件在更多應用領域實現大規模商業化,推動碳化硅市場進入新的發展階段。

有機構預測,自2022年至2030年,8英寸晶圓的市場滲透率將達到50%。

全產業鏈創新滿足更高性能需求

除了成本問題,碳化硅器件設計制造的全產業鏈也需滿足電動汽車逐漸增長的性能需求。小米SU7在現場所展示的“彈射起步”需要性能更加強勁的電機,而消費者在快充和續航上的需求也推動800V甚至更高電壓環境下整車充電效率的提升。

以主驅逆變器為例,其性能與導通電阻有關,更低的導通電阻需要碳化硅MOSFET的溝槽工藝繼續精進。當前常見的MOSFET結構工藝有平面柵和溝槽柵兩種。Cree公司、意法半導體專注于平面柵,而羅姆和英飛凌更偏愛“挖槽”。廠商們在各自的技術路徑上不斷探索,以求更精準地調控導通電阻與器件耐壓性的平衡。

從實際使用需求倒推,電動汽車的性能升級不僅需要碳化硅器件在設計時不斷創新,也需要碳化硅材料在襯底乃至外延環節具備更好的質量。    

三安半導體市場銷售負責人告訴記者:“碳化硅材料的生產過程復雜,技術門檻高,良率一直是個大問題,實際能夠供應市場的高質量碳化硅器件數量仍然有限。”此外,隨著新能源汽車行業對碳化硅需求的持續增長,市場對高性能、高可靠性碳化硅器件的需求將保持旺盛態勢。”他建議企業持續優化生產工藝,提高產品良率,并合理規劃產能,以確保能夠滿足市場的長期需求。  

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湖南三安半導體展出1200V 8mΩ SiC MOSFET 

在全產業鏈創新的背景下,加強產業鏈整合也是穩固碳化硅企業布局的關鍵一環。企業通過戰略合作、兼并重組等方式,實現產業鏈的垂直整合和橫向拓展。這不僅可以降低生產成本,提高產品質量,還能增強企業的市場話語權,為企業的長遠發展奠定堅實基礎。

據了解,英飛凌于2018年收購一家名為Siltectra的碳化硅冷切割技術科技公司,該技術可減少對硅錠原材料的浪費,從而提升8英寸的生產效率,此外英飛凌也與Wolfspeed合作,擴大并延長關于150mm碳化硅晶圓的長期供應協議。安森美致力于優化其從碳化硅襯底、外延、晶圓制造到成品封裝的全產業鏈整合能力,確保穩定的供應鏈,并通過收購GT Advanced Technologies(GTAT)等戰略舉措,保障碳化硅產能。

日本行業調研機構富士經濟發布的《2024年版新一代功率器件&相關市場現狀和展望》報告測算,2030年SiC功率器件市場規模將達到近150億美元,占到整體功率器件市場約24%,2035年則有望超過200億美元,屆時SiC器件市場規模將占到整體功率器件的40%以上。    

“SiC是新材料、新技術,所以從材料到供應鏈,再到應用的成熟都需要一個過程。”英飛凌市場部負責人告訴記者,“盡管我們不能排除短期內出現產能過剩的可能性,但也會根據對市場發展情況的預測來調整產能爬坡和擴產階段的速度??傮w上,我們認為整個碳化硅市場的發展活力有增無減。”

由此可見,碳化硅市場需求還將持續擴大,各大企業還有很長的路要走,只有全方位提升,才能在全球競爭的潮流中屹立不倒。   

(家電網? HEA.CN)

責任編輯:編輯K組

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