中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著汽車的“新四化”加速演進(jìn)，汽車芯片成為了整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)之一，性能優(yōu)秀的碳化硅更是閃亮的新星。各大芯片企業(yè)圍繞碳化硅紛紛開(kāi)始了大手筆擴(kuò)產(chǎn)和收購(gòu)。各大汽車廠商也擔(dān)心再度面臨芯片緊缺的局面，開(kāi)始爭(zhēng)相下單，與芯片廠商簽訂長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議。碳化硅的狂飆之路拉開(kāi)序幕。
電動(dòng)汽車將促碳化硅大規(guī)模商用
隨著新能源汽車市場(chǎng)的發(fā)展，我國(guó)新能源汽車的市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過(guò)了28%。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2030年全球新能源汽車銷量占當(dāng)年新車銷量比例將近50%。
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當(dāng)前，碳化硅功率器件已應(yīng)用于新能源汽車內(nèi)部的關(guān)鍵電力系統(tǒng)，包括牽引逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。在IEEE國(guó)際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會(huì)主席Victor Veliadis看來(lái)，電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車或?qū)⒊蔀榇偈固蓟璐笠?guī)模商用的“殺手級(jí)”應(yīng)用。
“碳化硅具有比硅更寬的帶隙，允許更高的電壓阻斷，適用于高功率和高電壓應(yīng)用。這可以使DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器變得更高效，在降低成本的同時(shí)，讓電動(dòng)汽車充電更快、續(xù)航更遠(yuǎn)。這使其極具競(jìng)爭(zhēng)力。”Victor Veliadis解釋說(shuō)。
“汽車?yán)锩娴目臻g較小，所以提高功率密度是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。碳化硅器件相較于硅，不僅可以使功率半導(dǎo)體的封裝方案做得更精巧，還可以使與功率器件配套的無(wú)源器件和散熱器都做得更小。”泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技（北京）有限公司營(yíng)銷副總經(jīng)理秋琪告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者。
泰科天潤(rùn)的6寸碳化硅產(chǎn)線
在縮小體積和提升效率上的優(yōu)秀表現(xiàn)幫助碳化硅成功“上車”。具體而言，碳化硅技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用主要集中在兩方面。一是在車載充電器（OBC）和DC-DC這類電源領(lǐng)域，基于傳統(tǒng)硅技術(shù)的系統(tǒng)功率密度小于2KW/L，而采用碳化硅技術(shù)的OBC系統(tǒng)，可以獲得大于3KW/L的功率密度，其效率也能從過(guò)去的95%提升至超過(guò)97%，為消費(fèi)者節(jié)省能源。二是在主驅(qū)逆變器領(lǐng)域。安森美電源方案部汽車主驅(qū)逆變器半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)負(fù)責(zé)人陸濤告訴記者：“碳化硅在主驅(qū)逆變器的應(yīng)用最直接的表現(xiàn)就是提升了系統(tǒng)的效率，進(jìn)而使得在相同的電池容量下，提升了汽車?yán)锍虜?shù)。根據(jù)市場(chǎng)上一些反饋，應(yīng)用了碳化硅的主驅(qū)逆變器，效率提升了至少2%左右，如果考慮整車系統(tǒng)可能會(huì)提升更多�，F(xiàn)在絕大部分的新能源汽車廠商都在推出或準(zhǔn)備推出搭載碳化硅的主驅(qū)逆變器�！�
由于快充的需求，800V高壓系統(tǒng)正逐漸走進(jìn)市場(chǎng)視野。陸濤預(yù)測(cè)未來(lái)的一到兩年將會(huì)有更多采用800V系統(tǒng)的新能源汽車出現(xiàn)。而碳化硅在高壓下的低阻抗等特性的優(yōu)良表現(xiàn)，也會(huì)使其市場(chǎng)占有率得到提升。
企業(yè)多措并舉增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定性
隨著汽車市場(chǎng)對(duì)于碳化硅器件的需求不斷增加，帶來(lái)市場(chǎng)機(jī)遇的同時(shí)，也伴隨著一絲不穩(wěn)定，不管是芯片廠商還是整車廠商都不約而同地意識(shí)到這點(diǎn)，開(kāi)始加緊加固自己的碳化硅供應(yīng)鏈，以免重蹈此前汽車芯片緊缺的覆轍。
2021年-2027年(預(yù)測(cè))碳化硅功率器件各細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)占比
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例如，Wolfspeed宣布，將其射頻業(yè)務(wù)全部賣給MACOM，交易資金將被用于碳化硅業(yè)務(wù)的擴(kuò)產(chǎn)；瑞薩電子宣布與Wolfspeed簽署為期10年的碳化硅晶圓供應(yīng)協(xié)議；意法半導(dǎo)體宣布與三安光電成立合資企業(yè)，在中國(guó)大批量生產(chǎn)200mm碳化硅器件，此外意法半導(dǎo)體還將繼續(xù)在意大利和新加坡進(jìn)行投資，以期在2030年實(shí)現(xiàn)碳化硅年收入超過(guò)50億美元；羅姆則與Solar Frontier達(dá)成協(xié)議，收購(gòu)該公司的原國(guó)富工廠，該工廠將成為羅姆生產(chǎn)碳化硅功率半導(dǎo)體的主要生產(chǎn)基地，預(yù)計(jì)在2030財(cái)年，其碳化硅產(chǎn)能將提升至2021財(cái)年的35倍。
目前來(lái)看，中高端的新能源汽車器件正在向碳化硅上靠攏或切換，這一現(xiàn)象在800V的系統(tǒng)里尤為明顯，這也是當(dāng)前整個(gè)碳化硅市場(chǎng)發(fā)展迅速的原因之一�！叭欢�，任何一個(gè)市場(chǎng)發(fā)展過(guò)速都會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的供應(yīng)緊缺或產(chǎn)能過(guò)剩，在新能源汽車?yán)锏木唧w表現(xiàn)就是近兩年碳化硅產(chǎn)品的短缺。”陸濤告訴記者。
碳化硅行業(yè)作為技術(shù)密集型行業(yè)，其晶圓產(chǎn)線的建立不僅需要大量的資金和時(shí)間，還面臨著關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備購(gòu)買困難、碳化硅器件制造工藝復(fù)雜、相關(guān)專業(yè)人員稀缺的困難局面，其準(zhǔn)入門檻被無(wú)形中拉高。其次，由于對(duì)車規(guī)級(jí)的碳化硅功率器件的性能和可靠性要求很高，目前只有少數(shù)企業(yè)能提供。這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前碳化硅器件的供應(yīng)緊缺。
產(chǎn)能背后的挑戰(zhàn)源自整個(gè)供應(yīng)鏈。
安森美在完善碳化硅供應(yīng)鏈上的表現(xiàn)積極，為獲得高質(zhì)量襯底生產(chǎn)能力和研發(fā)能力，于近兩年收購(gòu)了GT Advanced Technologies （GTAT）。同時(shí)，安森美也積極對(duì)內(nèi)投資，對(duì)其捷克工廠的外延廠進(jìn)行擴(kuò)建，保障外延的生產(chǎn)能力；于韓國(guó)晶圓廠擴(kuò)建，用以提升FAB的能力。
國(guó)產(chǎn)碳化硅企業(yè)泰科天潤(rùn)也堅(jiān)持IDM。依靠其自有晶圓產(chǎn)線，不斷積累碳化硅器件器件制造和生產(chǎn)工藝的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握核心技術(shù)。其于2022年底開(kāi)始布局8英寸碳化硅產(chǎn)線，并預(yù)計(jì)于2025年達(dá)到10萬(wàn)片/每年的產(chǎn)能。在下游企業(yè)方面，泰科天潤(rùn)也積極與比亞迪、五菱mini、廣汽、瑪莎拉蒂、吉利、北汽、東風(fēng)等車企合作，進(jìn)一步了解市場(chǎng)訴求。
“近期，為保障碳化硅的供應(yīng)鏈安全，各大碳化硅企業(yè)都在積極布局，加固與上下游企業(yè)的聯(lián)系。”楊俊剛告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者，“而且，新能源汽車和碳化硅器件都屬于新興市場(chǎng)，二者如果聯(lián)合攻關(guān)相關(guān)技術(shù)，有望研發(fā)出更貼合市場(chǎng)的新產(chǎn)品�！�
碳化硅大規(guī)模上車仍需降本增效
雖然碳化硅上車的速度很快，但想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模且真正完全替代硅上車，降低成本仍是關(guān)鍵因素。碳化硅的成本遠(yuǎn)高于硅的功率器件。
秋琪告訴記者，降低碳化硅芯片成本目前主要有三大方向：一是提高晶圓尺寸，在流片成本相差不大的前提下，晶圓越大，單個(gè)晶圓片能夠產(chǎn)出的可用芯片越多，單個(gè)芯片的成本就越低；二是通過(guò)剪薄等工藝或溝槽設(shè)計(jì)減少芯片面積；三是通過(guò)工藝優(yōu)化提升良率。
起初，絕大部分碳化硅廠商可以生產(chǎn)4英寸大小的晶圓，隨著襯底和外延技術(shù)的發(fā)展，大尺寸晶圓成為了可能。當(dāng)前，有許多碳化硅廠商表示自身產(chǎn)線將會(huì)從6英寸拓展至8英寸。尺寸大小和功率器件之間最直接的關(guān)系表現(xiàn)在DPW（單張晶圓上的芯片數(shù)）上。安森美現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師、中國(guó)區(qū)汽車主驅(qū)碳化硅技術(shù)支持專家牛嘉浩為記者打了一個(gè)比方：“以32mm²的碳化硅器件為例，6英寸晶圓大概能產(chǎn)出450顆器件，8英寸晶圓大概能產(chǎn)出850顆器件，晶圓邊緣芯片的比例也會(huì)有大幅度降低。”
但是，并非簡(jiǎn)單擴(kuò)大晶圓尺寸就可以提升效率。如果技術(shù)發(fā)展不成熟，那么“大晶圓”的優(yōu)勢(shì)就有可能變成劣勢(shì)�！拔覀儾粌H關(guān)注DPW，更多要看GDPW（有效芯片數(shù)量），GDPW/DPW才是真實(shí)的良品率。想實(shí)現(xiàn)用8英寸的晶圓生產(chǎn)芯片，就需要有高質(zhì)量的襯底、高質(zhì)量的外延還有高質(zhì)量的器件加工工藝，這三高缺一不可。”陸濤說(shuō)。
牛嘉浩告訴記者：“目前市場(chǎng)上暫未實(shí)現(xiàn)8英寸碳化硅晶圓產(chǎn)品的量產(chǎn)。將碳化硅晶圓尺寸從6英寸升級(jí)到8英寸還存在很多技術(shù)限制。由于襯底在碳化硅器件成本中占有相當(dāng)比例，主流廠商在這方面不斷努力，通過(guò)增大尺寸、提升質(zhì)量，從而在單個(gè)襯底上獲得更多的器件，最終降低成本�！�
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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