市場(chǎng)前景看漲 企業(yè)發(fā)力布局 碳化硅半導(dǎo)體暗戰(zhàn)升級(jí)
來(lái)源:中國(guó)汽車(chē)報(bào) 發(fā)布時(shí)間:2021-12-07 13:04:38
新材料正在重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新格局。業(yè)內(nèi)人士希望到2025年,碳化硅的供應(yīng)商有足夠的產(chǎn)能,否則這個(gè)行業(yè)或許會(huì)面臨供需不平衡問(wèn)題。雖然市場(chǎng)空間巨大,但其大規(guī)模商用仍需跨越多個(gè)方面的關(guān)卡。
在“新基建”和“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下,我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正加速發(fā)展,有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱,引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命。
而以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體,也是支撐新能源汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,在電機(jī)控制器、車(chē)載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等零部件中發(fā)揮重要的作用。雖然其在汽車(chē)行業(yè)大規(guī)模普及尚待時(shí)日,但國(guó)內(nèi)外企業(yè)瞄準(zhǔn)第三代半導(dǎo)體的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開(kāi)啟。
第三代半導(dǎo)體處在黃金賽道
從上世紀(jì)90年代才真正起步,中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可謂一直在“自主可控”的道路上奮進(jìn)。隨著第三代半導(dǎo)體嶄露頭角,我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。更為重要的是,我國(guó)正處在碳達(dá)峰階段,并將逐步過(guò)渡到碳中和時(shí)代,汽車(chē)領(lǐng)域的電氣化必將為其提供有力支撐。
從半導(dǎo)體的發(fā)展歷史看,硅、鍺為第一代半導(dǎo)體;砷化鎵、磷化銦為第二代半導(dǎo)體的代表;發(fā)展到第三代半導(dǎo)體,涌現(xiàn)出碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料。其中,碳化硅、氮化鎵目前是技術(shù)相對(duì)成熟的材料。
在電力電子領(lǐng)域,電力供應(yīng)與傳輸?shù)拈_(kāi)和關(guān),可以用半導(dǎo)體的導(dǎo)電和不導(dǎo)電來(lái)實(shí)現(xiàn),從而構(gòu)成了功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)。而功率半導(dǎo)體,正是第三代半導(dǎo)體的主要用武之地。據(jù)悉,第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景通常為高溫、高壓、高功率場(chǎng)景,器件需要具有較好的耐高溫和散熱性能,以保證其工作壽命。第三代半導(dǎo)體主要應(yīng)用于功率器件和射頻器件。從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看,碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景,應(yīng)用在新能源汽車(chē)和工控等領(lǐng)域,氮化鎵器件更適合高頻情況,應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。
業(yè)界普遍認(rèn)為,碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的代表,也是未來(lái)能源、交通、制造等領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。碳化硅的熱導(dǎo)率約是氮化鎵熱導(dǎo)率的3倍,具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱性能,器件壽命更長(zhǎng),可靠性更高,系統(tǒng)所需的散熱系統(tǒng)更小。
當(dāng)前,第三代半導(dǎo)體正處于快速發(fā)展的黃金賽道。2020年,我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)電力電子和射頻電子總產(chǎn)值超過(guò)100億元,同比增長(zhǎng)69.5%。其中,碳化硅、氮化鎵電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)44.7億元,同比增長(zhǎng)54%。
從第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來(lái)看,全球市場(chǎng)基本形成了美國(guó)、歐洲、日本企業(yè)三足鼎立的態(tài)勢(shì)。雖然與國(guó)際巨頭仍有一定差距,但隨著下游市場(chǎng)的需求拉動(dòng),我國(guó)企業(yè)也開(kāi)始奮起直追。
“新材料正在重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新格局。”第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)吳玲說(shuō)道。
新能源汽車(chē)或是主力市場(chǎng)
碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車(chē)載充電機(jī)和充電樁等,以及光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域。受益于新能源汽車(chē)推廣,碳化硅功率器件市場(chǎng)有望迎來(lái)快速增長(zhǎng)。資料顯示,到2025年,新能源汽車(chē)與充電樁領(lǐng)域的碳化硅市場(chǎng)將達(dá)17.78億美元(約合人民幣116.81億元),約占碳化硅總市場(chǎng)規(guī)模的七成。
“希望到2025年,碳化硅的供應(yīng)商有足夠的產(chǎn)能,否則這個(gè)行業(yè)或許會(huì)面臨供需不平衡問(wèn)題。”半導(dǎo)體研究咨詢公司Yole功率與無(wú)線部門(mén)總監(jiān)克萊爾·特勞德克指出,碳化硅模塊在IGBT市場(chǎng)的應(yīng)用不斷增長(zhǎng),碳化硅技術(shù)及基礎(chǔ)器件未來(lái)發(fā)展空間巨大,這也是越來(lái)越多企業(yè)在這個(gè)領(lǐng)域加大投入的原因。
北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司副總經(jīng)理劉春俊表示,由于碳化硅具有開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小的優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)電機(jī)控制器功率密度提升的關(guān)鍵要素。事實(shí)上,行業(yè)人士已形成共識(shí),第三代半導(dǎo)體碳化硅的普及和應(yīng)用是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
據(jù)記者了解,采用碳化硅器件的電驅(qū)系統(tǒng),體積可減小40%,重量可減輕30%,效率可提升10%。同時(shí),碳化硅器件的能量損失更小。相較于硅基IGBT,采用碳化硅MOSFET的電動(dòng)汽車(chē),續(xù)駛里程更長(zhǎng),可增加5%~10%,因?yàn)闇p少能量損耗能夠直接提高車(chē)輛續(xù)駛里程。
得益于碳化硅材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),近年來(lái),產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)紛紛對(duì)此展開(kāi)布局。當(dāng)前,碳化硅二極管和MOSFET管器件在新能源汽車(chē)的車(chē)載電源系統(tǒng)上已獲得應(yīng)用,而行業(yè)也在期待碳化硅功率模塊在新能源汽車(chē)上全面替代硅基IGBT模塊。
特勞德克介紹稱,目前碳化硅市場(chǎng)占比不足4%,但到2026年前后,這個(gè)數(shù)字有望增至30%,氮化鎵占比或達(dá)5%,碳化硅和氮化鎵在今后的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)會(huì)有更多的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。
此外,儲(chǔ)能市場(chǎng)也是碳化硅應(yīng)用的重要領(lǐng)域。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù),使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從96%提高至99%以上,能量損耗降低50%以上,設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。
深圳古瑞瓦特新能源有限公司副總經(jīng)理兼研發(fā)總監(jiān)吳良材表示,發(fā)展家庭能源系統(tǒng)在歐美市場(chǎng)是比較流行的一個(gè)趨勢(shì)。整個(gè)家庭中的能源由光伏提供,包含光伏儲(chǔ)能與電動(dòng)汽車(chē)。碳化硅高導(dǎo)熱性、高耐溫性、寬禁帶和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的性能非常適合這一場(chǎng)景應(yīng)用。事實(shí)上,特斯拉就已構(gòu)建一個(gè)以太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)和Powerwall為核心的能源系統(tǒng),其投建光儲(chǔ)充一體化超級(jí)充電站工作原理是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,并通過(guò)Powerwall存儲(chǔ)相關(guān)能量,并將這些電能再以充電的形式補(bǔ)給電動(dòng)汽車(chē),由此形成一個(gè)能量使用的閉環(huán)。
全產(chǎn)業(yè)鏈布局競(jìng)爭(zhēng)暗流涌動(dòng)
當(dāng)前,全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)碳化硅的發(fā)展都有比較明確的產(chǎn)業(yè)政策,企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也不斷加速。目前,碳化硅器件市場(chǎng)的頭部企業(yè)包括意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆半導(dǎo)體、英飛凌、艾森美、三菱電機(jī)等。這些企業(yè)對(duì)于碳化硅板塊未來(lái)的預(yù)期都非常高。
一些整車(chē)企業(yè)在碳化硅的應(yīng)用上也較為積極。特斯拉是率先使用碳化硅功率器件的車(chē)企,其Model 3、Model Y采用意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET模塊,顯著提升了車(chē)輛續(xù)駛里程和其他性能。2020年,比亞迪高端車(chē)型“漢”也配裝碳化硅功率模塊。比亞迪預(yù)計(jì)到2023年,將在旗下電動(dòng)汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)碳化硅器件對(duì)硅基IGBT器件的全面替代。
據(jù)悉,不少車(chē)企已將碳化硅電機(jī)控制器列入新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃。小鵬汽車(chē)、蔚來(lái)汽車(chē)都官宣,要使用碳化硅的工藝器件模塊。此外,豐田、大眾、北汽、一汽、理想汽車(chē)業(yè)都有使用碳化硅工藝器件的計(jì)劃。
在劉春俊看來(lái),國(guó)際上碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈已完全成熟,中國(guó)的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展比較快,目前形成了完全的產(chǎn)業(yè)鏈,從襯底-外延-器件-應(yīng)用,我國(guó)企業(yè)都占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額和地位。
以英飛凌的IGBT為例,國(guó)內(nèi)企業(yè)的IGBT產(chǎn)品與之相比至少還有兩代以上的差距,約為8~10年。因此,國(guó)內(nèi)碳化硅企業(yè)肩負(fù)著攻克“卡脖子”技術(shù)的使命。
有業(yè)內(nèi)人士對(duì)記者表示,國(guó)內(nèi)外約有碳化硅器件企業(yè)20多家,能夠供應(yīng)碳化硅MOSFET的企業(yè)也不斷出現(xiàn)。自主碳化硅器件與碳化硅電機(jī)的商業(yè)化落地,不僅意味著新技術(shù)的飛躍,而且將進(jìn)一步打破IGBT被外資企業(yè)壟斷的局面。
據(jù)劉春俊介紹,天科合達(dá)半導(dǎo)體完成了6英寸導(dǎo)電型和半圓型碳化硅襯底的產(chǎn)業(yè)化,“未來(lái)5年,6英寸產(chǎn)品將是市場(chǎng)的主流,8英寸產(chǎn)品也在逐步量產(chǎn),我們計(jì)劃明年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),其他家也在積極做量產(chǎn)的準(zhǔn)備。”
“隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低,未來(lái)碳化硅將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。”南京大學(xué)教授李哲洋稱,碳化硅芯片在較高的溫度下工作,同時(shí)擁有低的損耗(導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗),系統(tǒng)集成的時(shí)候使用較小的冷卻系統(tǒng),在提高效率的同時(shí)系統(tǒng)耗損減少,適用于新能源汽車(chē)快充。
產(chǎn)業(yè)化仍需跨越諸多挑戰(zhàn)
“十四五”規(guī)劃指出,要推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。我國(guó)也陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策,為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支持。
近日,北京市印發(fā)《北京市“十四五”時(shí)期國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)規(guī)劃》,提出支持開(kāi)展關(guān)鍵新材料“卡脖子”技術(shù)攻關(guān),搭建硅基光電子、第三代半導(dǎo)體器件等重點(diǎn)領(lǐng)域共性技術(shù)平臺(tái),加速技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程;圍繞碳化硅、氮化鎵等高品質(zhì)材料、器件、核心設(shè)備,打造第三代半導(dǎo)體高端產(chǎn)業(yè)鏈。
今年3月,科技部正式批復(fù)了《支持廣東省建設(shè)國(guó)家第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新中心》,支持設(shè)置深圳平臺(tái),聚焦第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵核心技術(shù)和重大應(yīng)用突破,統(tǒng)籌全國(guó)優(yōu)勢(shì)力量為第三代半導(dǎo)體提供源頭技術(shù)供給,推動(dòng)我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力整體躍升。
基本半導(dǎo)體汽車(chē)行業(yè)總監(jiān)文宇對(duì)記者表示,新能源汽車(chē)的快速增長(zhǎng)將極大地提升碳化硅功率模塊的需求,預(yù)計(jì)行業(yè)將在2023年迎來(lái)碳化硅電機(jī)控制器的量產(chǎn)爆發(fā)。
根據(jù)Yole公司的研究,2018年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約4億美元,2024年這個(gè)數(shù)字將增至50億美元,年復(fù)合增速約51%,而2027年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到172億美元。雖然市場(chǎng)空間巨大,但碳化硅的大規(guī)模商用仍需跨越多個(gè)方面的關(guān)卡。
“成本一直是碳化硅器件應(yīng)用的一只攔路虎。”李哲洋介紹稱,目前有幾個(gè)途徑可降低成本,一是擴(kuò)產(chǎn),幾家大型供應(yīng)商進(jìn)行了較大規(guī)模的擴(kuò)產(chǎn),并進(jìn)一步加大相關(guān)投入;二是技術(shù)創(chuàng)新,例如豐田采用表面納米工藝,實(shí)現(xiàn)了零缺陷的6英寸襯底,從而大大提高了其使用效率,日本住友通過(guò)溶液?jiǎn)尉L(zhǎng)方法,最近獲得了了使用面積高達(dá)99%的6英寸襯底,生長(zhǎng)速率達(dá)到了2毫米/小時(shí)。
此外,碳化硅產(chǎn)品還面臨可靠性和應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。據(jù)悉,目前掌握MOSFET氧化層核心技術(shù)的公司較少;針對(duì)一些應(yīng)用場(chǎng)景,碳化硅的解決方案設(shè)計(jì)難度增加;新冠肺炎疫情的反復(fù)降低了工作效率。
業(yè)內(nèi)人士告訴記者,碳化硅良品率提升是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,碳化硅長(zhǎng)晶技術(shù)難度較高,良品率提升困難,如果碳化硅生產(chǎn)良品率不及預(yù)期,第三代半導(dǎo)體應(yīng)用普及速度面臨挑戰(zhàn)。
劉春俊稱,碳化硅未來(lái)將朝著大尺寸特別是8英寸發(fā)展,此外會(huì)不斷降低成本,并減小缺陷密度,提供高質(zhì)量產(chǎn)品。
“從系統(tǒng)集成的角度,如何平衡碳化硅產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)以及成本問(wèn)題,是產(chǎn)業(yè)界需要共同探討和解決的問(wèn)題。”采埃孚(中國(guó))投資有限公司電控開(kāi)發(fā)高級(jí)經(jīng)理魏俊生指出,“這些方面其實(shí)是相輔相成的,通過(guò)更好的系統(tǒng)集成和更好的產(chǎn)品應(yīng)用,能實(shí)現(xiàn)器件成本的優(yōu)化。”
責(zé)任編輯:封曉健