電動(dòng)汽車市場(chǎng)催生碳化硅新前景

第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率以及電子飽和速率，并且在抗輻射能力方面也具有優(yōu)勢(shì)。這些特性使得第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件適用于高電壓、高頻率場(chǎng)景，并且能夠以較少的電能消耗獲得更高的運(yùn)行能力。因此，第三代半導(dǎo)體材料在5G基站、新能源車、光伏、風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

其中，碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，在汽車電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅功率器件主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)、逆變器、車載DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器（OBC）等。碳化硅功率器件能夠顯著提高電能利用率，使新能源汽車的系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊密，有助于節(jié)省成本以及提升續(xù)航里程。

此外，碳化硅在汽車充電設(shè)施中也有應(yīng)用。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，充電設(shè)施的需求也在增加。碳化硅充電樁能夠提供更高的充電效率，縮短充電時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)。

碳化硅的生長(zhǎng)

碳化硅是一種無機(jī)物，化學(xué)式為SiC，是通過高溫冶煉而成的。在工業(yè)生產(chǎn)中，通常以石英、石油焦等為原料，輔助回收料、乏料，經(jīng)過粉磨等工序調(diào)配成為配比合理與粒度合適的爐料，經(jīng)高溫制備而成。碳化硅的制備過程中，爐料達(dá)到一定溫度時(shí)會(huì)合成碳化硅，但碳化硅主要是在≥1800℃時(shí)形成。每組電爐配備一組變壓器，生產(chǎn)時(shí)只對(duì)單一電爐供電，以便根據(jù)電負(fù)荷特性調(diào)節(jié)電壓來基本上保持恒功率。

碳化硅按照電阻性能的不同分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件：

（1）導(dǎo)電型碳化硅功率器件

功率器件又被稱為電力電子器件，是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件。電力電子器件是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制，所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下。電力電子裝置正是實(shí)現(xiàn)電能高質(zhì)量高效轉(zhuǎn)換、多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化、弱電與強(qiáng)電之間控制運(yùn)行、交流與直流之間能量互換、自動(dòng)化高效控制等的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、提高電能利用效率的重要保障。

導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要是通過在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進(jìn)一步加工制成，品種包括造肖特基二極管（SBD）、MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）等，主要用于電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、數(shù)據(jù)中心、充電等基礎(chǔ)建設(shè)。目前碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。

（2）半絕緣型碳化硅基射頻器件

射頻器件在無線通訊中扮演信號(hào)轉(zhuǎn)換的角色，是無線通信設(shè)備的基礎(chǔ)性零部件，主要包括功率放大器、濾波器、開關(guān)、低噪聲放大器、雙工器等。

半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片后進(jìn)一步制成，包括HEMT（高電子遷移率晶體管）等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。

碳化硅的優(yōu)勢(shì)

碳化硅（SiC）材料在汽車電子領(lǐng)域與普通硅材料相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

高溫穩(wěn)定性：碳化硅的禁帶寬度大于硅，使得其能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。這對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、變速器控制單元等高溫應(yīng)用來說非常重要。

高效能量轉(zhuǎn)換：碳化硅的導(dǎo)通電阻很低，可以有效降低能量損失。在電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器、車載充電器等應(yīng)用中，使用碳化硅可以顯著提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

快速開關(guān)響應(yīng)：碳化硅的電子遷移率比硅高，可以更快地傳遞信號(hào)。在需要快速響應(yīng)的應(yīng)用中，如汽車牽引逆變器、車載DC/DC轉(zhuǎn)換器等，碳化硅可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

抗輻射能力強(qiáng)：碳化硅的抗輻射能力強(qiáng)于硅，適用于核能、航天等需要抗輻射的領(lǐng)域。在汽車電子領(lǐng)域，這可以提高器件的可靠性和穩(wěn)定性。

降低系統(tǒng)成本：雖然碳化硅芯片的成本較高，但使用碳化硅可以減少散熱器、風(fēng)扇等散熱組件的數(shù)量和尺寸，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

體積小：碳化硅功率器件可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更小的導(dǎo)通電阻，從而減小了電路中所需的電感和電容的尺寸，使得整個(gè)電路體積更小，有利于實(shí)現(xiàn)汽車電子的集成化和緊湊化。

耐壓耐熱：碳化硅材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和熱導(dǎo)率較高，可以在高溫和高電壓環(huán)境下工作，增強(qiáng)了汽車電子系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性。

可靠性高：碳化硅材料具有更強(qiáng)的抗輻射能力和更低的熱膨脹系數(shù)，使得其在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。

降低能耗：碳化硅材料具有高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)，可以顯著降低能耗，提高能源利用效率，符合汽車節(jié)能減排的需求。

降低EMI（電磁干擾）：碳化硅材料的開關(guān)速度快，可以降低EMI對(duì)汽車電子系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

碳化硅的市場(chǎng)

在汽車電子領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用的碳化硅功率器件包括二極管、MOSFET、JBS、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管等。這些器件主要用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和輔助電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，碳化硅功率器件的應(yīng)用仍面臨成本、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、供應(yīng)鏈和技術(shù)門檻等挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，碳化硅功率器件有望在汽車電子領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

目前，碳化硅器件市場(chǎng)的價(jià)值約為20億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到110億至140億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為26%。由于碳化硅對(duì)逆變器的高適用性，預(yù)計(jì)70%的碳化硅需求將來自電動(dòng)汽車。中國(guó)是預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車需求量最大的國(guó)家，預(yù)計(jì)將占電動(dòng)汽車生產(chǎn)對(duì)碳化硅總體需求量的 40%左右。

海外企業(yè)在碳化硅領(lǐng)域擁有先行者的優(yōu)勢(shì)，并在技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)能規(guī)模上占據(jù)了主導(dǎo)地位。據(jù)數(shù)據(jù)，市場(chǎng)主導(dǎo)權(quán)主要由海外巨頭如意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)和安森美等公司掌握。從2021年的市場(chǎng)分析來看，意法半導(dǎo)體是最大的碳化硅器件供應(yīng)商，特別是為特斯拉供應(yīng)車載碳化硅器件。它在市場(chǎng)上的占有率達(dá)到了41%，而緊隨其后的是英飛凌，占有率為23%。全球前六大廠商占據(jù)了超過95%的市場(chǎng)份額。

2022年，這五家企業(yè)的碳化硅器件營(yíng)收全部超過1億美元，意法半導(dǎo)體居首，營(yíng)收達(dá)到7億美元。安森美以2.6億美元營(yíng)收超過羅姆晉級(jí)第四，部分原因是安森美在碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈整合方面具有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)不同數(shù)據(jù)來源，2022年五家企業(yè)市占率分別為意法半導(dǎo)體37-40%，英飛凌和Wolfspeed 20%左右，安森美14%，羅姆7-11%。盡管2023年全球經(jīng)濟(jì)疲軟，但碳化硅市場(chǎng)依然備受關(guān)注。安森美計(jì)劃在2027年實(shí)現(xiàn)35-40%的市占率，并投入20億美元升級(jí)和擴(kuò)建生產(chǎn)線。

碳化硅的供應(yīng)

據(jù)麥肯錫調(diào)查報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2030年，電動(dòng)汽車市場(chǎng)將以20%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。屆時(shí)xEV的銷量預(yù)計(jì)將達(dá)到6400萬輛，是2022年電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)銷量的四倍。為確保電動(dòng)汽車零部件供應(yīng)足以滿足這一快速增長(zhǎng)的需求至關(guān)重要，碳化硅的供應(yīng)是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

為了爭(zhēng)奪碳化硅器件市場(chǎng)，一些領(lǐng)先的制造商已經(jīng)通過并購(gòu)和合作向縱向一體化發(fā)展，特別是半導(dǎo)體設(shè)備制造商已經(jīng)增加了晶圓材料制造的上游能力。其中就包括意法半導(dǎo)體收購(gòu) Norstel、Onsmi收購(gòu) GT Advanced Technologies (GTAT)，以及羅姆半導(dǎo)體收購(gòu) SiCrystal。

根據(jù)CASA Research的報(bào)告，為了加強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各大公司正在持續(xù)擴(kuò)大襯底的產(chǎn)能。根據(jù)各公司的官方公告，Wolfspeed已投資近10億美元用于擴(kuò)產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2017年至2024年間，其整體產(chǎn)能將擴(kuò)大30倍。羅姆也計(jì)劃在2017年至2024年間將其產(chǎn)能擴(kuò)充16倍。而II-VI則計(jì)劃在5年內(nèi)將其產(chǎn)能擴(kuò)充5至10倍。

這五家公司都在積極投入資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，但為了部署差異化市場(chǎng)格局，各家產(chǎn)品的側(cè)重點(diǎn)有所不同。例如，意法半導(dǎo)體可能更注重在碳化硅功率模塊方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，以提高其產(chǎn)品的性能和可靠性；而安森美則可能更注重在碳化硅器件的設(shè)計(jì)和制造方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，以提高其產(chǎn)品的性價(jià)比和生產(chǎn)效率。

目前選擇平面MOSFET結(jié)構(gòu)廠商有Wolfspeed、意法半導(dǎo)體、Microsemi，能夠量產(chǎn)溝槽型SiC MOSFET的企業(yè)為羅姆的雙溝槽節(jié)、英飛凌的半包溝槽和日本住友的接地雙掩埋結(jié)構(gòu)。對(duì)于溝槽型碳化硅器件來說，未來的技術(shù)演進(jìn)方向是減小溝槽底部氧化層工作電場(chǎng)強(qiáng)度，避免專利侵權(quán)（英飛凌、ST、羅姆均有相關(guān)專利）和可控的制造成本。

據(jù)分析，預(yù)計(jì)將從生產(chǎn)和使用6英寸晶圓過渡到8英寸晶圓，大約在2024 年或2025年開始采用8英寸材料，到2030年達(dá)到50%的市場(chǎng)滲透率。一旦克服了技術(shù)挑戰(zhàn)，8英寸晶圓將為制造商帶來毛利率收益，包括減少邊緣損失、提高自動(dòng)化水平以及利用硅生產(chǎn)折舊資產(chǎn)的能力。這一過渡的毛利率收益約為五到十個(gè)百分點(diǎn)，具體取決于垂直整合的水平。預(yù)計(jì)美國(guó)將于 2024 年和 2025 年開始批量生產(chǎn)八英寸晶片，屆時(shí)行業(yè)領(lǐng)先的制造商將進(jìn)一步參與碳化硅價(jià)值鏈，為電動(dòng)汽車OEM提供更先進(jìn)的服務(wù)。