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新能源汽车“卷”起“含SiC量”

发布日期:2024-04-28 16:47浏览次数:360


 2024北京国际汽车展览会正在北京如火如荼地进行,可以确定的是,碳化硅正受到越来越多新能源汽车厂商的重视。据《中国电子报》记者不完全统计,此次车展中展出的配备碳化硅的车型超70款,除了上市不久的小米SU7、智己L6、华为智界S7及问界新M5,奇瑞星纪元ET、玛莎拉蒂GranCabrio Fulgore等新车型也均配备碳化硅器件及系统,“含SiC量”成为新能源汽车比拼的一大指标。

在新能源汽车性能稳步提升的过程中,碳化硅正在与更多新能源汽车、更多功能器件实现深度融合,而此前备受关注的成本问题也将在碳化硅晶圆从6英寸向8英寸的过渡中得到改善。种种迹象表明,车规级碳化硅市场正在加速走向成熟。

碳化硅与电动汽车融合程度加深

碳化硅一直与新能源汽车“双向奔赴”,二者联系十分紧密。碳化硅器件在高温、高压、高频等方面的优异性能与消费者对新能源汽车快充和续航方面的需求相吻合,并逐渐成为新能源汽车逆变器及充电设备的首选材料,融合程度持续加深。

最明显的迹象,莫过于搭载碳化硅器件的新车型越来越多。

2018年,特斯拉在Model 3上首次采用意法半导体的650V SiC MOSFET逆变器,相较Model X等采用IGBT的车型实现了5%~8%的效率提升,并在此后的几款车型中均采用SiC技术。此举既让碳化硅成为业界焦点,也带火了碳化硅衬底片供应商Wolfspeed。

2020年,比亚迪·汉EV成为了国内首款采用SiC的车型,同年比亚迪决定在2023年实现SiC对IGBT的全部替换。在新能源汽车蓬勃发展的同时,理想、蔚来等国产“造车新势力”也不约而同选择SiC。时至今日,新发布的车型几乎与碳化硅形成了绑定。机构数据测算,2023年共新增了27款碳化硅主驱车型,而随着问界M9、理想MEGA、小米SU7等多个碳化硅车型陆续上市,预计2024年新推出的碳化硅主驱车型数量将进一步增加。 
 

 

展会现场展示的小米SU7

碳化硅在家用电动汽车之外的车规场景也有用武之地。

速豹针对大宗运输场景,推出第三代智能电动重卡“黑金刚”,该车型搭载了最高900V的碳化硅平台。据悉,该平台最高电压达到876V,实现了更快的充电速度。


更重要的是,车上的
“含SiC量”也在增加。

当前碳化硅器件在新能源汽车中的主要应用场景包括OBC(车载充电器)、DC/DC、主驱逆变器等。“主驱逆变器更注重器件的导通电阻、短路耐受能力和高可靠性,而OBC和DC/DC更关注器件的高频开关性能和效率,以便提高功率密度进行多合一的集成。此外,碳化硅器件还可能应用于PTC、空调压缩机等其他电子系统。”湖南三安半导体市场销售负责人告诉《中国电子报》记者。    

1月18日,意法半导体宣布与致瞻科技合作。致瞻科技在新能源汽车400V、800V和1000V平台上量产了基于碳化硅的空调压缩机控制器。据了解,采用碳化硅的空调压缩机可极大提高电动汽车的热管理能效,提升空调压缩机的NVH性能(噪音、振动和声振粗糙度),在推动电动压缩机系统小型化的同时进一步降低成本。


8英寸晶圆快速发展有望成为市场主流

2023年,特斯拉突然宣布减少75%的碳化硅用量,引发业界热议。特斯拉对碳化硅态度的转变也表明,在优秀性能之外,成本也是车企不得不考虑的问题。

随着市场需求的持续增长和成本压力的加大,碳化硅厂商纷纷投资研发并逐步转向8英寸产线,以期降低成本,提高市场竞争力。安森美碳化硅技术专家牛嘉浩告诉记者,由于8英寸晶圆能够显著提升单位面积晶圆上的芯片数量(DPW),故而可以降低单片芯片的生产成本。

6英寸向8英寸的过渡,不仅是晶圆尺寸的扩大,还涉及衬底生长、外延、器件加工、封装测试等全供应链的技术革新。从碳化硅晶圆的制备流程来看,8英寸晶圆的生产挑战颇多,如提高衬底质量与均匀性、优化外延工艺以减少缺陷、改进器件结构以适应更大尺寸晶圆的加工条件、确保封装和测试过程的稳定性等。

为应对8英寸碳化硅的发展需求,衬底供应商、外延服务提供商、晶圆厂、封装测试厂等加强协作,共同推进技术标准制定、设备改造升级、原材料供应保障等工作,构建更加完善的8英寸碳化硅生态系统。   

 

碳化硅器件的制备流程(图片来源:安森美)

当前,碳化硅市场正处于从6英寸碳化硅晶圆向8英寸碳化硅晶圆过渡的加速期,供应商们也在逐步减少6英寸晶圆产能的扩张,加码8英寸晶圆生产。  

2023年起,国际碳化硅供应商先后布局8英寸工厂。2024年3月,Wolfspeed以其创始人命名的碳化硅工厂“John Palmour碳化硅制造中心”封顶。三菱电机将在日本熊本县开建新的8英寸SiC工厂,并计划在2026年投入运营。韩国釜山市正计划投建2座8英寸SiC/GaN功率半导体生产设施。

牛嘉浩认为,未来几年内,随着技术进步、产能提升和成本下降,8英寸碳化硅将成为市场主流。尽管全面替代6英寸的过程可能还需一段时间,但从长期来看,8英寸晶圆将有助于碳化硅器件在更多应用领域实现大规模商业化,推动碳化硅市场进入新的发展阶段。

有机构预测,自2022年至2030年,8英寸晶圆的市场渗透率将达到50%。

全产业链创新满足更高性能需求

除了成本问题,碳化硅器件设计制造的全产业链也需满足电动汽车逐渐增长的性能需求。小米SU7在现场所展示的“弹射起步”需要性能更加强劲的电机,而消费者在快充和续航上的需求也推动800V甚至更高电压环境下整车充电效率的提升。

以主驱逆变器为例,其性能与导通电阻有关,更低的导通电阻需要碳化硅MOSFET的沟槽工艺继续精进。当前常见的MOSFET结构工艺有平面栅和沟槽栅两种。Cree公司、意法半导体专注于平面栅,而罗姆和英飞凌更偏爱“挖槽”。厂商们在各自的技术路径上不断探索,以求更精准地调控导通电阻与器件耐压性的平衡。

从实际使用需求倒推,电动汽车的性能升级不仅需要碳化硅器件在设计时不断创新,也需要碳化硅材料在衬底乃至外延环节具备更好的质量。    

三安半导体市场销售负责人告诉记者:“碳化硅材料的生产过程复杂,技术门槛高,良率一直是个大问题,实际能够供应市场的高质量碳化硅器件数量仍然有限。”此外,随着新能源汽车行业对碳化硅需求的持续增长,市场对高性能、高可靠性碳化硅器件的需求将保持旺盛态势。”他建议企业持续优化生产工艺,提高产品良率,并合理规划产能,以确保能够满足市场的长期需求。  

 

湖南三安半导体展出1200V 8mΩ SiC MOSFET 


在全产业链创新的背景下,加强产业链整合也是稳固碳化硅企业布局的关键一环。企业通过战略合作、兼并重组等方式,实现产业链的垂直整合和横向拓展。这不仅可以降低生产成本,提高产品质量,还能增强企业的市场话语权,为企业的长远发展奠定坚实基础。

据了解,英飞凌于2018年收购一家名为Siltectra的碳化硅冷切割技术科技公司,该技术可减少对硅锭原材料的浪费,从而提升8英寸的生产效率,此外英飞凌也与Wolfspeed合作,扩大并延长关于150mm碳化硅晶圆的长期供应协议。安森美致力于优化其从碳化硅衬底、外延、晶圆制造到成品封装的全产业链整合能力,确保稳定的供应链,并通过收购GT Advanced Technologies(GTAT)等战略举措,保障碳化硅产能。

日本行业调研机构富士经济发布的《2024年版新一代功率器件&相关市场现状和展望》报告测算,2030年SiC功率器件市场规模将达到近150亿美元,占到整体功率器件市场约24%,2035年则有望超过200亿美元,届时SiC器件市场规模将占到整体功率器件的40%以上。    

“SiC是新材料、新技术,所以从材料到供应链,再到应用的成熟都需要一个过程。”英飞凌市场部负责人告诉记者,“尽管我们不能排除短期内出现产能过剩的可能性,但也会根据对市场发展情况的预测来调整产能爬坡和扩产阶段的速度。总体上,我们认为整个碳化硅市场的发展活力有增无减。”

由此可见,碳化硅市场需求还将持续扩大,各大企业还有很长的路要走,只有全方位提升,才能在全球竞争的潮流中屹立不倒。