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碳化硅半导体暗战升级 新能源汽车或是主力市场

2021-12-08 07:51:05    来源:中国汽车报网

新材料正在重塑全球半导体产业竞争新格局。业内人士希望到2025年,碳化硅的供应商有足够的产能,否则这个行业或许会面临供需不平衡问题。虽然市场空间巨大,但其大规模商用仍需跨越多个方面的关卡。

在“新基建”和“双碳”目标的推动下,我国第三代半导体产业正加速发展,有望成为绿色经济的中流砥柱,引领新一轮产业革命。

而以碳化硅为代表的第三代半导体,也是支撑新能源汽车发展的关键技术之一,在电机控制器、车载充电器、DC/DC转换器等零部件中发挥重要的作用。虽然其在汽车行业大规模普及尚待时日,但国内外企业瞄准第三代半导体的竞争已经开启。

第三代半导体处在黄金赛道

从上世纪90年代才真正起步,中国半导体产业可谓一直在“自主可控”的道路上奋进。随着第三代半导体崭露头角,我国半导体产业也迎来了新的发展契机。更为重要的是,我国正处在碳达峰阶段,并将逐步过渡到碳中和时代,汽车领域的电气化必将为其提供有力支撑。

从半导体的发展历史看,硅、锗为第一代半导体;砷化镓、磷化铟为第二代半导体的代表;发展到第三代半导体,涌现出碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等材料。其中,碳化硅、氮化镓目前是技术相对成熟的材料。

在电力电子领域,电力供应与传输的开和关,可以用半导体的导电和不导电来实现,从而构成了功率半导体的基础。而功率半导体,正是第三代半导体的主要用武之地。据悉,第三代半导体的应用场景通常为高温、高压、高功率场景,器件需要具有较好的耐高温和散热性能,以保证其工作寿命。第三代半导体主要应用于功率器件和射频器件。从应用场景来看,碳化硅器件更适合高压和高可靠性情景,应用在新能源汽车和工控等领域,氮化镓器件更适合高频情况,应用在5G基站等领域。

业界普遍认为,碳化硅是第三代半导体材料的代表,也是未来能源、交通、制造等领域的重要支撑技术。碳化硅的热导率约是氮化镓热导率的3倍,具有更强的导热性能,器件寿命更长,可靠性更高,系统所需的散热系统更小。

当前,第三代半导体正处于快速发展的黄金赛道。2020年,我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过100亿元,同比增长69.5%。其中,碳化硅、氮化镓电力电子产值规模达44.7亿元,同比增长54%。

从第三代半导体产业发展情况来看,全球市场基本形成了美国、欧洲、日本企业三足鼎立的态势。虽然与国际巨头仍有一定差距,但随着下游市场的需求拉动,我国企业也开始奋起直追。

“新材料正在重塑全球半导体产业竞争新格局。”第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲说道。

新能源汽车或是主力市场

碳化硅功率器件被广泛应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等,以及光伏、风电等领域。受益于新能源汽车推广,碳化硅功率器件市场有望迎来快速增长。资料显示,到2025年,新能源汽车与充电桩领域的碳化硅市场将达17.78亿美元(约合人民币116.81亿元),约占碳化硅总市场规模的七成。

“希望到2025年,碳化硅的供应商有足够的产能,否则这个行业或许会面临供需不平衡问题。”半导体研究咨询公司Yole功率与无线部门总监克莱尔·特劳德克指出,碳化硅模块在IGBT市场的应用不断增长,碳化硅技术及基础器件未来发展空间巨大,这也是越来越多企业在这个领域加大投入的原因。

北京天科合达半导体股份有限公司副总经理刘春俊表示,由于碳化硅具有开关速度快、开关损耗小的优势,是实现新能源汽车电机控制器功率密度提升的关键要素。事实上,行业人士已形成共识,第三代半导体碳化硅的普及和应用是电驱动系统发展的必然趋势。

据记者了解,采用碳化硅器件的电驱系统,体积可减小40%,重量可减轻30%,效率可提升10%。同时,碳化硅器件的能量损失更小。相较于硅基IGBT,采用碳化硅MOSFET的电动汽车,续驶里程更长,可增加5%~10%,因为减少能量损耗能够直接提高车辆续驶里程。

得益于碳化硅材料的独特优势,近年来,产业链上下游企业纷纷对此展开布局。当前,碳化硅二极管和MOSFET管器件在新能源汽车的车载电源系统上已获得应用,而行业也在期待碳化硅功率模块在新能源汽车上全面替代硅基IGBT模块。

特劳德克介绍称,目前碳化硅市场占比不足4%,但到2026年前后,这个数字有望增至30%,氮化镓占比或达5%,碳化硅和氮化镓在今后的功率半导体市场会有更多的增长机会。

此外,储能市场也是碳化硅应用的重要领域。根据中商情报网数据,使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提高至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍。

深圳古瑞瓦特新能源有限公司副总经理兼研发总监吴良材表示,发展家庭能源系统在欧美市场是比较流行的一个趋势。整个家庭中的能源由光伏提供,包含光伏储能与电动汽车。碳化硅高导热性、高耐温性、宽禁带和高击穿场强的性能非常适合这一场景应用。事实上,特斯拉就已构建一个以太阳能屋顶系统和Powerwall为核心的能源系统,其投建光储充一体化超级充电站工作原理是将太阳能转化为电能,并通过Powerwall存储相关能量,并将这些电能再以充电的形式补给电动汽车,由此形成一个能量使用的闭环。

全产业链布局竞争暗流涌动

当前,全球多个国家和地区对碳化硅的发展都有比较明确的产业政策,企业间的竞争也不断加速。目前,碳化硅器件市场的头部企业包括意法半导体、Wolfspeed、罗姆半导体、英飞凌、艾森美、三菱电机等。这些企业对于碳化硅板块未来的预期都非常高。

一些整车企业在碳化硅的应用上也较为积极。特斯拉是率先使用碳化硅功率器件的车企,其Model 3、Model Y采用意法半导体的碳化硅MOSFET模块,显著提升了车辆续驶里程和其他性能。2020年,比亚迪高端车型“汉”也配装碳化硅功率模块。比亚迪预计到2023年,将在旗下电动汽车上实现碳化硅器件对硅基IGBT器件的全面替代。

据悉,不少车企已将碳化硅电机控制器列入新项目开发计划。小鹏汽车、蔚来汽车都官宣,要使用碳化硅的工艺器件模块。此外,丰田、大众、北汽、一汽、理想汽车业都有使用碳化硅工艺器件的计划。

在刘春俊看来,国际上碳化硅的产业链已完全成熟,中国的碳化硅产业链发展比较快,目前形成了完全的产业链,从衬底-外延-器件-应用,我国企业都占据了一定的市场份额和地位。

以英飞凌的IGBT为例,国内企业的IGBT产品与之相比至少还有两代以上的差距,约为8~10年。因此,国内碳化硅企业肩负着攻克“卡脖子”技术的使命。

有业内人士对记者表示,国内外约有碳化硅器件企业20多家,能够供应碳化硅MOSFET的企业也不断出现。自主碳化硅器件与碳化硅电机的商业化落地,不仅意味着新技术的飞跃,而且将进一步打破IGBT被外资企业垄断的局面。

据刘春俊介绍,天科合达半导体完成了6英寸导电型和半圆型碳化硅衬底的产业化,“未来5年,6英寸产品将是市场的主流,8英寸产品也在逐步量产,我们计划明年实现量产,其他家也在积极做量产的准备。”

“随着技术的进步和成本的降低,未来碳化硅将会在更多的领域得到应用。”南京大学教授李哲洋称,碳化硅芯片在较高的温度下工作,同时拥有低的损耗(导通损耗和开关损耗),系统集成的时候使用较小的冷却系统,在提高效率的同时系统耗损减少,适用于新能源汽车快充。

产业化仍需跨越诸多挑战

“十四五”规划指出,要推动第三代半导体产业迅速发展。我国也陆续出台相关政策,为第三代半导体产业的发展提供支持。

近日,北京市印发《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》,提出支持开展关键新材料“卡脖子”技术攻关,搭建硅基光电子、第三代半导体器件等重点领域共性技术平台,加速技术及产品研发进程;围绕碳化硅、氮化镓等高品质材料、器件、核心设备,打造第三代半导体高端产业链。

今年3月,科技部正式批复了《支持广东省建设国家第三代半导体创新中心》,支持设置深圳平台,聚焦第三代半导体关键核心技术和重大应用突破,统筹全国优势力量为第三代半导体提供源头技术供给,推动我国第三代半导体产业创新能力整体跃升。

基本半导体汽车行业总监文宇对记者表示,新能源汽车的快速增长将极大地提升碳化硅功率模块的需求,预计行业将在2023年迎来碳化硅电机控制器的量产爆发。

根据Yole公司的研究,2018年碳化硅功率器件市场规模约4亿美元,2024年这个数字将增至50亿美元,年复合增速约51%,而2027年碳化硅功率器件市场规模有望达到172亿美元。虽然市场空间巨大,但碳化硅的大规模商用仍需跨越多个方面的关卡。

“成本一直是碳化硅器件应用的一只拦路虎。”李哲洋介绍称,目前有几个途径可降低成本,一是扩产,几家大型供应商进行了较大规模的扩产,并进一步加大相关投入;二是技术创新,例如丰田采用表面纳米工艺,实现了零缺陷的6英寸衬底,从而大大提高了其使用效率,日本住友通过溶液单晶生长方法,最近获得了了使用面积高达99%的6英寸衬底,生长速率达到了2毫米/小时。

此外,碳化硅产品还面临可靠性和应用方面的挑战。据悉,目前掌握MOSFET氧化层核心技术的公司较少;针对一些应用场景,碳化硅的解决方案设计难度增加;新冠肺炎疫情的反复降低了工作效率。

业内人士告诉记者,碳化硅良品率提升是产业发展的关键,碳化硅长晶技术难度较高,良品率提升困难,如果碳化硅生产良品率不及预期,第三代半导体应用普及速度面临挑战。

刘春俊称,碳化硅未来将朝着大尺寸特别是8英寸发展,此外会不断降低成本,并减小缺陷密度,提供高质量产品。

“从系统集成的角度,如何平衡碳化硅产品的优势和挑战以及成本问题,是产业界需要共同探讨和解决的问题。”采埃孚(中国)投资有限公司电控开发高级经理魏俊生指出,“这些方面其实是相辅相成的,通过更好的系统集成和更好的产品应用,能实现器件成本的优化。”

标签: 碳化硅 半导体 双碳目标 汽车领域

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