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近年來(lái)，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展非常迅猛。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國(guó)新能源汽車銷量達(dá)到了949.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)37.9%，市場(chǎng)占有率已達(dá)31.6%。預(yù)計(jì)2024年，中國(guó)新能源汽車銷量可能將達(dá)到1200-1300萬(wàn)輛，市占率可能超過(guò)45%，同時(shí)將占據(jù)全球新能源汽車總銷量的約60%。
特別是隨著新能源汽車對(duì)于能源轉(zhuǎn)換效率、充電效率、續(xù)航時(shí)間等方面的要求也越來(lái)越高，也推動(dòng)了對(duì)于具有高功率密度、耐高溫、耐高壓、體積更小等諸多優(yōu)勢(shì)的SiC功率硅器件需求的快速增長(zhǎng)。
不過(guò)，在10月22日，由EEVIA主辦的第12屆中國(guó)硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢(shì)峰會(huì)暨百家媒體論壇活動(dòng)上，清純半導(dǎo)體(寧波)有限公司市場(chǎng)經(jīng)理詹旭標(biāo)則表示，隨著全球SiC材料產(chǎn)能的快速擴(kuò)張，以及中國(guó)SiC器件設(shè)計(jì)及制造技術(shù)發(fā)展快速，產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張，預(yù)計(jì)到2026年全球碳化硅市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的產(chǎn)能過(guò)剩。但是中國(guó)廠商SiC技術(shù)的持續(xù)迭代，已經(jīng)達(dá)到比肩國(guó)際一線廠商的水平，中國(guó)未來(lái)或?qū)⒅鲗?dǎo)全球SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
碳化硅功率器件為新能源汽車帶來(lái)兩大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)
碳化硅是一種由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率和強(qiáng)電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度等特點(diǎn)，是主要的第三代半導(dǎo)體材料。這些獨(dú)特的物理性質(zhì)使得碳化硅器件在高溫度、高頻率、高電壓以及高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出比傳統(tǒng)硅器件更優(yōu)異的性能。
具體來(lái)說(shuō)，碳化硅器件可以在高達(dá)600°C的溫度下穩(wěn)定工作，其電阻率幾乎保持不變(約0.03Ω·cm)，所以它不僅耐高溫，且散熱性能也非常好。而傳統(tǒng)硅器件的工作溫度上限通常在150°C左右；碳化硅寬能隙特性使其具有更低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了能源轉(zhuǎn)換效率；碳化硅的高電子遷移率使得器件能在高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出低損耗和高速度的特點(diǎn)；碳化硅器件還能夠承受比硅器件更高的電壓，可靠性更高，并且有助于減小器件尺寸和系統(tǒng)成本。
在詹旭標(biāo)看來(lái)，SiC功率器件給新能源汽車帶來(lái)了兩大關(guān)鍵好處：
1、提升新能源汽車的續(xù)航里程。得益于SiC?MOSFET低導(dǎo)通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗的特點(diǎn)，新能源汽車電機(jī)控制器有望實(shí)現(xiàn)70%的損耗下降，進(jìn)而增加約5%行駛里程。
2、解決了新能源汽車的補(bǔ)能焦慮問(wèn)題。目前整個(gè)新能源汽車行業(yè)都是通過(guò)提升充電的功率來(lái)解決這一部分的問(wèn)題，單充電槍功率正朝著超過(guò)350KW方向演進(jìn)。預(yù)計(jì)到2025年，可以體驗(yàn)到15分鐘充滿80%的電能。
得益于SiC功率器件給新能源汽車帶來(lái)的諸多優(yōu)勢(shì)，SiC主驅(qū)乘用車型正逐年快速增加。根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2023年采用SiC主驅(qū)的新款乘用車型已達(dá)45款，而在2017年，全球僅有特斯拉的一款車型有采用SiC器件。從累計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，到2023年，采用SiC器件的國(guó)產(chǎn)車型合計(jì)已經(jīng)達(dá)到了142款，其中乘用車76款。
從整個(gè)SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)的Yole Intelligence在Power SiC 2022報(bào)告中提供的數(shù)據(jù)顯示：SiC功率器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)，2021年至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò)30%，2027年將超過(guò)60億美元，預(yù)計(jì)汽車市場(chǎng)將占該市場(chǎng)的80%左右。相當(dāng)于整個(gè)新能源汽車采用SiC功率器件的市場(chǎng)是完全被打開(kāi)了。目前，主驅(qū)應(yīng)用的主流器件還是以1200V SiC MOSFET為主。當(dāng)然，400V的平臺(tái)目前也是采用750V的SiC在做一些替代。
除新能源汽車之外，充電樁市場(chǎng)也是對(duì)于SiC功率器件需求非常旺盛的一個(gè)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年整個(gè)充電樁所需的SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到25億人民幣。目前我國(guó)整體的汽車充電樁保有量約在900-1000萬(wàn)左右。如果按照2030年的整個(gè)規(guī)劃，整個(gè)汽車保有量要達(dá)到6000萬(wàn)輛，同時(shí)車樁比達(dá)到1：1，相當(dāng)于在未來(lái)4-5年我們大概還要增加5000萬(wàn)個(gè)充電樁。按照目前的設(shè)計(jì)，充電模塊已經(jīng)開(kāi)始用SiC，并且在DC-DC包括PFC應(yīng)用，用的數(shù)量至少是8個(gè)以上，所以整個(gè)市場(chǎng)需求規(guī)模是非常巨大的。
國(guó)外廠商壟斷近92%的SiC功率器件市場(chǎng)
從目前SiC功率器件市場(chǎng)格局來(lái)看，目前主要是被國(guó)產(chǎn)廠商所壟斷。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，在2023年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體（ST）以32.6%市占率位居第一，安森美（onsemi）則由2022年的第四名躍居第二名，市場(chǎng)份額為23.6%。緊隨其后的則是英飛凌（Infineon，16.5%）、Wolfspeed（11.1%）、羅姆半導(dǎo)體（ROHM，8%）。這前五大國(guó)外SiC功率器件供應(yīng)商約占整個(gè)市場(chǎng)營(yíng)收的91.9%。
據(jù)詹旭標(biāo)透露，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)潜容^分散的，雖然可能在襯底或者外延部分現(xiàn)在已經(jīng)形成了一些規(guī)模，但是在SiC功率器件，特別是車規(guī)級(jí)SiC功率器件這一塊，目前國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET出貨銷售額基本是在幾千萬(wàn)的水平，對(duì)比國(guó)外的巨頭，出貨量及銷售額差距是非常大的。
另外，從這些頭部的SiC功率器件廠商的產(chǎn)能規(guī)劃來(lái)看，目前他們都在持續(xù)擴(kuò)大SiC的產(chǎn)能。比如Wolfspeed計(jì)劃投入65億美元來(lái)擴(kuò)大SiC產(chǎn)能；羅姆計(jì)劃投資37億美元擴(kuò)產(chǎn)；安森美計(jì)劃投資20億美元擴(kuò)產(chǎn)；英飛凌的目前規(guī)劃的總投資也是達(dá)到了50億歐元；ST與中國(guó)三安集團(tuán)合作，計(jì)劃投資約200億元人民幣擴(kuò)產(chǎn)；博世計(jì)劃投資15億美元擴(kuò)產(chǎn)。顯然，國(guó)外這些SiC器件巨頭擴(kuò)產(chǎn)的投資規(guī)模都很大。
SiC即將進(jìn)入產(chǎn)能過(guò)剩階段
相比國(guó)際巨頭的巨資擴(kuò)產(chǎn)，中國(guó)國(guó)內(nèi)SiC廠商的投入也在持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)產(chǎn)的SiC的產(chǎn)能規(guī)劃投資總計(jì)約1000億元人民幣。不過(guò)，目前中國(guó)SiC產(chǎn)能投資過(guò)于分散，頭部企業(yè)也不夠強(qiáng)。
從具體的國(guó)產(chǎn)SiC襯底規(guī)劃產(chǎn)能來(lái)看，根據(jù)預(yù)測(cè)，到2026年，國(guó)內(nèi)整個(gè)SiC襯底的產(chǎn)能規(guī)劃大概是468萬(wàn)片/年（折合6英寸晶圓）。如果這460萬(wàn)片SiC襯底產(chǎn)能都能夠順利進(jìn)行量產(chǎn)，屆時(shí)它將能滿足大概3000萬(wàn)輛新能源汽車的需求。
根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)量為958.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)35.8%；銷量達(dá)到了949.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)37.9%；而Rho Motion的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2024年初至9月底，全球共賣出1150萬(wàn)輛電動(dòng)車，其中國(guó)市場(chǎng)銷量高達(dá)720萬(wàn)輛，年增長(zhǎng)率達(dá)35%，在全球當(dāng)中的占比約63%。
詹旭標(biāo)表示，按照目前的一些預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，樂(lè)觀預(yù)計(jì)的話，到2026年，中國(guó)新能源汽車的產(chǎn)量大約會(huì)增長(zhǎng)到2800萬(wàn)~2900萬(wàn)。屆時(shí)國(guó)產(chǎn)SiC襯底的產(chǎn)能將可滿足大概3000萬(wàn)輛新能源汽車的需求，疊加海外SiC產(chǎn)能大幅增長(zhǎng)，屆時(shí)全球SiC行業(yè)將會(huì)進(jìn)入內(nèi)卷、產(chǎn)能過(guò)剩的階段。
隨著全球SiC材料的產(chǎn)能快速擴(kuò)展，目前中國(guó)SiC器件設(shè)計(jì)跟制造也相應(yīng)地得到快速的發(fā)展，并且產(chǎn)能也是持續(xù)在擴(kuò)展。除了在主驅(qū)上的應(yīng)用，目前在光伏、儲(chǔ)能包括充電模塊，這些市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)都是非常激烈的，并且由于整個(gè)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)或者產(chǎn)能過(guò)剩導(dǎo)致主流器件的價(jià)格也是快速下降。
比如，在2023年9月份到2024年4月份，市場(chǎng)熱賣的1200V/40mΩ的SiC功率器件的平均價(jià)格，已經(jīng)從35元跌到了23元，下降幅度達(dá)到35%。并且對(duì)比硅基IGBT價(jià)格，目前大概是1.5-2倍。根據(jù)預(yù)測(cè)，如果SiC的價(jià)格達(dá)到同類硅基功率器件1.5-2倍價(jià)格區(qū)間，整個(gè)市場(chǎng)會(huì)發(fā)生巨大的變革，SiC的滲透率將會(huì)快速增長(zhǎng)。
如果按照Yole數(shù)據(jù)，2024年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模大概是500億美元，那么兩三年后，SiC功率器件的價(jià)格下降到硅基功率器件1.2倍-1.5倍，那么這500億美元會(huì)不會(huì)全部都是SiC的呢市場(chǎng)？畢竟SiC功率器件對(duì)比硅基功率器件擁有高頻率、高功率密度、低損耗等諸多優(yōu)勢(shì)。
“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，只有提高SiC企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，通過(guò)技術(shù)迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)技術(shù)降本增效，這是SiC企業(yè)賴以生存的唯一途徑。”詹旭標(biāo)總結(jié)說(shuō)道。
國(guó)產(chǎn)SiC器件技術(shù)水平與國(guó)外差距迅速縮小
隨著整個(gè)新能源汽車主驅(qū)以及光伏、儲(chǔ)能、充電充行業(yè)的快速發(fā)展，目前整個(gè)國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)日趨完善。從材料到輔材、到襯底、外延、加工設(shè)備，包括設(shè)計(jì)、代工，現(xiàn)在基本上都是非常完善的，每個(gè)細(xì)分行業(yè)，都有了非常典型的代表廠商。
在詹旭標(biāo)看來(lái)，國(guó)產(chǎn)SiC器件技術(shù)水平跟國(guó)際的頭部企業(yè)，整個(gè)差距已經(jīng)非常小的?！拔覀€(gè)人認(rèn)為，目前是沒(méi)有很大差距的。如果要說(shuō)有差距，這個(gè)差距肯定是可以接受的差距。”
那目前主流SiC MOSFET技術(shù)大概是什么樣的水平呢？
詹旭標(biāo)將主流的兩種設(shè)計(jì)方案大致做了一個(gè)分類：
第一類，是平面柵極結(jié)構(gòu)的器件，代表廠商有Wolfspeed、ST、onsemi。平面柵極結(jié)構(gòu)的MOSFET目前也是在國(guó)內(nèi)或者在汽車領(lǐng)域包括光伏儲(chǔ)能，它的出貨量是最大的，并且它的可靠性目前也是最好的，而且工藝是非常成熟的。
第二類是溝槽柵極，主要以羅姆、英飛凌、博世等廠商為代表。溝槽柵極跟平面柵極各有優(yōu)缺點(diǎn)，平面柵整個(gè)工藝成熟，它在高溫下導(dǎo)通電阻是相對(duì)比較低的；而溝槽柵極會(huì)有比較低的Rsp，即比導(dǎo)通電阻比較低，但它在高溫下的熱性能沒(méi)有平面柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)這么好。
從近十年來(lái)國(guó)際主流SiC廠家的技術(shù)迭代路線來(lái)看，相當(dāng)于每過(guò)3-6年的區(qū)間，國(guó)際廠商會(huì)迭代一次，并且每次迭代大概下降20%-25%的Rsp水平。主流的SiC尤其是國(guó)外的技術(shù)水平，比如1200V SiC的Rsp大概能達(dá)到2.3~2.8mΩ。目前國(guó)內(nèi)1200V SiC MOSFET Rsp可能在2.8~3.3?mΩ，差距正在快速縮小。
詹旭標(biāo)還以清純半導(dǎo)體為例，與ST、羅姆等頭部的SiC功率器件廠商進(jìn)行了對(duì)比。
目前清純半導(dǎo)體基本上是以1年1代新產(chǎn)品的節(jié)奏快速迭代。從其第一代SiC MOSFET產(chǎn)品Rsp是在3.3mΩ?cm2左右，到2023年發(fā)布的第二代產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了2.8mΩ?cm2。相比之下，2022年ST 1200V的MOSFET Rsp也是2.8mΩ?cm2。今年清純半導(dǎo)體將會(huì)發(fā)布第三產(chǎn)品，整個(gè)Rsp可以做到2.4mΩ?cm2，將跟國(guó)際巨頭目前的最新的產(chǎn)品做到幾乎打平。
此外，清純半導(dǎo)體針對(duì)主驅(qū)領(lǐng)域有推出比較多的產(chǎn)品，比如有24平方毫米、25平方毫米、27平方毫米、30平方毫米尺寸的產(chǎn)品，但主流的包括國(guó)外廠家針對(duì)主驅(qū)的芯片也是比較少的。
“當(dāng)時(shí)我們是秉著一個(gè)比較卷的態(tài)度，跟行業(yè)去做對(duì)標(biāo)。我們1200V產(chǎn)品系列的核心參數(shù)，完全對(duì)標(biāo)國(guó)際一流水平，并且在某些參數(shù)上或在可靠性方面可能會(huì)比他們更好?！闭残駱?biāo)進(jìn)一步解釋道：“我們?nèi)ツ赀€發(fā)布了全球最低導(dǎo)通電阻SiC MOSFET，大概是3.5mΩ，整個(gè)尺寸是10×10平方毫米的面積。雖然它的應(yīng)用是比較少，但是它的存在是非常有意義。它相當(dāng)于可以指導(dǎo)我們的下一代產(chǎn)品，因?yàn)槲覀兛梢詫?duì)它做了一個(gè)非常詳細(xì)的良率分析，在不同的材料、不同的工藝，我們可以很清楚包括很準(zhǔn)確地了解針對(duì)每一個(gè)器件的良率?！?/p>
詹旭標(biāo)還以國(guó)際頭部企業(yè)目前在新能源汽車?yán)锩嬗玫米疃?、最成熟的器件與清純半導(dǎo)體的產(chǎn)品在相同的驅(qū)動(dòng)、相同的參數(shù)、相同的板子上做一個(gè)詳細(xì)的做了1：1的對(duì)比。結(jié)果顯示，清純半導(dǎo)體的產(chǎn)品串?dāng)_抑制能力（串?dāng)_可能導(dǎo)致直通現(xiàn)象，或者會(huì)增加整個(gè)損耗）已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)際一流水平。
詹旭標(biāo)指出：“在相同的dv/dt條件下，我們整個(gè)參數(shù)包括動(dòng)態(tài)參數(shù)表現(xiàn)也更優(yōu)。這也是允許我們可以在同樣的參數(shù)下，降低開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)比競(jìng)品，我們大概能降低35%-40%的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)提升產(chǎn)品的效率。”
另外，對(duì)于SiC功率器件來(lái)說(shuō)，主要應(yīng)用于工業(yè)級(jí)和車規(guī)級(jí)市場(chǎng)，因此客戶對(duì)于產(chǎn)品可靠性的要求非常高。目前行業(yè)都是已經(jīng)按照車規(guī)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)做了一些更加嚴(yán)格的測(cè)試，尤其是在主驅(qū)方面的應(yīng)用。
對(duì)此，清純半導(dǎo)體也對(duì)其產(chǎn)品做了非常全面且嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車級(jí)工業(yè)應(yīng)用400萬(wàn)顆MOSFET零失效的出色成績(jī)。
小結(jié)：
隨著SiC市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，以及產(chǎn)能即將進(jìn)入過(guò)剩的階段，國(guó)產(chǎn)廠商要想勝出就必須想辦法降低成本和提高產(chǎn)品的性能。
對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，一方面可以向更大尺寸的SiC材料發(fā)展，比如目前主要6英寸的SiC襯底，但頭部的廠商已經(jīng)進(jìn)入了8英寸，尺寸越大，可以制造的器件就越多，可以攤薄成本。另一方面就是提升良率，降低SiC襯底的缺陷率。此外還可以向外延制備方向發(fā)展。
對(duì)于器件來(lái)說(shuō)，主要就是往比導(dǎo)通電阻越來(lái)越低的水平去設(shè)計(jì)，同時(shí)在可靠性或者魯棒性方面向硅基IGBT的水準(zhǔn)對(duì)齊。針對(duì)工藝方面，溝道遷移率的問(wèn)題可以進(jìn)行更多的研究。
從市場(chǎng)端來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)在SiC材料、器件量產(chǎn)已開(kāi)始進(jìn)入內(nèi)卷和洗牌快車道。
SiC功率器件在光儲(chǔ)充的國(guó)產(chǎn)替代已經(jīng)大批量應(yīng)用，成功推進(jìn)2-3年，規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，部分企業(yè)已率先完成100%國(guó)產(chǎn)替代。
雖然國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)SiC MOSFET技術(shù)與產(chǎn)能已對(duì)標(biāo)國(guó)際水平，但由于各種原因，SiC MOSFET在乘用車主驅(qū)應(yīng)用目前仍依賴進(jìn)口，但預(yù)計(jì)未來(lái)2~3年后局面肯定會(huì)有大幅改善。不過(guò)，由于競(jìng)爭(zhēng)激烈和應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，車規(guī)級(jí)SiC MOSFET可靠性標(biāo)準(zhǔn)逐年提高，這也將進(jìn)一步推動(dòng)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)步。因此，在這塊國(guó)產(chǎn)需要持續(xù)跟上。
此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將促使國(guó)內(nèi)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品價(jià)格快速下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)大，主驅(qū)芯片國(guó)產(chǎn)替代已經(jīng)起步，并將逐步上量，最終有望主導(dǎo)全球供應(yīng)鏈。
“在完成SiC半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新及市場(chǎng)教育后，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)逐步從技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)移到大規(guī)模量產(chǎn)。依托巨大的應(yīng)用市場(chǎng)和高效產(chǎn)能提升，中國(guó)在不久的將來(lái)有可能主導(dǎo)全球SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)?！闭残駱?biāo)總結(jié)說(shuō)道。
編輯：芯智訊-浪客劍
