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碳化硅模塊上車高濕測試
2021年碳化硅很“熱”。比亞迪半導(dǎo)體、派恩杰、中車時代電氣、基本半導(dǎo)體等國內(nèi)碳化硅功率器件供應(yīng)商的產(chǎn)品批量應(yīng)用在汽車上，浙江金華、安徽合肥等地碳化硅項目開始投建，我國初步形成了從襯底、外延片到器件、模塊較為完整的產(chǎn)品供應(yīng)鏈。
但記者在采訪中了解到，國內(nèi)碳化硅功率器件行業(yè)還呈現(xiàn)“小”“散”特征，未來五年將是整合期，車規(guī)級碳化硅功率器件與國外公司還有較大差距。此外，碳化硅功率器件技術(shù)仍在演進(jìn)過程中，還需關(guān)注其中風(fēng)險，“熱潮”下也要“冷觀”。
碳化硅器件上車元年
2021年號稱國產(chǎn)碳化硅器件上車元年。2021年8月1日，比亞迪半導(dǎo)體發(fā)文稱，比亞迪漢電機控制器首次使用了比亞迪自主研發(fā)制造的高性能碳化硅功率模塊，這是全球首家、國內(nèi)唯一實現(xiàn)在電機驅(qū)動控制器中大批量裝車的碳化硅三相全橋模塊。
12月，國內(nèi)碳化硅功率器件供應(yīng)商派恩杰半導(dǎo)體碳化硅MOSFET拿下新能源龍頭企業(yè)數(shù)千萬訂單。12月26日，中車時代電氣發(fā)布C-Power220s產(chǎn)品，號稱國內(nèi)首款基于自主碳化硅的大功率電驅(qū)產(chǎn)品。12月30日，車規(guī)級碳化硅功率半導(dǎo)體廠商基本半導(dǎo)體發(fā)布公告稱，其位于無錫的汽車級碳化硅功率模塊制造基地正式通線運行，首批碳化硅模塊產(chǎn)品下線，并已通過國內(nèi)頭部車企的選型和測試。
基本半導(dǎo)體Pcore6
基于其良好的市場前景預(yù)期，去年我國碳化硅投資相關(guān)項目幾十起。其中有十幾筆投資與碳化硅器件相關(guān)。2021年7月18日，世紀(jì)金光項目與浙江省金華市金義新區(qū)正式簽約，該項目總投資35億元，將建設(shè)年產(chǎn)22萬片6-8英寸碳化硅芯片生產(chǎn)線，項目分三期完成建設(shè)，全部達(dá)產(chǎn)后可實現(xiàn)年產(chǎn)值約40億元。
12月30日，鈞聯(lián)電子宣布，他們在合肥經(jīng)開區(qū)舉行“車用800V多融合碳化硅動力域控制器項目”啟動儀式。項目總投資約10億元，主要從事基于碳化硅材料的多融合動力域控制器（包括MCU、OBC、DCDC、DCAC、PDU、智能控制軟件、車聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品）的研發(fā)、銷售與服務(wù)。目前已完成第二代車用800V多融合碳化硅動力域控制器產(chǎn)品開發(fā)。
從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，我國覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局初步形成。從襯底到外延片到器件、模塊，我國已形成了較為完整的產(chǎn)品供應(yīng)鏈。在襯底和外延片方面，我國部分企業(yè)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)向國際大廠供貨，其中不乏意法半導(dǎo)體等全球車用半導(dǎo)體大廠。
對市場前景期待極高
碳化硅很“熱”，這幾乎是行業(yè)共識。新能源汽車的發(fā)展為國內(nèi)碳化硅器件廠商發(fā)展車規(guī)級產(chǎn)品提供了難得機遇。由于碳化硅材料具備的載流子遷移率高、擊穿場強高等優(yōu)點，碳化硅MOSFET在中低功率段的熱損耗遠(yuǎn)低于硅基IGBT。也正是基于這個原因，各大半導(dǎo)體供應(yīng)商對碳化硅MOSFET的市場前景抱有極高的期待。
基本半導(dǎo)體公司汽車行業(yè)總監(jiān)文宇在接受《中國電子報》記者采訪時表示，預(yù)計到2025年，全國新能源汽車的年銷量將有望超過1000萬輛。其中估計將約有40%~50%的汽車使用碳化硅電機控制器。即，使用碳化硅功率模塊的汽車將達(dá)到400萬~500萬輛。
三安光電副總經(jīng)理陳東坡同樣對碳化硅向汽車功率器件滲透抱有樂觀態(tài)度。他認(rèn)為，碳化硅將在長續(xù)航里程的車型中實現(xiàn)優(yōu)先滲透，因為長續(xù)航里程的車型的導(dǎo)入驅(qū)動力比較強。預(yù)計在2023-2024年，高于500公里續(xù)航里程的車型中將有80%~90%導(dǎo)入碳化硅器件。400公里~500公里續(xù)航里程的車型，預(yù)計將在2024年之后開始導(dǎo)入，這一類車整體滲透率將達(dá)到40%左右。對于400公里以下的這一類車型，預(yù)計2025年以后才會逐步跟進(jìn)，而且這一類車型，整體滲透率也不會很高，預(yù)估在10%左右。
碳化硅模塊上車測試
整體看成本或不是問題
當(dāng)前，限制碳化硅在車規(guī)級產(chǎn)品中應(yīng)用的主要阻礙有人認(rèn)為是成本太高。根據(jù)供應(yīng)鏈企業(yè)報價，當(dāng)前，一臺新能源汽車上使用的進(jìn)口硅基IGBT模塊的價格約為1500~1700元。而碳化硅MOSFET功率模塊的價格則是硅基IGBT模塊的2.5~3倍。這相當(dāng)于若要用碳化硅MOSFET模塊替換硅基IGBT模塊，每輛車將需要提高2200~3400元左右的成本。
對于這一數(shù)據(jù)文宇表示，碳化硅MOSFET模塊上車與硅基IGBT模塊所帶來的整車成本差距并不大。同一電壓平臺下，IGBT換成碳化硅MOSFET模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)整車3%~5%的效能提升，這就意味著在相同續(xù)航里程的車上，使用碳化硅MOSFET比使用硅基IGBT的車輛所需電池容量可以減少3%~5%，以400Km約60度電的車為例，大概可以少用3度電的電池，折算成電池成本約下降3000元左右，與碳化硅模塊的成本提升相近。這還不包括使用碳化硅之后在電線、散熱、體積等方面所帶來的成本下降。
車規(guī)級模塊生產(chǎn)基地
由此來看，碳化硅MOSFET也不會帶來整車成本上升。且隨著碳化硅MOSFET產(chǎn)量進(jìn)一步增長，單片碳化硅價格將有望下降。
碳化硅“熱潮”要“冷觀”
縱使我國碳化硅產(chǎn)線較為完善，但在器件制備方面仍存在短板。文宇在接受《中國電子報》記者采訪時表示，我國企業(yè)和國外大廠使用的設(shè)備、原材料等差別不大。
在這樣的情況下，生產(chǎn)出來的芯片存在差距，主要是由生產(chǎn)工藝導(dǎo)致。基于碳化硅材料的特殊性，其制作難度很大程度上取決于所采用的工藝技術(shù)和水平。工藝的差距帶來了性能和可靠性方面的差距，這也是當(dāng)前國產(chǎn)碳化硅功率半導(dǎo)體上車難度較大的原因之一。
缺乏相關(guān)工藝技術(shù)、專業(yè)人才，是當(dāng)前我國發(fā)展車規(guī)級碳化硅功率器件所面臨的困境之一。此外，還受到我國集成電路全行業(yè)現(xiàn)階段發(fā)展阻礙的限制：高端設(shè)備、高性能材料的缺乏。
賽迪顧問高級分析師呂芃浩在接受《中國電子報》記者采訪時表示，當(dāng)前正處于碳化硅晶圓片從6英寸向8英寸升級的過渡期。8英寸設(shè)備的供應(yīng)對于國內(nèi)企業(yè)來說將是個難關(guān)。此外，碳化硅制備過程中所需的高端材料，例如光刻膠、高純氣體，將依然存在依賴進(jìn)口的問題。
投資市場的紅火體現(xiàn)了相關(guān)企業(yè)、各地政府對碳化硅產(chǎn)線的重視。然而綜覽全國，能夠發(fā)現(xiàn)我國車規(guī)級碳化硅功率器件、模塊的企業(yè)雖入局者眾多，但規(guī)模都不大，“小”“散”特征明顯。車規(guī)級碳化硅功率器件領(lǐng)域入局企業(yè)更是鳳毛麟角。
深圳大學(xué)微電子研究院院長、半導(dǎo)體制造研究院院長王序進(jìn)表示，車規(guī)級產(chǎn)品相比消費級、工業(yè)級產(chǎn)品對可靠性、安全性要求更高，需要長期投入。在王序進(jìn)看來，國內(nèi)車規(guī)級芯片公司是“游擊隊”，而海外都是“集團軍”作戰(zhàn)。如果想要實現(xiàn)國內(nèi)車規(guī)級功率半導(dǎo)體更廣泛的應(yīng)用，需要對“游擊隊”進(jìn)行整合，未來五年將是其整合期。
即便整個行業(yè)對車規(guī)級碳化硅市場前景看好，但也不建議廠商大批量投入。呂芃浩表示，畢竟當(dāng)前車載碳化硅市場空間有限，整體來看，當(dāng)前僅有十幾億到二十幾億的體量，需要緩慢釋放其市場潛能。
王序進(jìn)亦表示，碳化硅功率器件的技術(shù)仍在演進(jìn)過程中，中國企業(yè)達(dá)到國際領(lǐng)先水平較難，還需關(guān)注其中風(fēng)險。
上下游之間要深度合作
面對我國車規(guī)級碳化硅功率半導(dǎo)體上車遇到的問題，文宇提出三點破局之道。
首先，繼續(xù)進(jìn)行人才培養(yǎng)和儲備。要做成車規(guī)級碳化硅晶圓流片線和模塊封裝線，需要培養(yǎng)大量具備專業(yè)技能的人才。面對國內(nèi)車規(guī)級碳化硅產(chǎn)品仍在繼續(xù)追趕海外大廠技術(shù)水平的情況，文宇認(rèn)為，要想實現(xiàn)我國的碳化硅產(chǎn)業(yè)化，還需要引進(jìn)大量的海外人才。
其次，要保證設(shè)備和原材料供應(yīng)不受制約。在采用海外設(shè)備和原材料的同時，要加大國內(nèi)生產(chǎn)、測試設(shè)備的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及國內(nèi)高性能襯底、外延材料的技術(shù)、質(zhì)量和產(chǎn)能提升。
第三，產(chǎn)業(yè)上下游之間要深度合作。對于車規(guī)級產(chǎn)品來說，上車驗證是其一大關(guān)卡。若能盡早實現(xiàn)產(chǎn)品上下游合作，將能夠幫助碳化硅供應(yīng)企業(yè)少走很多彎路。包括意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆在內(nèi)的國際車規(guī)級功率半導(dǎo)體企業(yè)，均與國內(nèi)外車企建立有良好的伙伴關(guān)系。我國車企與碳化硅功率半導(dǎo)體企業(yè)的合作雖已開展，但仍需加大推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作更深入開展。
作者丨姬曉婷
編輯丨連曉東
美編丨馬利亞
