電動汽車市場催生碳化硅新前景

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、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。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、高頻率場景，并且能夠以較少的電能消耗獲得更高的運行能力。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。隨著電動汽車市場的不斷擴(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，縮短充電時間，提高用戶體驗。

碳化硅的生長

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)到一定溫度時會合成碳化硅，但碳化硅主要是在≥1800℃時形成。每組電爐配備一組變壓器，生產(chǎn)時只對單一電爐供電，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。電力電子器件是對電能進(jìn)行變換和控制，所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW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)電之間控制運行、交流與直流之間能量互換、自動化高效控制等的重要手段，也是實現(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)體場效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）等，主要用于電動汽車、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、國防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。

碳化硅的優(yōu)勢

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：

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。這對于汽車發(fā)動機(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。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，從而降低整個系統(tǒng)的成本。

體積?。禾蓟韫β势骷梢詫崿F(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，使得整個電路體積更小，有利于實現(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

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，碳化硅器件市場的價值約為20億美元，預(yù)計到2030年將達(dá)到110億至140億美元，年均復(fù)合增長率約為26%。由于碳化硅對逆變器的高適用性，預(yù)計70%的碳化硅需求將來自電動汽車。中國是預(yù)計電動汽車需求量最大的國家，預(yù)計將占電動汽車生產(chǎn)對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，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%的市場份額。

2022年，這五家企業(yè)的碳化硅器件營收全部超過1億美元，意法半導(dǎo)體居首，營收達(dá)到7億美元。安森美以2.6億美元營收超過羅姆晉級第四，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。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，但碳化硅市場依然備受關(guān)注。安森美計劃在2027年實現(xiàn)35-40%的市占率，并投入20億美元升級和擴(kuò)建生產(chǎn)線。

碳化硅的供應(yīng)

據(jù)麥肯錫調(diào)查報告顯示，預(yù)計到2030年，電動汽車市場將以20%的復(fù)合年增長率增長。屆時xEV的銷量預(yù)計將達(dá)到6400萬輛，是2022年電動汽車預(yù)計銷量的四倍。為確保電動汽車零部件供應(yīng)足以滿足這一快速增長的需求至關(guān)重要，碳化硅的供應(yīng)是重點關(guān)注對象。

為了爭奪碳化硅器件市場，一些領(lǐng)先的制造商已經(jīng)通過并購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 Norstel、Onsmi收購 GT Advanced Technologies (GTAT)，以及羅姆半導(dǎo)體收購 SiCrystal。

根據(jù)CASA Research的報告，為了加強(qiáng)競爭優(yōu)勢，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)計在2017年至2024年間，其整體產(chǎn)能將擴(kuò)大30倍。羅姆也計劃在2017年至2024年間將其產(chǎn)能擴(kuò)充16倍。而II-VI則計劃在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格局，各家產(chǎn)品的側(cè)重點有所不同。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)計和制造方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，以提高其產(chǎn)品的性價比和生產(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百分點，具體取決于垂直整合的水平。預(yù)計美國將于 2024 年和 2025 年開始批量生產(chǎn)八英寸晶片，屆時行業(yè)領(lǐng)先的制造商將進(jìn)一步參與碳化硅價值鏈，為電動汽車OEM提供更先進(jìn)的服務(wù)。