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作為第三代半導體的一員，近年來(lái)碳化硅（SiC）功率器件備受矚目且發(fā)展迅猛。中國是制造業(yè)大國，很多行業(yè)如新能源汽車(chē)、儲能、光伏和風(fēng)力發(fā)電都需要大量的功率器件。在市場(chǎng)爆發(fā)的當下，一些中國企業(yè)已經(jīng)布局碳化硅技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)，并逐步實(shí)現進(jìn)口替代。 清純半導體（寧波）有限公司是一家聚焦于碳化硅半導體領(lǐng)域的高科技芯片公司，由張清純先生于2021年3月創(chuàng )立。張清純曾在全球碳化硅行業(yè)的鼻祖Cree公司工作近13年，于2019年底全職回國，入職復旦大學(xué)，領(lǐng)銜建立上海碳化硅功率器件工程技術(shù)研究中心。在E維智庫第12屆中國硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng )新趨勢峰會(huì )暨百家媒體論壇上，清純半導體(寧波)有限公司市場(chǎng)經(jīng)理詹旭標以“車(chē)載電驅及供電電源用SiC技術(shù)最新發(fā)展趨勢”為題介紹了SiC上車(chē)這一行業(yè)共識，SiC產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現狀，以及國內SiC器件技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢。 SiC上車(chē) 詹旭標介紹說(shuō)，中國新能源汽車(chē)的興起是SiC上車(chē)的重大機遇。數據顯示，目前中國新車(chē)市場(chǎng)的新能源汽車(chē)滲透率已經(jīng)超過(guò)50%，且中國的新能源汽車(chē)產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)全球產(chǎn)量的60%。他說(shuō)，中國的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)很可能重走光伏產(chǎn)業(yè)的歷程，將來(lái)會(huì )主導整個(gè)全球市場(chǎng)。 自2017年特斯拉發(fā)布第一款基于SiC主驅的電動(dòng)汽車(chē)后，比亞迪于2020年也發(fā)布了第一臺基于SiC主驅的汽車(chē)。在接下來(lái)的幾年內，各個(gè)主驅廠(chǎng)或者車(chē)廠(chǎng)紛紛投身于SiC平臺的研發(fā)。目前，主驅?xiě)玫闹髁髌骷且?200V SiC MOSFET為主。 SiC器件給新能源汽車(chē)帶來(lái)諸多好處。第一是提升了新能源汽車(chē)的續航里程。得益于SiC MOSFET的低導通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗，與硅基IGBT方案相比，整個(gè)電機的控制器系統有望降低70%的損耗，從而能增加5%的行駛里程。第二是緩解了補能焦慮問(wèn)題。SiC的應用使得充電功率得以大幅提升。預計在2025年，快充電樁可以做到15分鐘補電80%。 詹旭標說(shuō)，充電樁是除新能源汽車(chē)主驅外最活躍的一個(gè)市場(chǎng)。目前我國的汽車(chē)充電樁保有量大約為900-1000萬(wàn)個(gè)。按照規劃，2030年我國新能源汽車(chē)保有量要達到6000萬(wàn)輛，同時(shí)車(chē)樁比要達到1：1，相當于在未來(lái)4至5年我們還要增加5000萬(wàn)個(gè)充電樁。按照目前的設計，每個(gè)充電樁包含的SiC器件數量至少是8個(gè)以上�？梢�(jiàn)這是一個(gè)規模非常巨大的市場(chǎng)。 SiC產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現狀 據市場(chǎng)調研共公司Yole預測，2025年全球 SiC 市場(chǎng)規模接近 60億 美元，年復合增長(cháng)率預計為 36.7%。TrendForce數據顯示，2023年，SiC 器件市場(chǎng)被國外企業(yè)壟斷，頭部 5 家龍頭 企業(yè)（ST Micro、Onsemi、Infineon、Wolfspeed和Rohm）市場(chǎng)份額合計高達 91.9%。SiC襯底方面則呈現國內產(chǎn)能過(guò)剩，充分的競爭導致了價(jià)格快速下降。 詹旭標說(shuō)，在技術(shù)層面，有以Wolfspeed,、ST Micro和onsemi為代表的平面柵技術(shù)，以及以Rohm、Infineon和Bosch為代表的溝槽柵技術(shù)。受工藝成熟的與穩定性影響，溝槽柵器件暫時(shí)并沒(méi)有實(shí)現對平面柵結構的全面超越。目前，1200V SiC MOSFET的 Rsp（比導通電阻）處于2.3 – 2.8mΩ⋅cm2水平。 國內SiC器件技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢 詹旭標說(shuō)，國內 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈正日趨完善。如下圖所示，從SiC晶圓襯底、外延、晶片處理、二極管/晶體管設計、模塊封裝到車(chē)載系統，各細分行業(yè)均涌現出典型代表，正快速縮小與跨國龍頭企業(yè)的差距。 
SiC MOSFET技術(shù)方面，國際SiC MOSFET技術(shù)持續發(fā)展，維持3至5年的迭代周期。中國SiC MOSFET器件最新技術(shù)目前已經(jīng)對標國際主流水平，并保持一年一代的快速迭代節奏。如下圖所示，以清純半導體為代表的國內企業(yè)的典型1200V產(chǎn)品系列核心參數已經(jīng)可以全面媲美國際一流水平。詹旭標說(shuō)，清純半導體以行業(yè)最全面可靠性測試方法、最嚴苛可靠性要求，確保了目前在市場(chǎng)上大概銷(xiāo)售有400萬(wàn)顆MOSFET，其中產(chǎn)品失效率<1PPM。實(shí)現新能源汽車(chē)及工業(yè)應用400萬(wàn)顆MOSFET零失效。
據詹旭標介紹，SiC半導體技術(shù)發(fā)展趨勢體現在以下幾個(gè)方面。SiC材料方面，要實(shí)現大尺寸、低缺陷SiC襯底及外延制備。材料及制造成本繼續降低，晶圓材料良率提升至5mm×5mm尺寸下大于90% 。SiC器件方面，要實(shí)現基于先進(jìn)SiC材料生長(cháng)和工藝技術(shù)的新型SiC器件。SiC MOSFET 比電阻(特別是高溫比電阻) 繼續降低，各類(lèi)可靠性、魯棒性接近Si IGBT 水平。工藝方面，要實(shí)現面向下一代SiC器件的制造及封裝工藝。繼續研究制約SiC MOSFET/IGBT 發(fā)展的基礎科學(xué)問(wèn)題，包括溝道遷移率、缺陷形成及抑制機制和少子壽命控制。 據詹旭標介紹，中國SiC 半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢總體比較樂(lè )觀(guān)。在完成SiC 半導體技術(shù)創(chuàng )新及市場(chǎng)教育后，國際競爭焦點(diǎn)逐步從技術(shù)研發(fā)轉移到大規模量產(chǎn)。依托巨大的應用市場(chǎng)和高效的產(chǎn)能提升，中國在不久的將來(lái)有可能主導全球SiC 半導體產(chǎn)業(yè)。目前，國際芯片供應商主導供應鏈，國內SiC 材料實(shí)現部分替換。將來(lái)，國內市場(chǎng)實(shí)現全面國產(chǎn)替代，國際芯片與終端企業(yè)將與國內企業(yè)開(kāi)展全面合作。 詹旭標總結說(shuō)，SiC 半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國內在SiC材料與器件量產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入內卷和洗牌的快車(chē)道。SiC 功率器件在光、儲、充應用的國產(chǎn)替代方面已經(jīng)成功推進(jìn)了2到3年，規模持續擴大，部分企業(yè)已率先完成100%國產(chǎn)替代。國產(chǎn)車(chē)規級SiC MOSFET技術(shù)與產(chǎn)能已對標國際水平。雖然由于多種原因，SiC MOSFET在乘用車(chē)主驅?xiě)媚壳叭砸蕾?lài)進(jìn)口，但未來(lái)全面導入國產(chǎn)芯片是大勢所趨。由于競爭激烈和應用場(chǎng)景復雜，車(chē)規級 SiC MOSFET 可靠性標準逐年提高，進(jìn)一步推動(dòng)設計和制造技術(shù)進(jìn)步。激烈的競爭促使國內SiC半導體產(chǎn)品價(jià)格快速下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續擴大，主驅芯片國產(chǎn)替代已經(jīng)起步，并將逐步上量，最終主導全球供應鏈。最終，國際企業(yè)與國內企業(yè)在優(yōu)勢互補的基礎上將實(shí)現強強聯(lián)合。 |
