文｜上海汽車報(bào)

“充電5分鐘，續(xù)航里程增加200km?！边@是年內(nèi)即將上市的智己LS6“全域800V雙碳化硅平臺(tái)”給出的數(shù)據(jù)。

因碳化硅優(yōu)良的物理特性契合新能源汽車市場發(fā)展需求，碳化硅半導(dǎo)體正迅速成為新能源汽車功率器件的發(fā)展趨勢。然而，今年3月，全球碳化硅頭部采購商特斯拉卻給碳化硅投下了一枚“深水炸彈”——下一代汽車平臺(tái)將減少75%的碳化硅使用量。

特斯拉為何“舍棄”碳化硅？目前，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展到什么階段？面臨哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？近日，《上海汽車報(bào)》記者采訪了碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上的多位專家，為上述問題尋求解答。

市場規(guī)?？焖僭鲩L可期

碳化硅屬于寬禁帶半導(dǎo)體，由于原材料的特點(diǎn)，碳化硅半導(dǎo)體呈現(xiàn)出“三高一低”的特點(diǎn)，即支持高頻率、高電壓、耐高溫，以及低損耗。因此，對(duì)于整車廠來說，碳化硅半導(dǎo)體能降低功率器件的開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗，有效提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

隨著新能源汽車在全球的普及加速，功率密度標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升為碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了契機(jī)。目前，各地區(qū)制訂的電動(dòng)汽車發(fā)展路線圖中，功率密度標(biāo)準(zhǔn)逼近主流硅基器件的性能極限，碳化硅器件成為理想替代。中國市場上已有小鵬G6、長安阿維塔11、極狐阿爾法S華為HI版等車型支持高壓快充，碳化硅功率器件正是支持這些車型實(shí)現(xiàn)高壓快充的重要技術(shù)。

碳化硅對(duì)電動(dòng)汽車能源利用的增效效果明顯。據(jù)悉，在目前整車主流的400V電壓平臺(tái)主驅(qū)上，用碳化硅功率器件替代原來的硅基IGBT功率模塊，大約能使整車工況效率提升1%-1.5%，對(duì)應(yīng)續(xù)航里程提升2%-3%；在更加前沿的800V高壓平臺(tái)上，隨著電壓提升，碳化硅帶來的提升更加明顯，能使整車工況效率提升3%-4%，對(duì)應(yīng)整車?yán)m(xù)航里程提升5%-8%。除了電機(jī)控制領(lǐng)域，碳化硅在整車充電領(lǐng)域也有應(yīng)用。在OBC（車載充電器）和DC/DC（直流轉(zhuǎn)換器）兩類零部件上，都會(huì)用到由碳化硅制成的MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）。

市場普遍認(rèn)為，碳化硅有望在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展及滲透率提升的推動(dòng)下，迎來需求快速增長。根據(jù)半導(dǎo)體咨詢機(jī)構(gòu)Yole的預(yù)測，2021-2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模有望從10.90億美元增長到62.97億美元，保持年均34%的復(fù)合增速。

讓襯底“長快”“長厚”“長大”

碳化硅被特斯拉“舍棄”了嗎？在業(yè)內(nèi)人士看來，答案并非如此。特斯拉減少使用碳化硅并不是“不想用”，更多是因?yàn)樵诳焖僭鲩L的銷量以及特斯拉未來的市場目標(biāo)面前，碳化硅有限的產(chǎn)能導(dǎo)致“不夠用”。按照馬斯克“2030年特斯拉電動(dòng)汽車年產(chǎn)量2000萬輛”的構(gòu)想，如果使用量不加限制，屆時(shí)全球碳化硅產(chǎn)量可能都不夠特斯拉一家使用。換言之，特斯拉真正的痛點(diǎn)在于碳化硅價(jià)格昂貴、產(chǎn)能不足。

供給難以匹配需求，這恰是碳化硅行業(yè)現(xiàn)狀。“新能源汽車銷量上漲得非?？欤鎸?duì)有可能是千萬輛級(jí)的市場，即便單輛車使用量再少，整個(gè)市場的使用量都是不可估量的?！敝嘘P(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長侯喜鋒表示。在侯喜鋒看來，目前碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸依然在供給端，尤其是上游的襯底和外延制造，影響最大。

“碳化硅就像‘五常大米’，‘好吃’，但是‘很貴’?！焙钕蹭h表示，“在碳化硅價(jià)值鏈上，襯底大概占47%，外延大概占23%，兩者合計(jì)占了價(jià)值鏈的70%。目前，全球大約有40多款車型用到碳化硅功率器件，中國占了半數(shù)以上，下游的需求量很大。但是，好的碳化硅芯片，可以說‘一片難求’?！?/p>

碳化硅并非自然界存在的物質(zhì)，需要在人為創(chuàng)造的嚴(yán)苛環(huán)境中合成，技術(shù)門檻極高。目前，制造6英寸碳化硅襯底的晶棒需要在2300℃的長晶爐中生長大約一周時(shí)間，能長到20mm左右的厚度。而且，由于碳化硅長晶時(shí)間長、屬性硬脆的特性，碳化硅襯底的良率一直是困擾行業(yè)的問題。據(jù)報(bào)道，即使是全球行業(yè)龍頭Wolfspeed，綜合良率也只有70%。

因此，要想提升碳化硅的實(shí)際產(chǎn)量，一方面要重點(diǎn)突破良率問題，另一方面要推動(dòng)技術(shù)突破，讓襯底“長快”“長厚”“長大”。

“‘長快’，就是原先可能一周生長一爐，通過技術(shù)突破推動(dòng)效率提升，讓生長所需時(shí)間縮短?！L厚’，就是讓晶棒的厚度從原來一周20mm左右長成40-50mm，厚度翻倍了，能切出的襯底數(shù)量自然也翻倍了。‘長大’，指的是面積。比如說，現(xiàn)在市場上主流的6英寸碳化硅襯底的生產(chǎn)工藝比較成熟，8英寸襯底盡管已研發(fā)成功，但還處在驗(yàn)證階段。如果在更大的面積上，芯片的顆數(shù)更多，就能降低成本?！焙钕蹭h介紹道。

要想實(shí)現(xiàn)“長快”“長厚”“長大”的技術(shù)目標(biāo)，必須要有完善的技術(shù)鏈和供應(yīng)鏈作為保障，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新突破，通過切實(shí)的提質(zhì)增效，使碳化硅的成本下降、產(chǎn)量上升成為可能。

亟須制造產(chǎn)能保障

當(dāng)下，中國碳化硅芯片設(shè)計(jì)（Fabless）廠商快速崛起，而具備制造工藝（Foundry）能力的公司卻不多。

上海瞻芯電子是中國少有的垂直整合制造（IDM）廠商之一，兼具碳化硅MOSFET芯片設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)的優(yōu)勢。瞻芯電子認(rèn)為，工藝平臺(tái)開發(fā)的基礎(chǔ)地位更加突出，如果基礎(chǔ)不扎實(shí)，芯片設(shè)計(jì)就很難發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

“芯片設(shè)計(jì)在本質(zhì)上是晶體管的集成，但除開晶體管集成，晶體管本身的性能也至關(guān)重要?！闭靶倦娮邮袌鲣N售副總經(jīng)理曹峻表示，“晶體管就像一塊‘磚’，每塊‘磚’的質(zhì)量與多塊‘磚’的搭建都很重要。而碳化硅功率器件上因?yàn)椤按u”的種類很少，所以每一塊‘磚’的作用更加突出。工藝平臺(tái)開發(fā)主要由工藝、材料、設(shè)備三個(gè)方面決定。未來碳化硅的市場競爭進(jìn)入深水區(qū)時(shí)，工藝、材料、設(shè)備的競爭都會(huì)更加激烈，所以我們要在自己的生產(chǎn)線上搭建工藝開發(fā)平臺(tái)，推動(dòng)碳化硅功率器件的升級(jí)迭代?！?/p>

在制造環(huán)節(jié)，產(chǎn)能是最亟須解決的問題。

目前，中國生產(chǎn)的碳化硅芯片在電流密度、低功耗與可靠性等性能指標(biāo)上已基本能夠比肩國際水平，但在應(yīng)用端，考慮到大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)一致性，中國制造廠商依然與國際領(lǐng)先水平存在差距。究其原因，還是在于碳化硅芯片產(chǎn)業(yè)起步較早且國際領(lǐng)先廠商在全球供貨，襯底、材料及產(chǎn)業(yè)化的驗(yàn)證領(lǐng)先于中國廠商。

積塔半導(dǎo)體是中國車規(guī)級(jí)MOSFET器件制造領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，產(chǎn)能與技術(shù)水平均處于中國第一梯隊(duì)。積塔半導(dǎo)體認(rèn)為，目前在碳化硅代工制造領(lǐng)域，人才相當(dāng)緊缺。對(duì)于類似積塔半導(dǎo)體這樣的頭部企業(yè)而言，更加希望能依托自身的技術(shù)積累、客戶布局，以及重資產(chǎn)、強(qiáng)制造的優(yōu)勢，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?yīng)進(jìn)一步顯現(xiàn)，讓中國碳化硅功率器件產(chǎn)能“更上一層樓”。

整車廠系統(tǒng)集成助力大規(guī)模推廣

下游的整車企業(yè)是當(dāng)前碳化硅功率半導(dǎo)體的最大客戶。設(shè)計(jì)制造企業(yè)與承擔(dān)系統(tǒng)集成任務(wù)的整車廠協(xié)同合作，為碳化硅市場茁壯成長提供了土壤。

積塔半導(dǎo)體副總經(jīng)理劉建華告訴記者：“碳化硅最終的目標(biāo)是要滿足終端客戶的需求，一定是從產(chǎn)品定義開始，結(jié)合終端客戶的需求來規(guī)劃系統(tǒng)集成、器件性能、產(chǎn)品性能，因此從設(shè)計(jì)到代工制造，再到整車廠系統(tǒng)集成，各個(gè)環(huán)節(jié)一定要互相配合，甚至要敢于給上下游一些試錯(cuò)的機(jī)會(huì)?！?/p>

劉建華表示，目前碳化硅領(lǐng)域的上下游聯(lián)動(dòng)模式主要有兩種：一種是由政府牽頭，以項(xiàng)目形式串聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈；另一種則是產(chǎn)業(yè)鏈上各家企業(yè)和整車廠、零部件企業(yè)互動(dòng)。政府推動(dòng)與行業(yè)聯(lián)動(dòng)兩輪并進(jìn)，這基本上遵循了當(dāng)初車規(guī)級(jí)IGBT的產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)模式，有望推動(dòng)中國碳化硅產(chǎn)業(yè)迅速追趕國際領(lǐng)先企業(yè)。

這也與整車廠當(dāng)前的發(fā)展方向不謀而合?！拔覀兿Ｍ懿粩喟堰@種高效的技術(shù)應(yīng)用起來，支持國家的‘雙碳’戰(zhàn)略。”上汽創(chuàng)新研發(fā)總院捷能公司電驅(qū)業(yè)務(wù)部首席工程師王東萃告訴記者，“但是，目前碳化硅的成本仍然較高，制約了技術(shù)的大規(guī)模推廣?！?/p>

據(jù)悉，目前在800V高壓平臺(tái)上用碳化硅功率器件全面替代硅基IGBT，會(huì)使電驅(qū)系統(tǒng)成本增加15%-30%。同時(shí)，平臺(tái)電壓升高也會(huì)導(dǎo)致電池成本上升5%-10%，綜合下來，會(huì)使整車成本增加數(shù)千元。在目前汽車市場競爭激烈的大環(huán)境中，這樣的成本增加不容小覷。在應(yīng)用更廣的400V電壓平臺(tái)上，雖然400V電池包的成本相比800V成本友好一些，但目前400V的碳化硅應(yīng)用增效相比800V會(huì)少一些，故400V整車也面臨不小的成本壓力。

為了加快碳化硅國產(chǎn)化進(jìn)程，推動(dòng)碳化硅更快、更多地上車，包括上汽在內(nèi)的中國多家整車企業(yè)與上游企業(yè)展開了緊密的合作，以產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同促進(jìn)上下游共贏。與此同時(shí)，上汽通過產(chǎn)業(yè)金融投資也已完成了對(duì)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)布局，將包括襯底原材料企業(yè)天科合達(dá)、天岳先進(jìn)，設(shè)計(jì)/制造企業(yè)華大半導(dǎo)體、積塔半導(dǎo)體、瞻芯電子等優(yōu)質(zhì)企業(yè)融入上汽產(chǎn)業(yè)生態(tài)，形成價(jià)值共創(chuàng)共同體，共同推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上下游的業(yè)務(wù)協(xié)同和資源整合。

王東萃表示：“現(xiàn)在整車的集成度愈發(fā)提高，深度集成需要上下游更多合作。系統(tǒng)中，功率器件的空間、體積如何做到最優(yōu)？性能與電機(jī)怎么緊密地結(jié)合？產(chǎn)品可靠性如何提高？針對(duì)這些問題，我們作為整車廠，可以和上游供應(yīng)商聯(lián)合定義、聯(lián)合開發(fā)，共同把性能做到更好?！?/p>

據(jù)王東萃預(yù)計(jì)，到2026年，碳化硅產(chǎn)業(yè)的良率會(huì)提高，生產(chǎn)規(guī)模也會(huì)擴(kuò)大，屆時(shí)會(huì)帶動(dòng)整車綜合成本逐漸下降到與硅基IGBT持平，應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。