碳化硅产能跟不上汽车的“新四化”, 电动汽车成行业新爆点_pcimasia碳化硅技术展

随着汽车“新四化”(电动化、智能化、网联化、共享化)的加速推进，汽车芯片已成为半导体市场的核心增长动力之一，而性能卓越的碳化硅更是其中的耀眼明星。各大芯片企业纷纷加大对碳化硅的扩产和收购力度，而汽车厂商为了避免再次遭遇芯片短缺的困境，也开始积极与芯片厂商签订长期供应协议，碳化硅的快速发展之路正式开启。

新能源汽车推动碳化硅大规模商用

近年来，我国新能源汽车市场发展迅猛，市场占有率已突破28%。据相关机构预测，到2030年，全球新能源汽车的销量将占当年新车总销量的近50%。随着新能源汽车市场的持续扩大，碳化硅功率器件在新能源汽车的关键电力系统中得到了广泛应用，包括牵引逆变器、DC/DC转换器和车载充电器等。IEEE国际宽禁带半导体技术路线图委员会主席Victor Veliadis认为，电动汽车和混合动力汽车有望成为推动碳化硅大规模商用的“杀手级”应用。

“碳化硅具有比硅更宽的带隙，允许更高的电压阻断，适用于高功率和高电压应用。这可以使DC/DC转换器、车载充电器变得更高效，在降低成本的同时，让电动汽车充电更快、续航更远。这使其极具竞争力。”Victor Veliadis解释说。

“汽车里面的空间较小，所以提高功率密度是未来的发展趋势。碳化硅器件相较于硅，不仅可以使功率半导体的封装方案做得更精巧，还可以使与功率器件配套的无源器件和散热器都做得更小。”泰科天润半导体科技(北京)有限公司营销副总经理秋琪告诉记者。

碳化硅助力新能源汽车性能提升

凭借在缩小体积和提升效率方面的卓越表现，碳化硅在新能源汽车领域的应用日益广泛。其应用主要集中在两个方面：一是车载充电器(OBC)和DC-DC电源领域。传统硅技术的系统功率密度通常小于2kW/L，而采用碳化硅技术的OBC系统，功率密度可提升至大于3kW/L，效率也从过去的95%提升至超过97%，从而帮助消费者节省能源。二是主驱逆变器领域。据安森美相关负责人介绍，碳化硅在主驱逆变器中的应用可显著提升系统效率，进而使相同电池容量下的汽车里程数增加。市场反馈显示，应用碳化硅的主驱逆变器效率至少提升了2%，整车系统效率提升可能更多。目前，众多新能源汽车厂商都在推出或计划推出搭载碳化硅主驱逆变器的车型。

800V高压系统成趋势，碳化硅市场前景广阔

随着快充需求的增加，800V高压系统逐渐受到市场关注。预计未来一到两年，采用800V系统的新能源汽车将越来越多。碳化硅在高压环境下低阻抗等优良特性使其在该领域更具优势，市场占有率有望进一步提升。

企业积极布局，增强产业链稳定性

面对新能源汽车市场对碳化硅器件需求的不断增长，企业纷纷采取措施稳固供应链。例如，Wolfspeed出售射频业务以筹集资金扩产碳化硅业务;瑞萨电子与Wolfspeed签署10年碳化硅晶圆供应协议;意法半导体与三安光电成立合资企业，大规模生产200mm碳化硅器件，并计划在意大利和新加坡投资，目标是到2030年实现碳化硅年收入超50亿美元;罗姆收购Solar Frontier的原国富工厂，将其打造成碳化硅功率半导体主要生产基地，预计到2030财年，其碳化硅产能将提升至2021财年的35倍。

市场快速发展背后的挑战

当前，中高端新能源汽车器件正逐渐向碳化硅靠拢，尤其在800V系统中表现明显，这推动了碳化硅市场的快速发展。然而，市场发展过快也带来了供应紧缺或产能过剩的风险，近两年碳化硅产品短缺问题已逐渐显现。碳化硅行业作为技术密集型行业，晶圆产线的建立需要大量资金和时间，同时面临关键生产设备购买困难、制造工艺复杂、专业人员稀缺等问题，准入门槛较高。此外，车规级碳化硅功率器件对性能和可靠性要求极高，目前只有少数企业能够生产，这也加剧了供应紧缺的局面。

企业应对措施

为应对上述挑战，安森美积极完善碳化硅供应链，收购了GT Advanced Technologies(GTAT)以获得高质量衬底生产能力和研发能力，还对其捷克工厂的外延厂进行扩建，保障外延生产能力，并在韩国晶圆厂扩建以提升FAB能力。国产碳化硅企业泰科天润坚持IDM模式，依靠自有晶圆产线积累制造和工艺经验，掌握核心技术。其于2022年底开始布局8英寸碳化硅产线，预计2025年达到10万片/年的产能。同时，泰科天润积极与比亚迪、五菱mini、广汽、玛莎拉蒂、吉利、北汽、东风等车企合作，深入了解市场需求。

“近期，为保障碳化硅的供应链安全，各大碳化硅企业都在积极布局，加固与上下游企业的联系。”杨俊刚告诉《中国电子报》记者，“而且，新能源汽车和碳化硅器件都属于新兴市场，二者如果联合攻关相关技术，有望研发出更贴合市场的新产品。”

碳化硅大规模上车仍需降本增效

尽管碳化硅在汽车领域的应用速度迅猛，但要真正实现大规模替代传统硅基器件，降低成本仍是关键。目前，碳化硅功率器件的成本远高于硅基器件。

秋琪表示，降低碳化硅芯片成本主要有三大方向：首先，提高晶圆尺寸。在流片成本相差不大的情况下，晶圆尺寸越大，单个晶圆片能够产出的可用芯片数量越多，从而降低单个芯片的成本。其次，通过剪薄工艺或沟槽设计减少芯片面积，进一步优化成本。最后，通过工艺优化提升良率，减少生产过程中的损耗，提高整体生产效率。

起初，绝大部分碳化硅厂商可以生产4英寸大小的晶圆，随着衬底和外延技术的发展，大尺寸晶圆成为了可能。当前，有许多碳化硅厂商表示自身产线将会从6英寸拓展至8英寸。尺寸大小和功率器件之间最直接的关系表现在DPW(单张晶圆上的芯片数)上。安森美现场应用工程师、中国区汽车主驱碳化硅技术支持专家牛嘉浩为记者打了一个比方：“以32mm²的碳化硅器件为例，6英寸晶圆大概能产出450颗器件，8英寸晶圆大概能产出850颗器件，晶圆边缘芯片的比例也会有大幅度降低。”

但是，并非简单扩大晶圆尺寸就可以提升效率。如果技术发展不成熟，那么“大晶圆”的优势就有可能变成劣势。“我们不仅关注DPW，更多要看GDPW(有效芯片数量)，GDPW/DPW才是真实的良品率。想实现用8英寸的晶圆生产芯片，就需要有高质量的衬底、高质量的外延还有高质量的器件加工工艺，这三高缺一不可。”陆涛说。

牛嘉浩告诉记者：“目前市场上暂未实现8英寸碳化硅晶圆产品的量产。将碳化硅晶圆尺寸从6英寸升级到8英寸还存在很多技术限制。由于衬底在碳化硅器件成本中占有相当比例，主流厂商在这方面不断努力，通过增大尺寸、提升质量，从而在单个衬底上获得更多的器件，最终降低成本。”

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