電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)催生碳化硅新前景

第三代半導體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體材料。與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)、熱導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體材料制備的半導體器件適用于高電壓、高頻率場(chǎng)景，并且能夠以較少的電能消耗獲得更高的運行能力。因此，第三代半導體材料在5G基站、新能源車(chē)、光伏、風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域具有廣泛的應用潛力。

其中，碳化硅作為第三代半導體材料的典型代表，在汽車(chē)電子領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，碳化硅功率器件主要用于驅動(dòng)和控制電機、逆變器、車(chē)載DC/DC轉換器、車(chē)載充電器（OBC）等。碳化硅功率器件能夠顯著(zhù)提高電能利用率，使新能源汽車(chē)的系統效率更高、重量更輕及結構更加緊密，有助于節省成本以及提升續航里程。

此外，碳化硅在汽車(chē)充電設施中也有應用。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷擴大，充電設施的需求也在增加。碳化硅充電樁能夠提供更高的充電效率，縮短充電時(shí)間，提高用戶(hù)體驗。

碳化硅的生長(cháng)

碳化硅是一種無(wú)機物，化學(xué)式為SiC，是通過(guò)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(guò)粉磨等工序調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(guò)程中，爐料達到一定溫度時(shí)會(huì )合成碳化硅，但碳化硅主要是在≥1800℃時(shí)形成。每組電爐配備一組變壓器，生產(chǎn)時(shí)只對單一電爐供電，以便根據電負荷特性調節電壓來(lái)基本上保持恒功率。

碳化硅按照電阻性能的不同分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件：

（1）導電型碳化硅功率器件

功率器件又被稱(chēng)為電力電子器件，是構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”功率可大到數百MW甚至GW，也可以小到數W甚至1W以下。電力電子裝置正是實(shí)現電能高質(zhì)量高效轉換、多能源協(xié)調優(yōu)化、弱電與強電之間控制運行、交流與直流之間能量互換、自動(dòng)化高效控制等的重要手段，也是實(shí)現節能環(huán)保、提高電能利用效率的重要保障。

導電型碳化硅功率器件主要是通過(guò)在導電型襯底上生長(cháng)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（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）等，主要用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、數據中心、充電等基礎建設。目前碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應用。

（2）半絕緣型碳化硅基射頻器件

射頻器件在無(wú)線(xiàn)通訊中扮演信號轉換的角色，是無(wú)線(xiàn)通信設備的基礎性零部件，主要包括功率放大器、濾波器、開(kāi)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(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(cháng)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(chē)載通信、國防應用、數據傳輸、航空航天。

碳化硅的優(yōu)勢

碳化硅（SiC）材料在汽車(chē)電子領(lǐng)域與普通硅材料相比具有以下優(yōu)勢：

高溫穩定性：碳化硅的禁帶寬度大于硅，使得其能夠在高溫環(huán)境下保持穩定的性能。這對于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制單元、變速器控制單元等高溫應用來(lái)說(shuō)非常重要。

高效能量轉換：碳化硅的導通電阻很低，可以有效降低能量損失。在電動(dòng)汽車(chē)的電機控制器、車(chē)載充電器等應用中，使用碳化硅可以顯著(zhù)提高能量轉換效率，從而增加電動(dòng)汽車(chē)的續航里程。

快速開(kāi)關(guān)響應：碳化硅的電子遷移率比硅高，可以更快地傳遞信號。在需要快速響應的應用中，如汽車(chē)牽引逆變器、車(chē)載DC/DC轉換器等，碳化硅可以提高系統的響應速度和穩定性。

抗輻射能力強：碳化硅的抗輻射能力強于硅，適用于核能、航天等需要抗輻射的領(lǐng)域。在汽車(chē)電子領(lǐng)域，這可以提高器件的可靠性和穩定性。

降低系統成本：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)扇等散熱組件的數量和尺寸，從而降低整個(gè)系統的成本。

體積?。禾蓟韫β势骷梢詫?shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率和更小的導通電阻，從而減小了電路中所需的電感和電容的尺寸，使得整個(gè)電路體積更小，有利于實(shí)現汽車(chē)電子的集成化和緊湊化。

耐壓耐熱：碳化硅材料的擊穿場(chǎng)強和熱導率較高，可以在高溫和高電壓環(huán)境下工作，增強了汽車(chē)電子系統的適應性和可靠性。

可靠性高：碳化硅材料具有更強的抗輻射能力和更低的熱膨脹系數，使得其在實(shí)際應用中具有更高的可靠性和穩定性。

降低能耗：碳化硅材料具有高熱導率和低介電常數，可以顯著(zhù)降低能耗，提高能源利用效率，符合汽車(chē)節能減排的需求。

降低EMI（電磁干擾）：碳化硅材料的開(kāi)關(guān)速度快，可以降低EMI對汽車(chē)電子系統的影響，提高系統的電磁兼容性。

碳化硅的市場(chǎng)

在汽車(chē)電子領(lǐng)域，已經(jīng)應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驅動(dòng)系統、充電系統、電池管理系統和輔助電源系統等領(lǐng)域。然而，碳化硅功率器件的應用仍面臨成本、可靠性、標準化、供應鏈和技術(shù)門(mén)檻等挑戰。隨著(zhù)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(chē)電子領(lǐng)域得到更廣泛的應用。

目前，碳化硅器件市場(chǎng)的價(jià)值約為20億美元，預計到2030年將達到110億至140億美元，年均復合增長(cháng)率約為26%。由于碳化硅對逆變器的高適用性，預計70%的碳化硅需求將來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)。中國是預計電動(dòng)汽車(chē)需求量最大的國家，預計將占電動(dòng)汽車(chē)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)能規模上占據了主導地位。據數據，市場(chǎng)主導權主要由海外巨頭如意法半導體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機和安森美等公司掌握。從2021年的市場(chǎng)分析來(lái)看，意法半導體是最大的碳化硅器件供應商，特別是為特斯拉供應車(chē)載碳化硅器件。它在市場(chǎng)上的占有率達到了41%，而緊隨其后的是英飛凌，占有率為23%。全球前六大廠(chǎng)商占據了超過(guò)95%的市場(chǎng)份額。

2022年，這五家企業(yè)的碳化硅器件營(yíng)收全部超過(guò)1億美元，意法半導體居首，營(yíng)收達到7億美元。安森美以2.6億美元營(yíng)收超過(guò)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。根據不同數據來(lái)源，2022年五家企業(yè)市占率分別為意法半導體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)濟疲軟，但碳化硅市場(chǎng)依然備受關(guān)注。安森美計劃在2027年實(shí)現35-40%的市占率，并投入20億美元升級和擴建生產(chǎn)線(xiàn)。

碳化硅的供應

據麥肯錫調查報告顯示，預計到2030年，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將以20%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。屆時(shí)xEV的銷(xiāo)量預計將達到6400萬(wàn)輛，是2022年電動(dòng)汽車(chē)預計銷(xiāo)量的四倍。為確保電動(dòng)汽車(chē)零部件供應足以滿(mǎn)足這一快速增長(cháng)的需求至關(guān)重要，碳化硅的供應是重點(diǎn)關(guān)注對象。

為了爭奪碳化硅器件市場(chǎng)，一些領(lǐng)先的制造商已經(jīng)通過(guò)并購和合作向縱向一體化發(fā)展，特別是半導體設備制造商已經(jīng)增加了晶圓材料制造的上游能力。其中就包括意法半導體收購 Norstel、Onsmi收購 GT Advanced Technologies (GTAT)，以及羅姆半導體收購 SiCrystal。

根據CASA Research的報告，為了加強競爭優(yōu)勢，各大公司正在持續擴大襯底的產(chǎn)能。根據各公司的官方公告，Wolfspeed已投資近10億美元用于擴產(chǎn)，預計在2017年至2024年間，其整體產(chǎn)能將擴大30倍。羅姆也計劃在2017年至2024年間將其產(chǎn)能擴充16倍。而II-VI則計劃在5年內將其產(chǎn)能擴充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(chǎng)格局，各家產(chǎn)品的側重點(diǎn)有所不同。例如，意法半導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計和制造方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，以提高其產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比和生產(chǎn)效率。

目前選擇平面MOSFET結構廠(chǎng)商有Wolfspeed、意法半導體、Microsemi，能夠量產(chǎn)溝槽型SiC MOSFET的企業(yè)為羅姆的雙溝槽節、英飛凌的半包溝槽和日本住友的接地雙掩埋結構。對于溝槽型碳化硅器件來(lái)說(shuō)，未來(lái)的技術(shù)演進(jìn)方向是減小溝槽底部氧化層工作電場(chǎng)強度，避免專(zhuān)利侵權（英飛凌、ST、羅姆均有相關(guān)專(zhuān)利）和可控的制造成本。

據分析，預計將從生產(chǎn)和使用6英寸晶圓過(guò)渡到8英寸晶圓，大約在2024 年或2025年開(kāi)始采用8英寸材料，到2030年達到50%的市場(chǎng)滲透率。一旦克服了技術(shù)挑戰，8英寸晶圓將為制造商帶來(lái)毛利率收益，包括減少邊緣損失、提高自動(dòng)化水平以及利用硅生產(chǎn)折舊資產(chǎn)的能力。這一過(guò)渡的毛利率收益約為五到十個(gè)百分點(diǎn)，具體取決于垂直整合的水平。預計美國將于 2024 年和 2025 年開(kāi)始批量生產(chǎn)八英寸晶片，屆時(shí)行業(yè)領(lǐng)先的制造商將進(jìn)一步參與碳化硅價(jià)值鏈，為電動(dòng)汽車(chē)OEM提供更先進(jìn)的服務(wù)。