文｜上海汽車報
“充電5分鐘，續航里程增加200km。”這是年內即將上市的智己LS6“全域800V雙碳化硅平臺”給出的數據。
因碳化硅優良的物理特性契合新能源汽車市場發展需求，碳化硅半導體正迅速成為新能源汽車功率器件的發展趨勢。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，國內碳化硅產業發展到什么階段？面臨哪些機遇和挑戰？近日，《上海汽車報》記者采訪了碳化硅產業鏈上的多位專家，為上述問題尋求解答。
市場規模快速增長可期
碳化硅屬于寬禁帶半導體，由于原材料的特點，碳化硅半導體呈現出“三高一低”的特點，即支持高頻率、高電壓、耐高溫，以及低損耗。因此，對于整車廠來說，碳化硅半導體能降低功率器件的開關損耗與導通損耗，有效提升電動汽車的續航里程。
隨著新能源汽車在全球的普及加速，功率密度標準持續提升為碳化硅產業發展提供了契機。目前，各地區制訂的電動汽車發展路線圖中，功率密度標準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現高壓快充的重要技術。
碳化硅對電動汽車能源利用的增效效果明顯。據悉，在目前整車主流的400V電壓平臺主驅上，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%，對應續航里程提升2%-3%；在更加前沿的800V高壓平臺上，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%，對應整車續航里程提升5%-8%。除了電機控制領域，碳化硅在整車充電領域也有應用。在OBC（車載充電器）和DC/DC（直流轉換器）兩類零部件上，都會用到由碳化硅制成的MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管）。
市場普遍認為，碳化硅有望在電動汽車產業加速發展及滲透率提升的推動下，迎來需求快速增長。根據半導體咨詢機構Yole的預測，2021-2027年全球碳化硅功率器件市場規模有望從10.90億美元增長到62.97億美元，保持年均34%的復合增速。
讓襯底“長快”“長厚”“長大”
碳化硅被特斯拉“舍棄”了嗎？在業內人士看來，答案并非如此。特斯拉減少使用碳化硅并不是“不想用”，更多是因為在快速增長的銷量以及特斯拉未來的市場目標面前，碳化硅有限的產能導致“不夠用”。按照馬斯克“2030年特斯拉電動汽車年產量2000萬輛”的構想，如果使用量不加限制，屆時全球碳化硅產量可能都不夠特斯拉一家使用。換言之，特斯拉真正的痛點在于碳化硅價格昂貴、產能不足。
供給難以匹配需求，這恰是碳化硅行業現狀。“新能源汽車銷量上漲得非常快，面對有可能是千萬輛級的市場，即便單輛車使用量再少，整個市場的使用量都是不可估量的。”中關村天合寬禁帶半導體技術創新聯盟副秘書長侯喜鋒表示。在侯喜鋒看來，目前碳化硅產業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’。”侯喜鋒表示，“在碳化硅價值鏈上，襯底大概占47%，外延大概占23%，兩者合計占了價值鏈的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’。”
碳化硅并非自然界存在的物質，需要在人為創造的嚴苛環境中合成，技術門檻極高。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間，能長到20mm左右的厚度。而且，由于碳化硅長晶時間長、屬性硬脆的特性，碳化硅襯底的良率一直是困擾行業的問題。據報道，即使是全球行業龍頭Wolfspeed，綜合良率也只有70%。
因此，要想提升碳化硅的實際產量，一方面要重點突破良率問題，另一方面要推動技術突破，讓襯底“長快”“長厚”“長大”。
“‘長快’，就是原先可能一周生長一爐，通過技術突破推動效率提升，讓生長所需時間縮短。‘長厚’，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，能切出的襯底數量自然也翻倍了。‘長大’，指的是面積。比如說，現在市場上主流的6英寸碳化硅襯底的生產工藝比較成熟，8英寸襯底盡管已研發成功，但還處在驗證階段。如果在更大的面積上，芯片的顆數更多，就能降低成本。”侯喜鋒介紹道。
要想實現“長快”“長厚”“長大”的技術目標，必須要有完善的技術鏈和供應鏈作為保障，推動技術創新突破，通過切實的提質增效，使碳化硅的成本下降、產量上升成為可能。
亟須制造產能保障
當下，中國碳化硅芯片設計（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芯片設計與工藝開發的優勢。瞻芯電子認為，工藝平臺開發的基礎地位更加突出，如果基礎不扎實，芯片設計就很難發揮出應有的作用。
“芯片設計在本質上是晶體管的集成，但除開晶體管集成，晶體管本身的性能也至關重要。”瞻芯電子市場銷售副總經理曹峻表示，“晶體管就像一塊‘磚’，每塊‘磚’的質量與多塊‘磚’的搭建都很重要。而碳化硅功率器件上因為“磚”的種類很少，所以每一塊‘磚’的作用更加突出。工藝平臺開發主要由工藝、材料、設備三個方面決定。未來碳化硅的市場競爭進入深水區時，工藝、材料、設備的競爭都會更加激烈，所以我們要在自己的生產線上搭建工藝開發平臺，推動碳化硅功率器件的升級迭代。”
在制造環節，產能是最亟須解決的問題。
目前，中國生產的碳化硅芯片在電流密度、低功耗與可靠性等性能指標上已基本能夠比肩國際水平，但在應用端，考慮到大批量生產的生產一致性，中國制造廠商依然與國際領先水平存在差距。究其原因，還是在于碳化硅芯片產業起步較早且國際領先廠商在全球供貨，襯底、材料及產業化的驗證領先于中國廠商。
積塔半導體是中國車規級MOSFET器件制造領域的龍頭企業，產能與技術水平均處于中國第一梯隊。積塔半導體認為，目前在碳化硅代工制造領域，人才相當緊缺。對于類似積塔半導體這樣的頭部企業而言，更加希望能依托自身的技術積累、客戶布局，以及重資產、強制造的優勢，推動產業規模化效應進一步顯現，讓中國碳化硅功率器件產能“更上一層樓”。
整車廠系統集成助力大規模推廣
下游的整車企業是當前碳化硅功率半導體的最大客戶。設計制造企業與承擔系統集成任務的整車廠協同合作，為碳化硅市場茁壯成長提供了土壤。
積塔半導體副總經理劉建華告訴記者：“碳化硅最終的目標是要滿足終端客戶的需求，一定是從產品定義開始，結合終端客戶的需求來規劃系統集成、器件性能、產品性能，因此從設計到代工制造，再到整車廠系統集成，各個環節一定要互相配合，甚至要敢于給上下游一些試錯的機會。”
劉建華表示，目前碳化硅領域的上下游聯動模式主要有兩種：一種是由政府牽頭，以項目形式串聯產業鏈；另一種則是產業鏈上各家企業和整車廠、零部件企業互動。政府推動與行業聯動兩輪并進，這基本上遵循了當初車規級IGBT的產業聯動模式，有望推動中國碳化硅產業迅速追趕國際領先企業。
這也與整車廠當前的發展方向不謀而合。“我們希望能不斷把這種高效的技術應用起來，支持國家的‘雙碳’戰略。”上汽創新研發總院捷能公司電驅業務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，制約了技術的大規模推廣。”
據悉，目前在800V高壓平臺上用碳化硅功率器件全面替代硅基IGBT，會使電驅系統成本增加15%-30%。同時，平臺電壓升高也會導致電池成本上升5%-10%，綜合下來，會使整車成本增加數千元。在目前汽車市場競爭激烈的大環境中，這樣的成本增加不容小覷。在應用更廣的400V電壓平臺上，雖然400V電池包的成本相比800V成本友好一些，但目前400V的碳化硅應用增效相比800V會少一些，故400V整車也面臨不小的成本壓力。
為了加快碳化硅國產化進程，推動碳化硅更快、更多地上車，包括上汽在內的中國多家整車企業與上游企業展開了緊密的合作，以產業鏈協同促進上下游共贏。與此同時，上汽通過產業金融投資也已完成了對碳化硅半導體產業鏈的相關布局，將包括襯底原材料企業天科合達、天岳先進，設計/制造企業華大半導體、積塔半導體、瞻芯電子等優質企業融入上汽產業生態，形成價值共創共同體，共同推動碳化硅產業鏈上下游的業務協同和資源整合。
王東萃表示：“現在整車的集成度愈發提高，深度集成需要上下游更多合作。系統中，功率器件的空間、體積如何做到最優？性能與電機怎么緊密地結合？產品可靠性如何提高？針對這些問題，我們作為整車廠，可以和上游供應商聯合定義、聯合開發，共同把性能做到更好。”
據王東萃預計，到2026年，碳化硅產業的良率會提高，生產規模也會擴大，屆時會帶動整車綜合成本逐漸下降到與硅基IGBT持平，應用前景相當廣闊。