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近年來，中國新能源汽車市場發(fā)展非常迅猛。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國新能源汽車銷量達到了949.5萬輛，同比增長37.9%，市場占有率已達31.6%。預計2024年，中國新能源汽車銷量可能將達到1200-1300萬輛，市占率可能超過45%，同時將占據(jù)全球新能源汽車總銷量的約60%。
特別是隨著新能源汽車對于能源轉換效率、充電效率、續(xù)航時間等方面的要求也越來越高，也推動了對于具有高功率密度、耐高溫、耐高壓、體積更小等諸多優(yōu)勢的SiC功率硅器件需求的快速增長。
不過，在10月22日，由EEVIA主辦的第12屆中國硬科技產業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢峰會暨百家媒體論壇活動上，清純半導體(寧波)有限公司市場經(jīng)理詹旭標則表示，隨著全球SiC材料產能的快速擴張，以及中國SiC器件設計及制造技術發(fā)展快速，產能持續(xù)擴張，預計到2026年全球碳化硅市場將會出現(xiàn)嚴重的產能過剩。但是中國廠商SiC技術的持續(xù)迭代，已經(jīng)達到比肩國際一線廠商的水平，中國未來或將主導全球SiC半導體產業(yè)。
碳化硅功率器件為新能源汽車帶來兩大關鍵優(yōu)勢
碳化硅是一種由硅和碳組成的化合物半導體材料，具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導率和強電場擊穿強度等特點，是主要的第三代半導體材料。這些獨特的物理性質使得碳化硅器件在高溫度、高頻率、高電壓以及高功率應用中表現(xiàn)出比傳統(tǒng)硅器件更優(yōu)異的性能。
具體來說，碳化硅器件可以在高達600°C的溫度下穩(wěn)定工作，其電阻率幾乎保持不變(約0.03Ω·cm)，所以它不僅耐高溫，且散熱性能也非常好。而傳統(tǒng)硅器件的工作溫度上限通常在150°C左右；碳化硅寬能隙特性使其具有更低的導通和開關損耗，從而提高了能源轉換效率；碳化硅的高電子遷移率使得器件能在高頻應用中表現(xiàn)出低損耗和高速度的特點；碳化硅器件還能夠承受比硅器件更高的電壓，可靠性更高，并且有助于減小器件尺寸和系統(tǒng)成本。
在詹旭標看來，SiC功率器件給新能源汽車帶來了兩大關鍵好處：
1、提升新能源汽車的續(xù)航里程。得益于SiC?MOSFET低導通電阻、低開關損耗的特點，新能源汽車電機控制器有望實現(xiàn)70%的損耗下降，進而增加約5%行駛里程。
2、解決了新能源汽車的補能焦慮問題。目前整個新能源汽車行業(yè)都是通過提升充電的功率來解決這一部分的問題，單充電槍功率正朝著超過350KW方向演進。預計到2025年，可以體驗到15分鐘充滿80%的電能。
得益于SiC功率器件給新能源汽車帶來的諸多優(yōu)勢，SiC主驅乘用車型正逐年快速增加。根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，2023年采用SiC主驅的新款乘用車型已達45款，而在2017年，全球僅有特斯拉的一款車型有采用SiC器件。從累計數(shù)據(jù)來看，到2023年，采用SiC器件的國產車型合計已經(jīng)達到了142款，其中乘用車76款。
從整個SiC功率器件市場規(guī)模來看，根據(jù)市場研究機構的Yole Intelligence在Power SiC 2022報告中提供的數(shù)據(jù)顯示：SiC功率器件市場預計將持續(xù)增長，2021年至2027年的復合年增長率將超過30%，2027年將超過60億美元，預計汽車市場將占該市場的80%左右。相當于整個新能源汽車采用SiC功率器件的市場是完全被打開了。目前，主驅應用的主流器件還是以1200V SiC MOSFET為主。當然，400V的平臺目前也是采用750V的SiC在做一些替代。
除新能源汽車之外，充電樁市場也是對于SiC功率器件需求非常旺盛的一個市場。據(jù)統(tǒng)計，2024年整個充電樁所需的SiC功率器件市場規(guī)模已達到25億人民幣。目前我國整體的汽車充電樁保有量約在900-1000萬左右。如果按照2030年的整個規(guī)劃，整個汽車保有量要達到6000萬輛，同時車樁比達到1：1，相當于在未來4-5年我們大概還要增加5000萬個充電樁。按照目前的設計，充電模塊已經(jīng)開始用SiC，并且在DC-DC包括PFC應用，用的數(shù)量至少是8個以上，所以整個市場需求規(guī)模是非常巨大的。
國外廠商壟斷近92%的SiC功率器件市場
從目前SiC功率器件市場格局來看，目前主要是被國產廠商所壟斷。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，在2023年全球碳化硅功率器件市場，意法半導體（ST）以32.6%市占率位居第一，安森美（onsemi）則由2022年的第四名躍居第二名，市場份額為23.6%。緊隨其后的則是英飛凌（Infineon，16.5%）、Wolfspeed（11.1%）、羅姆半導體（ROHM，8%）。這前五大國外SiC功率器件供應商約占整個市場營收的91.9%。
據(jù)詹旭標透露，現(xiàn)在國內整個SiC產業(yè)鏈是比較分散的，雖然可能在襯底或者外延部分現(xiàn)在已經(jīng)形成了一些規(guī)模，但是在SiC功率器件，特別是車規(guī)級SiC功率器件這一塊，目前國產SiC MOSFET出貨銷售額基本是在幾千萬的水平，對比國外的巨頭，出貨量及銷售額差距是非常大的。
另外，從這些頭部的SiC功率器件廠商的產能規(guī)劃來看，目前他們都在持續(xù)擴大SiC的產能。比如Wolfspeed計劃投入65億美元來擴大SiC產能；羅姆計劃投資37億美元擴產；安森美計劃投資20億美元擴產；英飛凌的目前規(guī)劃的總投資也是達到了50億歐元；ST與中國三安集團合作，計劃投資約200億元人民幣擴產；博世計劃投資15億美元擴產。顯然，國外這些SiC器件巨頭擴產的投資規(guī)模都很大。
SiC即將進入產能過剩階段
相比國際巨頭的巨資擴產，中國國內SiC廠商的投入也在持續(xù)擴大。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前國產的SiC的產能規(guī)劃投資總計約1000億元人民幣。不過，目前中國SiC產能投資過于分散，頭部企業(yè)也不夠強。
從具體的國產SiC襯底規(guī)劃產能來看，根據(jù)預測，到2026年，國內整個SiC襯底的產能規(guī)劃大概是468萬片/年（折合6英寸晶圓）。如果這460萬片SiC襯底產能都能夠順利進行量產，屆時它將能滿足大概3000萬輛新能源汽車的需求。
根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國新能源汽車產量為958.7萬輛，同比增長35.8%；銷量達到了949.5萬輛，同比增長37.9%；而Rho Motion的最新調查數(shù)據(jù)顯示，2024年初至9月底，全球共賣出1150萬輛電動車，其中國市場銷量高達720萬輛，年增長率達35%，在全球當中的占比約63%。
詹旭標表示，按照目前的一些預測數(shù)據(jù)來看，樂觀預計的話，到2026年，中國新能源汽車的產量大約會增長到2800萬~2900萬。屆時國產SiC襯底的產能將可滿足大概3000萬輛新能源汽車的需求，疊加海外SiC產能大幅增長，屆時全球SiC行業(yè)將會進入內卷、產能過剩的階段。
隨著全球SiC材料的產能快速擴展，目前中國SiC器件設計跟制造也相應地得到快速的發(fā)展，并且產能也是持續(xù)在擴展。除了在主驅上的應用，目前在光伏、儲能包括充電模塊，這些市場競爭都是非常激烈的，并且由于整個市場的激烈競爭或者產能過剩導致主流器件的價格也是快速下降。
比如，在2023年9月份到2024年4月份，市場熱賣的1200V/40mΩ的SiC功率器件的平均價格，已經(jīng)從35元跌到了23元，下降幅度達到35%。并且對比硅基IGBT價格，目前大概是1.5-2倍。根據(jù)預測，如果SiC的價格達到同類硅基功率器件1.5-2倍價格區(qū)間，整個市場會發(fā)生巨大的變革，SiC的滲透率將會快速增長。
如果按照Yole數(shù)據(jù)，2024年全球功率半導體市場規(guī)模大概是500億美元，那么兩三年后，SiC功率器件的價格下降到硅基功率器件1.2倍-1.5倍，那么這500億美元會不會全部都是SiC的呢市場？畢竟SiC功率器件對比硅基功率器件擁有高頻率、高功率密度、低損耗等諸多優(yōu)勢。
“從長遠來看，只有提高SiC企業(yè)的競爭力，通過技術迭代來實現(xiàn)整個技術降本增效，這是SiC企業(yè)賴以生存的唯一途徑?！闭残駱丝偨Y說道。
國產SiC器件技術水平與國外差距迅速縮小
隨著整個新能源汽車主驅以及光伏、儲能、充電充行業(yè)的快速發(fā)展，目前整個國內SiC產業(yè)鏈也已經(jīng)日趨完善。從材料到輔材、到襯底、外延、加工設備，包括設計、代工，現(xiàn)在基本上都是非常完善的，每個細分行業(yè)，都有了非常典型的代表廠商。
在詹旭標看來，國產SiC器件技術水平跟國際的頭部企業(yè)，整個差距已經(jīng)非常小的?！拔覀€人認為，目前是沒有很大差距的。如果要說有差距，這個差距肯定是可以接受的差距?！?/p>
那目前主流SiC MOSFET技術大概是什么樣的水平呢？
詹旭標將主流的兩種設計方案大致做了一個分類：
第一類，是平面柵極結構的器件，代表廠商有Wolfspeed、ST、onsemi。平面柵極結構的MOSFET目前也是在國內或者在汽車領域包括光伏儲能，它的出貨量是最大的，并且它的可靠性目前也是最好的，而且工藝是非常成熟的。
第二類是溝槽柵極，主要以羅姆、英飛凌、博世等廠商為代表。溝槽柵極跟平面柵極各有優(yōu)缺點，平面柵整個工藝成熟，它在高溫下導通電阻是相對比較低的；而溝槽柵極會有比較低的Rsp，即比導通電阻比較低，但它在高溫下的熱性能沒有平面柵結構的參數(shù)這么好。
從近十年來國際主流SiC廠家的技術迭代路線來看，相當于每過3-6年的區(qū)間，國際廠商會迭代一次，并且每次迭代大概下降20%-25%的Rsp水平。主流的SiC尤其是國外的技術水平，比如1200V SiC的Rsp大概能達到2.3~2.8mΩ。目前國內1200V SiC MOSFET Rsp可能在2.8~3.3?mΩ，差距正在快速縮小。
詹旭標還以清純半導體為例，與ST、羅姆等頭部的SiC功率器件廠商進行了對比。
目前清純半導體基本上是以1年1代新產品的節(jié)奏快速迭代。從其第一代SiC MOSFET產品Rsp是在3.3mΩ?cm2左右，到2023年發(fā)布的第二代產品已經(jīng)達到了2.8mΩ?cm2。相比之下，2022年ST 1200V的MOSFET Rsp也是2.8mΩ?cm2。今年清純半導體將會發(fā)布第三產品，整個Rsp可以做到2.4mΩ?cm2，將跟國際巨頭目前的最新的產品做到幾乎打平。
此外，清純半導體針對主驅領域有推出比較多的產品，比如有24平方毫米、25平方毫米、27平方毫米、30平方毫米尺寸的產品，但主流的包括國外廠家針對主驅的芯片也是比較少的。
“當時我們是秉著一個比較卷的態(tài)度，跟行業(yè)去做對標。我們1200V產品系列的核心參數(shù)，完全對標國際一流水平，并且在某些參數(shù)上或在可靠性方面可能會比他們更好?！闭残駱诉M一步解釋道：“我們去年還發(fā)布了全球最低導通電阻SiC MOSFET，大概是3.5mΩ，整個尺寸是10×10平方毫米的面積。雖然它的應用是比較少，但是它的存在是非常有意義。它相當于可以指導我們的下一代產品，因為我們可以對它做了一個非常詳細的良率分析，在不同的材料、不同的工藝，我們可以很清楚包括很準確地了解針對每一個器件的良率?！?/p>
詹旭標還以國際頭部企業(yè)目前在新能源汽車里面用得最多、最成熟的器件與清純半導體的產品在相同的驅動、相同的參數(shù)、相同的板子上做一個詳細的做了1：1的對比。結果顯示，清純半導體的產品串擾抑制能力（串擾可能導致直通現(xiàn)象，或者會增加整個損耗）已經(jīng)領先國際一流水平。
詹旭標指出：“在相同的dv/dt條件下，我們整個參數(shù)包括動態(tài)參數(shù)表現(xiàn)也更優(yōu)。這也是允許我們可以在同樣的參數(shù)下，降低開關損耗。對比競品，我們大概能降低35%-40%的開關損耗，同時提升產品的效率?！?/p>
另外，對于SiC功率器件來說，主要應用于工業(yè)級和車規(guī)級市場，因此客戶對于產品可靠性的要求非常高。目前行業(yè)都是已經(jīng)按照車規(guī)等級的標準做了一些更加嚴格的測試，尤其是在主驅方面的應用。
對此，清純半導體也對其產品做了非常全面且嚴苛的可靠性測試，實現(xiàn)了新能源汽車級工業(yè)應用400萬顆MOSFET零失效的出色成績。
小結：
隨著SiC市場競爭越來越激烈，以及產能即將進入過剩的階段，國產廠商要想勝出就必須想辦法降低成本和提高產品的性能。
對于材料來說，一方面可以向更大尺寸的SiC材料發(fā)展，比如目前主要6英寸的SiC襯底，但頭部的廠商已經(jīng)進入了8英寸，尺寸越大，可以制造的器件就越多，可以攤薄成本。另一方面就是提升良率，降低SiC襯底的缺陷率。此外還可以向外延制備方向發(fā)展。
對于器件來說，主要就是往比導通電阻越來越低的水平去設計，同時在可靠性或者魯棒性方面向硅基IGBT的水準對齊。針對工藝方面，溝道遷移率的問題可以進行更多的研究。
從市場端來看，目前國內在SiC材料、器件量產已開始進入內卷和洗牌快車道。
SiC功率器件在光儲充的國產替代已經(jīng)大批量應用，成功推進2-3年，規(guī)模持續(xù)擴大，部分企業(yè)已率先完成100%國產替代。
雖然國產車規(guī)級SiC MOSFET技術與產能已對標國際水平，但由于各種原因，SiC MOSFET在乘用車主驅應用目前仍依賴進口，但預計未來2~3年后局面肯定會有大幅改善。不過，由于競爭激烈和應用場景復雜，車規(guī)級SiC MOSFET可靠性標準逐年提高，這也將進一步推動設計和制造技術進步。因此，在這塊國產需要持續(xù)跟上。
此外，激烈的市場競爭將促使國內SiC半導體產品價格快速下降、質量不斷提高、產能持續(xù)擴大，主驅芯片國產替代已經(jīng)起步，并將逐步上量，最終有望主導全球供應鏈。
“在完成SiC半導體技術創(chuàng)新及市場教育后，國際競爭焦點逐步從技術研發(fā)轉移到大規(guī)模量產。依托巨大的應用市場和高效產能提升，中國在不久的將來有可能主導全球SiC半導體產業(yè)?！闭残駱丝偨Y說道。
編輯：芯智訊-浪客劍
