SiC迎来“上车”时刻？
来源：半导体行业观察

       SiC成为汽车领域冉冉升起的新星，正在引发车企及技术供应商的重视和布局。

      近日，鸿海集团近6亿元收购6英寸SiC晶圆厂的消息，沸沸扬扬。鸿海方面透露，该工厂用来开发与生产第三代半导体，特别是电动车使用的SiC功率器件，计划2024年产能达到18万片。

      8月11日，比亚迪半导体发文介绍称，比亚迪汉的第100000辆新车前不久在深圳比亚迪全球总部重磅下线，其电机控制器首次使用了比亚迪自主研发制造的高性能碳化硅功率模块，这也是全球首家、国内唯一实现在电机驱动控制器中大批量装车的SiC三相全桥模块。

图源：比亚迪半导体

        此外，吉利最近也宣布纯电平台采用罗姆SiC技术，开发高效电控系统和车载充电系统。同时，其子公司与SiC企业芯聚能半导体等合资成立了广东芯粤能半导体有限公司，布局SiC国产化。另一边，零跑汽车也宣布2023年量产800V SiC电控产品。

       车企和产业链企业围绕SiC纷纷展开布局。

       追溯SiC产品在汽车上的应用由来，早在2014年，丰田就推出了SiC MOSFET，但受限于高昂的成本和技术的不成熟，技术一直都发展较缓。直到2018年，特斯拉率先在Model 3搭载了基于全SiC MOSFET模块的逆变器，降低传导与开关损耗。随后，奥迪、大众、蔚来等车企也在加速SiC MOSFET的落地，相继迎来量产。

 特斯拉Model 3搭载基于全SiC MOSFET模块的逆变器（图源：腾讯）

       据不完全统计，目前国内已经有十几家车企已经采用或明确表示要采用SiC，随着新能源汽车市场的快速发展，未来2年SiC车载需求有望得到迅速提升。Yole预测，2023年起，SiC功率半导体全年产值年增幅将超过4成，2025年SiC功率半导体产值更可达32亿美元。其中，SiC在电动汽车领域的应用将以38%的年复合率增长，到2025年将超过15亿美元。

2019-2025年全球SiC市场规模分析预测（图源：智博睿投资咨询）

       汽车领域进入SiC放量元年？

       如此短的时间内，是什么原因导致SiC被追捧？SiC在汽车领域又呈现怎样的发展格局？

       如今，随着新能源汽车高速发展，此前采用较多的硅（Si）基材料基本已逼近其物理极限，如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。为此，需要新的材料来替代。

       作为第三代半导体材料的典型代表，SiC具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率及更高的抗辐射能力，是高温、高频、高压、大功率以及耐辐射应用场合下极为理想的半导体材料。此外，由于SiC功率器件可显著降低电子设备的能耗，可使新能源汽车的系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密，有助于节省成本以及续航里程的提升。

       目前，电动车中的主驱逆变器仍以硅基MOSFET和硅基IGBT为主，但考虑到未来电动车需要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量，在车用半导体中，SiC将会是未来趋势，在汽车上的主要应用包括电驱、逆变器、DC/DC（直流转换器）、OBC（车载充电器）、电控以及电动汽车充电基础设施等部分。

       电驱动集成系统将加速SiC器件在电动汽车中的量产落地，电驱动作为核心的动力系统，直接影响到整车的能源效率、续航里程等。在当前集成化趋势下，电机+减速器+逆变器集成的“三合一”电驱动模块将成为市场主流，通过集成化设计，一方面可以简化主机厂的装配，提高产品合格率；另一方面可以大规模缩减供应商数量，可以达到轻量化、节约成本的目的。

       从市场进展来看，Tier1厂商博世、博格华纳、大陆、法雷奥等都纷纷推出了电驱动模块，且部分已经量产落地，凭借自身在机械制造领域的深厚经验，在电机、减速器领域的优势较为明显。

        其中，逆变器作为电动汽车的另一大主要部件，为了满足市场对于高效驱动模块的需求，供应商都在通过兼并收购或战略合作等方式迅速补足逆变器尤其是高压逆变器技术这一块的拼图。出于成本因素考虑，当前基于SiC材料的逆变器首先配置于高端电动车，特斯拉是SiC器件应用的先行者，其Model 3车型的驱动电机部分搭载了24个650V/100A的SiC MOSFET模块，车身比Model S减轻了20%。

特斯拉Model 3搭载了24个650V/100A的SiC MOSFET模块（图源：腾讯）

       此外，车载充电器和充电桩使用SiC器件后将充分发挥高频、高温和高压三方面的优势，有助于提高汽车充电速度，实现充电系统小型化和高可靠性。

       以充电桩为例，为了缓解消费者对电动汽车续驶里程的焦虑，各国都在建设公共充电桩，加速电动汽车的发展，充电桩将成为带动SiC应用实现突破的另一推动因素。随着电动汽车保有量的上升，提升充电效率缩短充电时间是用户的关注核心，直流充电桩技术正发展迅猛。同时，充电桩电压随电动汽车电池组电压的增加而发生需求变化。电池电压从400V增加到800V，充电桩电压也要从500V增加到1000V，这也导致充电桩需要采用电压1200V的功率部件。

       然而，当电压大于900V要实现更大功率时，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出其短板，其在转换效率，开关频率，工作温度等多方面都将受限。SiC器件凭借材料特性优势，能够弥补传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷，能提供比硅基IGBT尺寸更紧凑的解决方案，更高的效率和频率，更好的满足高功率充电桩的需求，进而降低充电成本。

图源：罗姆，国元证券研究中心

        Yole预测，充电桩市场规模在2019-2025年间的CAGR预期将高达90%，至2025年可增长至2.25亿美元。SiC有望在新的市场潜力下实现突破。

       综合来看，智能汽车在智能化、电气化趋势下的持续演进，下游传统汽车升级带来庞大的功率半导体需求。在此背景下，SiC产业将迎来发展风口，Yole研究数据显示，即使在新冠疫情影响之下，功率半导体在汽车领域市场的增速有所下降，但基于SiC的电动汽车市场也并未放慢发展步伐，且众多汽车制造商在继续认证车规级SiC MOSFET。

        2021年汽车领域SiC有望进入放量元年。

       SiC上车的机遇和挑战

        根据半导体时代产业数据中心预计，SiC晶片在半导体领域的出货量将从2020年的13万片增长到2025年的80万片，2020-2025年复合增长率达到43.8%，远高于全球27.2%的复合增长率，中国出货量占有率预计将从全球8.67%上升至16%。

       积极地数据预测下，一方面是供应商方面对产业前景的充分看好。全球SiC衬底、器件厂商对市场预期积极，如Cree预计SiC衬底、SiC功率器件2024年市场规模分别可达11亿、50亿美元，2018-2024年复合增速达44.47%、51.11%；II-VI（贰陆公司）更是预计2030年SiC市场规模将超300亿美元，2020~2030年复合增速高达50.60%；此外，罗姆、ST、英飞凌等厂商也对SiC市场未来增长持有强烈的信心，凸显行业上行趋势的强劲。

       另一方面，上文也介绍了SiC在需求侧的旺盛需求，电动汽车市场将成为引领SiC持续增长的“中流砥柱”，带动SiC功率半导体的落地和渗透。据英飞凌统计，2020年全球新能源车销量达324万辆，同比增长43%，其中我国新能源车销量高达133.48万辆，稳居全球第一。2020年全球新能源车销售量实现了大幅增长，预示SiC下游市场需求或将迎来爆发期，带来对功率半导体的需求量大幅扩张，SiC功率器件未来或将持续替代硅功率器件，迎来持续的需求增长期。

       从产业链结构来看，半导体芯片的基本结构都可以按照“衬底-外延-器件”划分，SiC在半导体芯片中存在的主要形式是作为衬底材料。

SiC产业链分布情况（图源：搜狐）

       其中，SiC晶片是SiC晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。SiC晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试等环节，可制成SiC二极管、SiC MOSFET等功率器件。

     
SiC功率半导体制备工艺

       从车用场景看，尽管目前SiC前景向好且受到市场追捧，但在商业化进程中依然存在各类问题。

SiC前景向好，但挑战仍在（半导体行业观察制图）

       此外，在产业层面，从芯片和功率模块设计到整车层面的应用验证这一链条尚未打通，芯片企业缺乏整车层面的真正需求分解和反馈，整车企业缺乏芯片层面的测评信息。

      全球SiC技术和产业距离成熟尚有一定的差距，在一定程度上制约了SiC器件市场扩大的步伐。

       成本是SiC打开市场的关键

       其实，归根结底，上述一系列因素的最终反映就是SiC生产和应用成本过高。据CASA统计，SiC价格近几年快速下降，2020年较2017年下降了五成以上。半导体厂商英飞凌大中华区电源与感测系统事业部协理陈志星也表示，SiC、GaN 等相关宽能隙 (WBG) 功率元件价格已经出现很大的降幅，但是仍旧与硅基产品之间成本差距确实存在，价格还比较高昂。

       但也可以从另一个角度来考虑价格问题，以特斯拉为例，特斯拉Model3当年采购SiC模块的成本要比硅基IGBT模块贵不少。但特斯拉是从 TCO（总体拥有成本）的角度来考虑成本问题的：主逆变器功率器件由硅基IGBT替换成SiC器件之后，采购成本确实上升了将近1500元，但是却带来了整车效率的提升，导致电池装机量的下降，从电池端把成本又省回来了。

       尝到甜头的特斯拉，将SiC模块从Model 3一款车型，逐渐推广到了旗下的其他车型，实现了全线产品覆盖。在特斯拉的带动下，其他车企也都纷纷开始装备SiC模块。

      当前，全球市场上6英寸SiC衬底已实现商业化，主流大厂也陆续开始推出8英寸样品，ST前不久就宣布了制造出首批8英寸SiC晶圆片，在此之前，Cree早在2015年就展示了8英寸SiC样品，2019年完成了首批8英寸SiC晶圆样品的制样，正在美国达勒姆市新建的晶圆厂也规划以8英寸SiC产品为主；II-VI和SiCrystal也已经对外展示了8英寸SiC衬底样品。

       按照各大厂商的量产计划来看，从2023年开始，逐渐量产8英寸衬底，外延及器件方面将继续提高产能及制造良品率。未来，随着6英寸衬底、外延晶片质量提高，8英寸产线实现规模化生产，降本效应有望显现，推进SiC器件和模块普及。而且，如果SiC模块成为了电动汽车主流配置，规模效应下，价格自然也会降下来。

图源：腾讯科技

       当然，目前SiC从6英寸向8英寸迈进的过程中还存在诸多难点，“与硅材料芯片相比，8英寸和6英寸SiC生产的主要差别在高温工艺上，例如高温离子注入，高温氧化，高温激活等，以及这些高温工艺所需求的hard mask（硬掩模）工艺等。高温工艺关乎着SiC的良率，是各大SiC厂商所着力研发的关键环节之一。” 深圳基本半导体有限公司总经理和巍巍博士表示，8英寸SiC的制造难点主要集中在衬底生长、衬底切割加工、氧化工艺。其中，衬底生长方面，扩径到8英寸，对衬底生长的难度会成倍增加；衬底切割加工方面，越大尺寸的衬底切割应力、翘曲的问题越显著；氧化工艺一直是SiC工艺中的核心难点，8英寸、6英寸对气流和温场的控制有不同需求，工艺需各自独立开发。

       综合来看，未来在生产规模、产能投资、良率控制等方面的共同推进下，SiC功率元件的成本有望有效下降，英飞凌预计3-5年后有机会把成本降到跟硅基元件相仿的程度，后段制程技术也持续推进。

       SiC行业格局与国产化进展

       纵观全球市场格局，目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中CREE（子公司Wolfspeed负责SiC器件生产）、罗姆（子公司SiCrystal负责SiC晶圆生产）实现了从SiC衬底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局，实力较强。国际主要的上游原材料企业均实现了从衬底到外延的连续布局，器件生产厂商则主要以IDM形式为主，如英飞凌、ST、富士电机、三菱电机、安森美、东芝等。

       从国内的SiC参与者来看，全产业链布局的玩家主要是中电科55所、世纪金光；生产SiC衬底的企业有天科合达、山东天岳、同光晶体等；生产SiC外延片的企业有东莞天域、瀚天天成；负责器件设计的企业有深圳基本半导体、瞻芯电子、苏州锴威特、陆芯科技等；以IDM形式生产器件和模块的企业有泰科天润、中车时代、斯达半导体、比亚迪半导体、扬杰电子、瑞能半导体等。

国内

外SiC产业链相关厂商（图源：智博睿投资咨询）

       近期，国内SiC产业链相关企业仍在频频布局：露笑科技随着衬底加工设备、清洗设备和测试设备的逐步到位及加工工艺优化，预计在9月份基本可实现6英寸导电型SiC衬底片的小批量生产；安徽徽芯长江SiC项目建设工程的主体工程顺利封顶，计划2021年3季度完成厂房建设和设备安装调试，2021年12月底完成中试并开始试销。预计目标年产4英寸SiC晶圆3万片、6英寸12万片。

       国内企业在SiC衬底方面以4英寸为主，同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能、露笑科技等厂商已完成6英寸衬底的研发；中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底，在SiC单晶衬底技术上形成自主技术体系。

       从市场现状来看，在SiC这条赛道上，国内企业经过几年深入耕耘，正在积极进入一些关键产品的供应链，但目前与国外还存在一定差距。

       对此，新能源与智能网联汽车独立研究者曹广平向笔者说道：“在SiC晶片制造上，我们与美国的差距较大，但目前国内山东东岳等也取得了较好的进步，已掌握了2-6英寸晶片的制作技术。衬底、外延片、器件、模块、驱动、辅助设计等后续的关键技术及相关工艺，国内取得了较大进步但还没有完全掌握，主要处于学习、摸索以及创新阶段。”

       举例来说，我国SiC外延材料，20μm及以下的产品水平接近国际先进水平；而100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距离国际先进水平有一定的差距。器件方面，国外英飞凌、罗姆、Cree公司的产品已经开始推广销售，我们即使内供的情况也并不多见，整个产业链的能力水平还是偏弱，只是在局部领域或局部性能上达到国际水平。

图源：搜狐

       对于国产SiC落后的原因，可以归纳为以下几点：第一，我国SiC功率器件领域发展还存在研发时间短，技术储备不足，进行SiC功率器件研发的科研单位较少，研发技术水平跟国外还有一定差距等问题，追赶难度较大；第二，设计、开发、仿真、测试技术尚不成熟，封装材料和检测设备被国外企业垄断；第三，从芯片设计到应用的链条没有打通；第四，开放的公共研发服务平台和规范标准支撑不足。

       从全球供需关系来看，目前SiC产品供不应求。中国虽然是全球最大的需求市场，但国产供应能力不足。上述种种因素都在很大程度上制约着我国独立自主的SiC产业发展壮大。曹广平认为，包括SiC在内的第三代半导体技术，国内目前处于跟随国外的状态，存在应用和开发的巨大需求，但是深度的基础研究和产业链整体环境没有长期的积累，仍是需要加速追赶的阶段。虽然说做好局部的突破也是可能的，但结合行业和企业的整体发展获得大范围的市场认可，仍然任重而道远。

       写在最后

       很显然，在电动汽车大热的当下，SiC已经成为国内外汽车产业布局的重点，不论是合作开发还是自主研发，均将SiC推向了技术浪潮的巅峰。

       相对于硅基器件，SiC功率半导体在高工艺、高性能与成本间的平衡，将成为SiC功率器件真正大规模落地的关键核心点。随着产业化进程的加速和成本的不断下降，整体产业也正在步上高速增长的快车道。

       在国产替代的需求和政策激励下，期待国内的SiC企业能够凭借自身强大的汽车市场需求和优势，在SiC “上车”的趋势和机遇中实现新的蜕变。

 
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