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半导体

新能源汽车,碳化硅器件加快替代硅基IGBT

编者按:以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,可以极大满足新能源汽车电动化、网联化、智能化发展趋势的要求,对新能源汽车发展具有重要意义。《中国电子报》开设“宽禁带半导体与新能源汽车”专栏,以宽禁带半导体在新能源汽车领域的应用为切入点,全面系统报道宽禁带半导体技术趋势、市场发展现状和产业发展难题等。敬请关注。

近日,特斯拉发布了一款新车型——Model S Plaid。该车的创新之一是搭载了由碳化硅(SiC)为主要器件的逆变器。由于SiC MOSFET具有更好的耐高压、高温、高频性能,加载到逆变器之中以后,帮助Model S Plaid成为目前全球加速最快的量产车型(0-100km/h加速仅需2.1秒)。除此之外,比亚迪·汉EV高性能四驱版本也搭载了SiC器件,为国内首款采用SiC技术的车型。蔚来计划今年发布的纯电轿车也将搭载采用SiC模块的第二代电驱平台。随着越来越多新能源车型采用碳化硅器件,显示出碳化硅对传统车用硅基IGBT的替代已经逐渐展开,为碳化硅产业的发展展现出良好的前景。

碳化硅器件进入特斯拉、比亚迪新车型

特拉斯是全球率先采用碳化硅逆变器的车企。2018年特斯拉在Model 3上最主要的一项创新就是采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器。相比Model x等车型上采用的IGBT,SiC MOSFET能带来5%~8%的逆变器效率提升,对电动车的续航能力有着显著提升。2020年特拉斯推出Model Y,动力模块后轮驱动也采用了SiC MOSFET。加上最新发布的Model S Plaid,至今特斯拉已有三款车型采用SiC技术。此举也让碳化硅成为了业界的关注焦点。

接受记者采访时,意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示,电动汽车特别是与SiC相关的车用场景对改进逆变器、车载充电机和DC/DC变换器性能的要求十分强烈。英飞凌汽车业务部车辆运动应用营销高级经理Naoki Hayashi也表示,与硅基IGBT相比,碳化硅可以提高5%~10%的电池使用率。

除了应用于新能源汽车之外,碳化硅器件在新能源发电、轨道交通、航天航空等领域也有着广阔的发展潜力。此前由于成本问题、器件性能不稳定,限制了碳化硅器件的应用,但随着技术不断改进,这些问题正在得到解决。

根据Cree公司的预测,SiC逆变器能够提升5%~10%的续航能力,节省400-800美元的电池成本(80kWh电池、102美元/kWh)。相关机构研究也表明,虽然在一辆电动车上采用SiC会多花200~300美元,但整车成本可以节省2000美元,比如节省600美元电池成本、节省600美元汽车空间成本,以及节省1000美元散热系统成本。

可以说,碳化硅对传统硅基IGBT已经具有了替代的基础。根据Yole预测,2020年全球碳化硅功率器件市场规模约5亿~6亿美元,约占整个功率半导体器件市场份额的3%~4%,预计到2022年,碳化硅功率器件的市场规模有望超过10亿美元。赛迪顾问则在报告中指出,目前第三代半导体材料已逐渐进入各汽车集团的主流供应链中,SiC衬底作为关键材料,将成为第三代半导体材料的布局热点。

国际大厂全面进军碳化硅产业

人们对碳化硅功率器件的研发始于20世纪90年代,由于其具有抗高压、高温、高频,可适用于1200V以上的大电力领域等优点,目前已经成为新型功率半导体器件研究开发的主流。国际主要功率半导体器件厂商均对碳化硅给予高度重视,以期抢抓产业发展的主导权。

意法半导体表示将大力发展碳化硅业务,并将其作为战略和收入的关键部分的计划。Jean-Marc Chery指出:“原材料和外延层方面是实现碳化硅技术发展的重要环节。意法半导体两年前收购了 Norstel公司,填补了6 英寸晶圆的制造技术。试验结果证明,我们的产品技术性能高于竞争对手。最近,我们还交付了首个8英寸碳化硅晶圆,并计划在8英寸碳化硅晶圆上率先制造测试二极管,进行MOSFET流片和测试。”。

英飞凌同样布局碳化硅产业多年。英飞凌科技大中华区总裁苏华指出,功率半导体的未来发展趋势是碳化硅材料。早在1992年,英飞凌的前身西门子半导体部门就开始了对碳化硅的研究。2018年,英飞凌收购了碳化硅晶圆切割领域的新锐公司Siltectra。Siltectra的冷切割技术(Cold Spilt)相比传统工艺可提高90%的生产效率。

美国碳化硅大厂科锐公司则于今年3月宣布完成出售旗下LED产品事业部门,加上2019年5月完成照明业务出售交易。科锐将完全成为一家以碳化硅和氮化镓产品为主的第三代半导体公司,主要业务包括出售衬底、外延片、功率或射频器件产品,并且提供氮化镓射频器件代工业务,囊括了宽禁带半导体的所有环节。

根据CASA的统计,全球碳化硅器件领域主要厂商包括意法半导体、英飞凌、科锐、罗姆,四家合计占据90%的市场份额。

强化需求牵引,加快构建碳化硅产业生态

近年来,我国也积极展开对碳化硅产业的开发。6月23日,三安光电在湖南建设的半导体基地一期项目正式投产。项目达产后可形成月产3万片6英寸碳化硅晶圆的生产能力。三安光电股份有限公司副董事长、总经理林科闯表示,湖南项目是三安光电向第三代半导体领域扩张的重要一步。项目总投资160亿元,将打造国内首条、全球第三条碳化硅垂直整合产业链。5月31日,山东天岳递交了科创板上市招股书,有望成为第一个科创板上市的碳化硅衬底材料企业。上市计划募集资金20亿元,用于碳化硅半导体材料项目的建设。

碳化硅产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用几个环节。这几个产业环节我国均有所布局。SiC衬底材料方面,天科合达、山东天岳、同光晶体等均能供应3英寸~6英寸的单晶衬底。SiC外延片方面,厦门瀚天天成与东莞天域生产3英寸~6英寸SiC外延片。器件方面,除三安光电外,华润微的6英寸商用SiC产线也已经正式量产。

不过,中国工程院院士丁荣军指出:“我国功率半导体产业经过长期自主创新,以晶闸管为代表的第一代、第二代器件达到了世界先进水平,IGBT主流器件的研发与产业化取得了不少突破,但以碳化硅、氮化镓等为代表的第三代宽禁带半导体技术研发起步较晚,技术发展趋势认识模糊,人财物资源投入不足,仍落后于世界顶尖水平。”

丁荣军建议应从几个方面重点突破:一是通过资源整合,打造功率半导体国家级创新平台,联合政、产、学、研、用各环节既有资源,围绕全产业链需求和痛点开展协同创新和公共服务,构建自主生态和协同创新体系。二是功率半导体作为技术密集、资金密集和人才密集型行业,前期投入大,回报周期长,投资风险大,需要政府给予相应的政策倾斜,支持并带动社会各界持续投入资源,推动产业发展。三是国家出台鼓励自主创新的支持政策,加快功率半导体器件技术创新和国产化进程,营造鼓励科技创新、支持自主研发的良好环境。四是强化需求牵引,政府、行业、用户应持续加大自主功率半导体器件的推广力度,大力支持自主功率半导体器件产品的采购应用。


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责任编辑:陈炳欣


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