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半导体

宽禁带半导体进军新能源汽车,“三慢、三急”矛盾并非不可调和

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。


新能源汽车市场的飞速发展,极大推动了以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体市场发展与技术创新。数据显示,预计到2025年,SiC功率器件在新能源汽车领域的市场规模将达到15.53亿美元,年复合增长率达38%。但是,宽禁带半导体进军新能源汽车的道路并不平坦,产业界应对此有清醒的认识,理性面对目前普遍存在的“产业慢、资本急,产品慢、下游急,产值慢、规划急”等主要矛盾。

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何时迎来规模化应用

宽禁带半导体凭借更高功率密度、更高结温、更低杂感、更高可靠性等优势,正在成为支撑新能源汽车发展的关键技术之一,为后者带来多项功能与指标的提升。

碳化硅器件作为宽禁带半导体的代表,与新能源汽车可谓“天作之合”。第三代半导体产业技术创新战略联盟副秘书长耿博向《中国电子报》记者表示,采用碳化硅器件的新能源汽车电驱系统体积可节省40%,重量减轻30%,效率提升10%,带来各项指标的提升。

目前,特斯拉、戴姆勒、蔚来汽车、东风汽车、精进电动等国内外的知名车企都对碳化硅的应用展开了布局。“到2023年,SiC功率器件市场总值将超过14亿美元。预计至2025年,我国新能源汽车功率半导体器件市场中,Si基IGBT市场规模约70亿元,SiC基MOSFET约40亿元。”国家新能源汽车技术创新中心副总经理、中国汽车芯片产业创新战略联盟副秘书长邹广才告诉《中国电子报》记者。

尽管市场潜力无限,但宽禁带半导体进军新能源汽车的道路似乎并不平坦。其中,能否在新能源汽车领域实现规模化应用是业内人士最为关注的问题之一。邹广才就对记者坦言:“目前各整车厂、供应商都开始布局新能源汽车领域宽禁带半导体的研发和产业化,但应用尚不普及。”

虽然宽禁带半导体在新能源汽车领域的应用前景被业界广泛看好,但从目前来看,硅基半导体产品在新能源汽车领域的地位仍是不可撼动。在芯谋研究研究总监宋长庚看来,碳化硅器件以及氮化镓等宽禁带半导体在短期内并不会取代硅基半导体产品,甚至这些宽禁带半导体产品的市场份额也很难达到硅基半导体的水平。“这是性能、成本、芯片功耗和制造产能等多方面因素平衡的结果。”宋长庚对《中国电子报》记者说。

当前,可生产性、可靠性和可用性是阻碍宽禁带半导体相关领域实现规模化应用的“绊脚石”。苏州能讯高能半导体有限公司总经理任勉对《中国电子报》记者表示,在可生产性方面,高度平整、特性高度均匀、片间高度一致的外延材料还远远没有达到满足大规模生产需要的水平;在可靠性方面,高质量、低界面态的栅介质是一个重要的课题;在可用性方面,氮化镓(GaN)功率电子的主要技术优势——高速开关特性目前还没有得到充分发挥。

器件开关问题亟待解决

产业的发展都是一波三折。除可生产性、可靠性和可用性之外,宽禁带半导体要想在新能源汽车领域实现规模化应用,还面临着诸多亟待突破的瓶颈。

在材料制造方面,碳化硅单晶的生长就是一大难点。宋长庚向《中国电子报》记者表示:“碳化硅功率半导体器件目前产业化的主要瓶颈在碳化硅单晶材料的制造方面。由于碳化硅熔点高,单晶生长困难,因此材料本身的成本非常高。”

在电动汽车电控领域,碳化硅企业想要打开电动汽车市场的大门其实也不容易。泰科天润半导体科技(北京)有限公司董事长兼CEO陈彤认为,在这个过程中有四个难题要解决:一是碳化硅器件,特别是MOSFET开关性能的稳定性和可靠性,这是最基础的问题;二是与大电流碳化硅器件有关的技术问题;三是模块化的封装方案;四是电控的实际应用方案。

“当前宽禁带半导体在国产新能源汽车领域的进展,主要都停留在第一个关口问题的解决阶段。”陈彤向记者表示,目前业界首先要解决第一层次的问题,想做出汽车等级的碳化硅仍是任重道远。

耿博在接受采访时同样强调了宽禁带半导体器件开关问题的重要性。他表示,宽禁带半导体非常快的开关速度会增加开关损耗以及器件老化,还会影响栅极的可靠性。此外,受过流、过热影响,分立器件的保护也会比较困难。

针对其他技术难题,邹广才指出,芯片设计、芯片筛选测试、模块封装、模块热管理、系统集成设计和模块测试等技术都亟待攻关。

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。邹广才表示:“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。”

事实上,在新能源汽车领域宽禁带半导体的实际应用方面,国内外企业面临着共性问题。邹广才向记者指出,如何更好地研究SiC功率芯片先进封装,以开发新能源汽车高功率、高密度电驱动系统,是新能源汽车和宽禁带半导体产业的迫切需求。“目前国内外的宽禁带半导体封装仍沿用传统Si基第一代功率半导体芯片的封装形式,不能充分发挥宽禁带半导体(如SiC芯片)耐高温、耐高频的优势。”邹广才对记者说。

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上下游配合补短板

宽禁带半导体技术是新能源汽车功率芯片领域的关键核心技术,也是全球关注的细分研究领域和产业应用方向之一。由于欧美日等国在宽禁带半导体行业起步早、发展快,在新能源汽车领域已形成垄断优势,国内产业也面临着追赶难度大的问题。

在谈到国内外宽禁带半导体在新能源汽车应用方面存在的差距时,邹广才把国内产业面临的短板总结为了四点:“第一,产业起步晚,追赶难度大;第二,设计、开发、仿真、测试技术尚不成熟,封装等材料不成熟;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。”

那么,业内应如何补齐这些短板?宋长庚在采访中特别强调了要加强基础材料的研究,比如提高碳化硅材料的制造效率,降低成本。“用碳化硅器件替代硅基器件时,系统需要部分进行重新设计。这就需要半导体器件企业与下游终端企业密切配合,以降低重新设计的难度和成本。”宋长庚说。

业内专家均表示,产业链的建设也是补齐短板的关键。耿博谈道,为了加速宽禁带半导体在新能源汽车领域的应用,要加速突破衬底材料、外延、芯片和封装测试瓶颈;要不断开发新工艺和新技术,加速实现6英寸SiC衬底和外延材料的产业化转移,降低材料的缺陷密度,提升产品良率并降低成本。邹广才则认为,应加大科技创新投入,加强产业学用等平台的融合,搭建产业生态,推动全产业链发展。

在补短板过程中,业界还需要关注几个重要的技术产品竞争维度。在邹广才看来,这些关键的技术产品竞争维度主要包括自主功率芯片、自主功率模块封装、基于宽禁带半导体的电驱动系统以及相应的测试验证平台。

宽禁带半导体进军新能源汽车虽迫在眉睫,但也不能操之过急。陈彤呼吁,国内在发展新能源汽车碳化硅领域时,一定要处理好“三慢”和“三急”的矛盾:首先是产业慢、资本急的根本矛盾;其次是产品慢、下游急的主要矛盾;最后是产值慢、规划急的实际矛盾。

陈彤认为,业界需要将这些矛盾认识清楚,并且有针对性地做好准备,否则投资越大,损失也越大。“如何认识高功率半导体的发展逻辑,如何做好投身碳化硅领域的准备,如何布局一个具体的碳化硅项目,这些问题是当前国内需要梳理清楚的重要问题。”陈彤对记者说。

其实,“三慢、三急”矛盾并非不可调和。相信未来,在产业链上下游企业的密切配合与协同发展下,宽禁带半导体进军新能源汽车领域面临的种种问题可以得到解决。

责任编辑:张依依


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