文|上海汽車報
“充電5分鐘,續(xù)航里程增加200km?!边@是年內(nèi)即將上市的智己LS6“全域800V雙碳化硅平臺”給出的數(shù)據(jù)。
因碳化硅優(yōu)良的物理特性契合新能源汽車市場發(fā)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(fā)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(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展到什么階段?面臨哪些機遇和挑戰(zhàn)?近日,《上海汽車報》記者采訪了碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上的多位專家,為上述問題尋求解答。
市場規(guī)??焖僭鲩L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(xiàn)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(guān)損耗與導通損耗,有效提升電動汽車的續(xù)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(xù)提升為碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了契機。目前,各地區(qū)制訂的電動汽車發(fā)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(xiàn)高壓快充的重要技術(shù)。
碳化硅對電動汽車能源利用的增效效果明顯。據(jù)悉,在目前整車主流的400V電壓平臺主驅(qū)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(xù)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(xù)航里程提升5%-8%。除了電機控制領(lǐng)域,碳化硅在整車充電領(lǐng)域也有應用。在OBC(車載充電器)和DC/DC(直流轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)加速發(fā)展及滲透率提升的推動下,迎來需求快速增長。根據(jù)半導體咨詢機構(gòu)Yole的預測,2021-2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)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(yè)內(nèi)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(chǎn)能導致“不夠用”。按照馬斯克“2030年特斯拉電動汽車年產(chǎn)量2000萬輛”的構(gòu)想,如果使用量不加限制,屆時全球碳化硅產(chǎn)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(chǎn)能不足。
供給難以匹配需求,這恰是碳化硅行業(yè)現(xiàn)狀?!靶履茉雌囦N量上漲得非???,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?!敝嘘P(guān)村天合寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長侯喜鋒表示。在侯喜鋒看來,目前碳化硅產(chǎn)業(yè)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’?!焙钕蹭h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(shù)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’?!?/p>
碳化硅并非自然界存在的物質(zhì),需要在人為創(chuàng)造的嚴苛環(huán)境中合成,技術(shù)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(yè)的問題。據(jù)報道,即使是全球行業(yè)龍頭Wolfspeed,綜合良率也只有70%。
因此,要想提升碳化硅的實際產(chǎn)量,一方面要重點突破良率問題,另一方面要推動技術(shù)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(shù)突破推動效率提升,讓生長所需時間縮短?!L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(shù)量自然也翻倍了?!L大’,指的是面積。比如說,現(xiàn)在市場上主流的6英寸碳化硅襯底的生產(chǎn)工藝比較成熟,8英寸襯底盡管已研發(fā)成功,但還處在驗證階段。如果在更大的面積上,芯片的顆數(shù)更多,就能降低成本?!焙钕蹭h介紹道。
要想實現(xiàn)“長快”“長厚”“長大”的技術(shù)目標,必須要有完善的技術(shù)鏈和供應鏈作為保障,推動技術(shù)創(chuàng)新突破,通過切實的提質(zhì)增效,使碳化硅的成本下降、產(chǎn)量上升成為可能。
亟須制造產(chǎn)能保障
當下,中國碳化硅芯片設(shè)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(shè)計與工藝開發(fā)的優(yōu)勢。瞻芯電子認為,工藝平臺開發(fā)的基礎(chǔ)地位更加突出,如果基礎(chǔ)不扎實,芯片設(shè)計就很難發(fā)揮出應有的作用。
“芯片設(shè)計在本質(zhì)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(guān)重要?!闭靶倦娮邮袌鲣N售副總經(jīng)理曹峻表示,“晶體管就像一塊‘磚’,每塊‘磚’的質(zhì)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(fā)主要由工藝、材料、設(shè)備三個方面決定。未來碳化硅的市場競爭進入深水區(qū)時,工藝、材料、設(shè)備的競爭都會更加激烈,所以我們要在自己的生產(chǎn)線上搭建工藝開發(fā)平臺,推動碳化硅功率器件的升級迭代。”
在制造環(huán)節(jié),產(chǎn)能是最亟須解決的問題。
目前,中國生產(chǎn)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(chǎn)的生產(chǎn)一致性,中國制造廠商依然與國際領(lǐng)先水平存在差距。究其原因,還是在于碳化硅芯片產(chǎn)業(yè)起步較早且國際領(lǐng)先廠商在全球供貨,襯底、材料及產(chǎn)業(yè)化的驗證領(lǐng)先于中國廠商。
積塔半導體是中國車規(guī)級MOSFET器件制造領(lǐng)域的龍頭企業(yè),產(chǎn)能與技術(shù)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(lǐng)域,人才相當緊缺。對于類似積塔半導體這樣的頭部企業(yè)而言,更加希望能依托自身的技術(shù)積累、客戶布局,以及重資產(chǎn)、強制造的優(yōu)勢,推動產(chǎn)業(yè)規(guī)?;M一步顯現(xiàn),讓中國碳化硅功率器件產(chǎn)能“更上一層樓”。
整車廠系統(tǒng)集成助力大規(guī)模推廣
下游的整車企業(yè)是當前碳化硅功率半導體的最大客戶。設(shè)計制造企業(yè)與承擔系統(tǒng)集成任務的整車廠協(xié)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(jīng)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(chǎn)品定義開始,結(jié)合終端客戶的需求來規(guī)劃系統(tǒng)集成、器件性能、產(chǎn)品性能,因此從設(shè)計到代工制造,再到整車廠系統(tǒng)集成,各個環(huán)節(jié)一定要互相配合,甚至要敢于給上下游一些試錯的機會?!?/p>
劉建華表示,目前碳化硅領(lǐng)域的上下游聯(lián)動模式主要有兩種:一種是由政府牽頭,以項目形式串聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈;另一種則是產(chǎn)業(yè)鏈上各家企業(yè)和整車廠、零部件企業(yè)互動。政府推動與行業(yè)聯(lián)動兩輪并進,這基本上遵循了當初車規(guī)級IGBT的產(chǎn)業(yè)聯(lián)動模式,有望推動中國碳化硅產(chǎn)業(yè)迅速追趕國際領(lǐng)先企業(yè)。
這也與整車廠當前的發(fā)展方向不謀而合?!拔覀兿M懿粩喟堰@種高效的技術(shù)應用起來,支持國家的‘雙碳’戰(zhàn)略?!鄙掀麆?chuàng)新研發(fā)總院捷能公司電驅(qū)業(yè)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(shù)的大規(guī)模推廣?!?/p>
據(jù)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(qū)系統(tǒng)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(shù)千元。在目前汽車市場競爭激烈的大環(huán)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(chǎn)化進程,推動碳化硅更快、更多地上車,包括上汽在內(nèi)的中國多家整車企業(yè)與上游企業(yè)展開了緊密的合作,以產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同促進上下游共贏。與此同時,上汽通過產(chǎn)業(yè)金融投資也已完成了對碳化硅半導體產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)布局,將包括襯底原材料企業(yè)天科合達、天岳先進,設(shè)計/制造企業(yè)華大半導體、積塔半導體、瞻芯電子等優(yōu)質(zhì)企業(yè)融入上汽產(chǎn)業(yè)生態(tài),形成價值共創(chuàng)共同體,共同推動碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上下游的業(yè)務協(xié)同和資源整合。
王東萃表示:“現(xiàn)在整車的集成度愈發(fā)提高,深度集成需要上下游更多合作。系統(tǒng)中,功率器件的空間、體積如何做到最優(yōu)?性能與電機怎么緊密地結(jié)合?產(chǎn)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(lián)合定義、聯(lián)合開發(fā),共同把性能做到更好。”
據(jù)王東萃預計,到2026年,碳化硅產(chǎn)業(yè)的良率會提高,生產(chǎn)規(guī)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。