碳化硅應(yīng)用，電動(dòng)汽車爭(zhēng)搶技術(shù)賽道

桫欏

汽車行業(yè)投巨資用于研發(fā)控制功率芯片的碳化硅，但成本挑戰(zhàn)依然存在

碳化硅成新能源汽車熱需

現(xiàn)在的很多新能源車都走到了技術(shù)的瓶頸，如何進(jìn)一步提升車輛的經(jīng)濟(jì)性成為工程師們撓頭的問題。全球汽車行業(yè)向碳化硅制成的芯片行業(yè)投資數(shù)十億美元，是因?yàn)闃I(yè)界認(rèn)為這類技術(shù)可以幫助他們制造高性能電動(dòng)汽車，比如應(yīng)用于新能源汽車的半導(dǎo)體及其零部件。

什么是碳化硅？這類材料的優(yōu)勢(shì)在哪里？碳化硅是一種無(wú)機(jī)物，化學(xué)式為SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

咱們常用的半導(dǎo)體材料，尤其是各種電子產(chǎn)品中的處理器、存儲(chǔ)器等芯片，通常都是基于硅晶體（單晶硅或多晶硅）制造出來(lái)的。而實(shí)際上還有一類半導(dǎo)體是基于化合物晶體制造的，SiC（碳化硅）半導(dǎo)體就是其中之一。

由于相比硅基半導(dǎo)體在材料特性上有所差異，SiC（碳化硅）半導(dǎo)體具備比硅基半導(dǎo)體更好的高頻、大功率、高輻射性能，也讓前者如今多用在航天等高技術(shù)領(lǐng)域。而隨著此項(xiàng)材料技術(shù)的普及，電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車等使用大功率半導(dǎo)體部件的交通工具也開始應(yīng)用。

豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室（CRDL）和著名零部件廠商電裝從上世紀(jì)80年代就開始合作開發(fā)碳化硅半導(dǎo)體材料，而5月中旬他們正式發(fā)布了基于碳化硅半導(dǎo)體材料的零部件，應(yīng)用于新能源車型的功率控制單元（PCU）。由于功率控制單元擔(dān)負(fù)著轉(zhuǎn)換能量的任務(wù)（包括我們比較熟悉的逆變器），所以會(huì)有不小的能量損耗——PCU通常會(huì)有25%也就是四分之一的能量在轉(zhuǎn)換中損失掉了，其中80%來(lái)自半導(dǎo)體部件。

新的SiC（碳化硅）半導(dǎo)體器件大大降低了由于半導(dǎo)體器件造成的能量損失，預(yù)計(jì)新技術(shù)成熟并應(yīng)用后，可以降低10%的總能量損耗，也就是說(shuō)對(duì)于混合動(dòng)力車型，可以節(jié)省10%的燃油，這在現(xiàn)有技術(shù)框架下還是相當(dāng)可觀的進(jìn)步。

基于SiC半導(dǎo)體、與電動(dòng)機(jī)整合為一體的逆變器技術(shù)，我們并不陌生，大多產(chǎn)品來(lái)自日本電器制造巨頭三菱電器。由于碳化硅半導(dǎo)體零部件更為緊湊，以它開發(fā)的逆變器尺寸也更小，所以與電動(dòng)機(jī)能很好地整合到一起。除開逆變器尺寸更小之外，還簡(jiǎn)化了逆變器到電動(dòng)機(jī)的連接電路，同時(shí)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)單，可謂一舉多得。

電動(dòng)車上的SiC功率模塊

新材料替代需要更高成本

隨著新能源汽車高速發(fā)展，此前采用較多的硅（Si）基材料基本已逼近其物理極限，如工作溫度、電壓阻斷能力、正向?qū)▔航?、器件開關(guān)速度等，尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出其局限性。為此，需要新的材料來(lái)替代。

作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，碳化硅（SiC）具有更寬的禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率以及更高的抗輻射能力，是高溫、高頻、大功率應(yīng)用場(chǎng)合下極為理想的半導(dǎo)體材料。由于SiC功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此可使新能源汽車的系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊密，有助于節(jié)省成本以及續(xù)航里程的提升。

“目前，電動(dòng)車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，但考慮到未來(lái)電動(dòng)車需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，在車用半導(dǎo)體中，碳化硅一定會(huì)是未來(lái)趨勢(shì)。”一位行業(yè)分析人士說(shuō)道。此外，車載充電器和充電樁使用SiC器件后將充分發(fā)揮高頻、高溫和高壓三方面的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)高效化、小型化和高可靠性。據(jù)了解，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用SiC功率器件。

汽車電氣化趨勢(shì)已不可逆，在此背景下，碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展站到了風(fēng)口。行業(yè)巨頭Cree（科銳）指出，預(yù)計(jì)到2022年，SiC在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速增長(zhǎng)到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬(wàn)美元）的342倍。

實(shí)際上新能源汽車的發(fā)展受到基礎(chǔ)技術(shù)的制約很大，類似碳化硅半導(dǎo)體部件的應(yīng)用已經(jīng)能夠提升車輛的性能——雖然距離裝備量產(chǎn)車型還有距離。而如果能在電池等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)突破，那將是革命性的進(jìn)步。

“電動(dòng)汽車的客戶正在尋求更長(zhǎng)的續(xù)航里程，我們認(rèn)為碳化硅是我們電力電子設(shè)計(jì)中必不可少的材料。”通用汽車公司副總裁謝爾潘·阿明近期表示，在通用汽車達(dá)成使用碳化硅設(shè)備的協(xié)議后，將交給位于北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆的沃爾夫斯比公司來(lái)制造。

雖然碳化硅優(yōu)點(diǎn)多多，但現(xiàn)在也面臨較大挑戰(zhàn)，行業(yè)觀察人士表示，要讓碳化硅的成本接近硅還有幾年的時(shí)間。

法國(guó)研究公司Yole Développement研究人員克萊爾·特雷達(dá)奇表示，基于碳化硅設(shè)備的價(jià)格可能是普通硅的五倍，碳化硅更硬更脆，意味著在不破壞碳化硅晶片的情況下拋光碳化硅晶片的表面工藝要求更高。

應(yīng)用材料公司用于從碳化硅制造半導(dǎo)體的工具

全球生產(chǎn)力競(jìng)爭(zhēng)

今年8月，半導(dǎo)體公司科銳擴(kuò)大了與歐洲意法半導(dǎo)體的交易，將在未來(lái)幾年內(nèi)供應(yīng)價(jià)值超過 8 億美元的碳化硅晶圓。10月中旬，這家公司還宣布將于明年初在紐約尤蒂卡附近投資 10 億美元開設(shè)全球最大碳化硅工廠。這些動(dòng)作，都代表未來(lái)汽車半導(dǎo)體技術(shù)的迭代方向。

現(xiàn)代汽車中的半導(dǎo)體數(shù)量，從點(diǎn)火到制動(dòng)系統(tǒng)，可以超過一千個(gè)。隨著全球芯片短缺的拖延，從通用汽車到特斯拉的汽車制造商都發(fā)現(xiàn)自己被迫調(diào)整生產(chǎn)并重新思考整個(gè)供應(yīng)鏈。

根據(jù)目前電動(dòng)車的類型，與碳化硅相關(guān)的技術(shù)可以為汽車制造商節(jié)省高達(dá) 750 美元的電池成本。比如特斯拉就是第一個(gè)將碳化硅芯片推向市場(chǎng)的公司，這幾年在大眾市場(chǎng)上銷售的最便宜Model 3中就使用了碳化硅芯片。

根據(jù)Yole Développement的一份報(bào)告，意法半導(dǎo)體目前是特斯拉的碳化硅供應(yīng)商。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，特斯拉Model 3首次使用的碳化硅組件使其續(xù)航里程和其他性能有了很大的提升，遠(yuǎn)超當(dāng)前市場(chǎng)上的其他電動(dòng)汽車。

某些類型的芯片，例如運(yùn)行智能手機(jī)的微處理器，通常不需要在極端條件下工作，因此使用普通硅。但是當(dāng)芯片控制電流時(shí)，碳化硅的優(yōu)勢(shì)很重要，尤其是在電動(dòng)汽車的逆變器中，它將電動(dòng)汽車電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為電機(jī)提供動(dòng)力并使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果從技術(shù)上加以量化，可參考美國(guó)能源局在2020年為HEV（混合動(dòng)力汽車）制定的標(biāo)準(zhǔn)：電力電子（功率半導(dǎo)體）設(shè)備的功率密度要超過14.1kW/kg，效率超過98%，價(jià)格低于3.3美元/kW。這對(duì)電力電子器件的拓?fù)湫阅?、控制策略、系統(tǒng)集成和封測(cè)等提出了全新要求。

新能源汽車廠商加速導(dǎo)入刺激，致使SiC功率元器件用量激增，繼而影響SiC襯底和外延片需求量同步暴漲，據(jù)計(jì)算，這兩部分材料占比合計(jì)高達(dá)70%。其中，SiC襯底成本占比最高（43%），技術(shù)難度雖低于外延環(huán)節(jié)但也相當(dāng)高，如切片和研磨，難度極高。

全球SiC外延片市場(chǎng)美國(guó)Cree、DowCorning和II-VI三家公司占比就達(dá)到近80%的份額;在SiC襯底市場(chǎng)，美國(guó)Cree和II-VI、日本昭和電工合計(jì)市占率超過75%。

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，我國(guó)總體技術(shù)水平落后國(guó)外3～4年，所幸代際差異（代與代之間的差異）已縮小至半代。目前，我國(guó)主要從國(guó)外巨頭如Cree（科銳）、Rohm（羅姆）和II-VI（高意）買入SiC襯底，國(guó)內(nèi)該環(huán)節(jié)技術(shù)有較高水平（進(jìn)入工程化準(zhǔn)備和小批量生產(chǎn)），但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)SiC襯底和外延片領(lǐng)域的技術(shù)相對(duì)落后，產(chǎn)能也待急速提升。