SiC上車提速，清純半導(dǎo)體把握國(guó)產(chǎn)替代先機(jī)

綜合自中汽協(xié)、EVvolumes.com的多方數(shù)據(jù)，新能源汽車行業(yè)增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁。我國(guó)2021、2022、2023年新能源汽車銷量分別為350萬輛、689萬輛、950萬輛，市場(chǎng)占有率31.6% 預(yù)計(jì)2024年產(chǎn)銷量1200-1300萬輛，市占率超過45%；約占全世界產(chǎn)銷量60%。

而在新能源汽車蓬勃發(fā)展的背后，SiC也乘勢(shì)而起，成為絕對(duì)主流。在近日召開的“E維智庫第12屆中國(guó)硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢(shì)峰會(huì)暨百家媒體論壇”上，國(guó)內(nèi)SiC頭部企業(yè)清純半導(dǎo)體的市場(chǎng)經(jīng)理詹旭標(biāo)發(fā)表了題為《車載電驅(qū)&供電電源用SiC技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)》的演講，和我們剖析了SiC產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，以及中國(guó)芯片廠商的機(jī)遇所在。

新能源勢(shì)頭強(qiáng)勁，SiC應(yīng)用提速

正如文章開頭所言，新能源汽車行業(yè)勢(shì)頭強(qiáng)勁，而要實(shí)現(xiàn)行業(yè)快速穩(wěn)健發(fā)展，禮離不開SiC在主驅(qū)、高壓快充及充電樁上的全方位應(yīng)用滲透。

隨著SiC（碳化硅）技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是在國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)，SiC的應(yīng)用逐年增加。2023年，國(guó)內(nèi)公布的SiC車型已達(dá)142款，其中乘用車占76款。作為新能源汽車的核心技術(shù)之一，750V和1200V的SiC MOSFET器件成為主流，其性能、質(zhì)量、價(jià)格和產(chǎn)能是推動(dòng)SiC大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵要素。SiC技術(shù)不僅在數(shù)量上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，還為新能源汽車帶來了顯著的性能提升。

在新能源汽車的續(xù)航表現(xiàn)方面，SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si IGBT + Si FRD技術(shù)相比，展現(xiàn)了優(yōu)越的效率。在低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)損耗的特性加持下，SiC MOSFET能有效減少70%的損耗，從而提升約5%的續(xù)航里程。這對(duì)于電動(dòng)汽車的用戶體驗(yàn)和市場(chǎng)接受度至關(guān)重要，能夠更好地滿足消費(fèi)者對(duì)續(xù)航能力的需求。

充電效率同樣是新能源汽車普及過程中需要解決的關(guān)鍵問題。消費(fèi)者購買電動(dòng)汽車時(shí)，充電不便和續(xù)航里程短是主要的顧慮。SiC技術(shù)在高壓快充方面的應(yīng)用，正在積極推動(dòng)充電速度的提升。充電功率逐步向350kW以上方向發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年，單槍充電功率將超過100kWh，使電動(dòng)汽車在更短時(shí)間內(nèi)獲得充足的電量，從而緩解消費(fèi)者的補(bǔ)能焦慮。

與此同時(shí)，SiC技術(shù)在充電基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中的應(yīng)用也正在加速。2023年，工信部等八個(gè)部門發(fā)布了關(guān)于推進(jìn)公共領(lǐng)域車輛電動(dòng)化的政策，計(jì)劃在2023至2025年期間，公共充電樁與新能源汽車的比例達(dá)到1:1。展望未來，到2030年，我國(guó)新能源汽車保有量將達(dá)到6000萬輛，車樁比例也將實(shí)現(xiàn)1:1的目標(biāo)。隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)展，預(yù)計(jì)到2028年，充電基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)規(guī)模將突破1124億美元，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿Α?

SiC技術(shù)不僅驅(qū)動(dòng)了新能源汽車性能和充電效率的提升，還將在未來為整個(gè)行業(yè)提供更廣泛的支持，加速電動(dòng)化進(jìn)程。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的SiC頭部企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)排位，但清純半導(dǎo)體已經(jīng)完成布局。

“充電模塊整個(gè)體量是非常大的，像充電行業(yè)現(xiàn)在的發(fā)展是比較迅速的，而且它也是國(guó)產(chǎn)SiC器件第一個(gè)突破口。隨著光伏儲(chǔ)能包括充電樁的發(fā)展，也是能帶動(dòng)SiC器件整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。”詹旭標(biāo)表示，“我們公司創(chuàng)始人張清純老師在業(yè)界已經(jīng)有近30多年的器件設(shè)計(jì)及量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。目前我們第二代的產(chǎn)品技術(shù)水平，已經(jīng)跟行業(yè)頭部客戶目前在售的產(chǎn)品是完全持平的，接下來第三代產(chǎn)品技術(shù)水平也會(huì)跟頭部企業(yè)新一代的產(chǎn)品完全對(duì)齊?！?

SiC產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張過度，卷價(jià)格更要卷技術(shù)

然而在這樣的一個(gè)蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)背后，一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)已經(jīng)開始浮現(xiàn)。那就是隨著從各大巨頭到國(guó)內(nèi)企業(yè)的爭(zhēng)先布局，疊加上近兩年來的汽車需求下滑，SiC已經(jīng)進(jìn)入了殘酷的價(jià)格廝殺階段。

預(yù)估全球SiC市場(chǎng)規(guī)模到2025年將接近60億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為36.7%。然而，目前國(guó)內(nèi)SiC器件在車規(guī)級(jí)市場(chǎng)的供應(yīng)主要依賴進(jìn)口，2023年全球SiC市場(chǎng)被國(guó)外幾家龍頭企業(yè)壟斷，前五大企業(yè)的市場(chǎng)份額高達(dá)91.9%。

在生產(chǎn)方面，跨國(guó)企業(yè)正在加大產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，如Wolfspeed、Rohm、onsemi、Infineon、ST Micro等紛紛投資擴(kuò)大生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)未來幾年全球SiC產(chǎn)能將大幅增長(zhǎng)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)廠商也在積極提升產(chǎn)能，預(yù)計(jì)到2026年，國(guó)內(nèi)SiC年產(chǎn)量將達(dá)到468萬片，以滿足新能源汽車市場(chǎng)的需求。

最后，產(chǎn)能過剩的風(fēng)險(xiǎn)也逐漸顯現(xiàn)，SiC生產(chǎn)的快速擴(kuò)張以及激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)可能導(dǎo)致SiC MOSFET價(jià)格快速下跌，預(yù)計(jì)2024年SiC IGBT價(jià)格將下降約35%。為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存，SiC企業(yè)未來需要通過規(guī)?；图夹g(shù)創(chuàng)新來降低成本，成為市場(chǎng)主導(dǎo)者。

在卷產(chǎn)能、求降本的同時(shí)，技術(shù)的演進(jìn)也在加快節(jié)奏。

對(duì)比主流廠商（如Wolfspeed、ST Micro、onsemi、Rohm、Infineon、Bosch）使用的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括平面柵和溝槽柵設(shè)計(jì)。平面柵結(jié)構(gòu)（例如Wolfspeed、ST Micro和onsemi）通過優(yōu)化摻雜和更小的柵間距來降低電阻，而溝槽柵結(jié)構(gòu)（如Rohm、Infineon和Bosch）則利用溝槽的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升性能。

從2012年到2023年，隨著電壓級(jí)別（650V、750V、1200V）的提高，不同廠商在降低比導(dǎo)通電阻（單位面積的導(dǎo)通電阻）方面的進(jìn)展?？傮w來看，比導(dǎo)通電阻不斷降低，特別是在1200V的應(yīng)用中，達(dá)到2.3至2.8 mΩ·cm2。這反映了隨著工藝技術(shù)的成熟，SiC MOSFET在導(dǎo)通電阻性能上取得了顯著改進(jìn)，但溝槽柵結(jié)構(gòu)在此方面暫時(shí)還未全面超越平面柵設(shè)計(jì)。

“相當(dāng)于每過3-6年的區(qū)間，國(guó)際廠商會(huì)迭代一次，并且每次迭代大概下降20%-25%的Rsp水平。主流的SiC尤其是國(guó)外的技術(shù)水平，比如1200V SiC的Rsp大概能達(dá)到2.3~2.8mΩ。而目前國(guó)內(nèi)1200V SiC MOSFET Rsp可能在2.8~3.3 mΩ?！闭残駱?biāo)坦言到。

清純半導(dǎo)體SiC產(chǎn)品，對(duì)標(biāo)國(guó)際一流水平

國(guó)內(nèi)SiC器件技術(shù)的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)顯著。隨著主驅(qū)和光儲(chǔ)充等行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，從材料、輔材到襯底、外延、加工設(shè)備，再到設(shè)計(jì)和代工，各個(gè)環(huán)節(jié)基本上都已具備較高水平。在各細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)，都涌現(xiàn)出具有代表性的企業(yè)。整體技術(shù)水平與國(guó)際頭部企業(yè)相比差距較小，處于可接受的范圍內(nèi)。而像清純半導(dǎo)體的產(chǎn)品性能，已經(jīng)可以隊(duì)標(biāo)國(guó)際一流水平

“我們基本上是以1年1代的節(jié)奏快速迭代，從我們第一代產(chǎn)品Rsp是在3.3 mΩ左右。去年發(fā)布我們第二代產(chǎn)品是在2.8 mΩ。目前跟國(guó)際巨頭最先進(jìn)的技術(shù)水平是完全打平的?！闭残駱?biāo)表示。

據(jù)悉，清純半導(dǎo)體在主驅(qū)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展成就顯著，已經(jīng)推出了多款尺寸的SiC器件，如24平方毫米、25平方毫米、27平方毫米和30平方毫米的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的核心參數(shù)完全對(duì)標(biāo)國(guó)際一流水平，在某些參數(shù)和可靠性方面甚至優(yōu)于國(guó)際主流廠家。

2022年，清純半導(dǎo)體發(fā)布了全球最低導(dǎo)通電阻的SiC MOSFET，其導(dǎo)通電阻為3.5毫歐，尺寸為10×10平方毫米。雖然目前產(chǎn)能有限，但這一產(chǎn)品為公司下一代產(chǎn)品的研發(fā)提供了重要參考。通過對(duì)不同材料和工藝的良率分析，清純半導(dǎo)體按照一年一代的技術(shù)路線穩(wěn)步推進(jìn)產(chǎn)品升級(jí)。第三代產(chǎn)品計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的比導(dǎo)通電阻為2.4 mΩ·cm2，但預(yù)計(jì)實(shí)際性能可能會(huì)更優(yōu)。

針對(duì)國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域的成熟器件，清純半導(dǎo)體進(jìn)行了1:1的性能對(duì)比。在相同驅(qū)動(dòng)、相同參數(shù)、相同電路板條件下，清純的產(chǎn)品在串?dāng)_抑制、耐受能力和振蕩控制等方面表現(xiàn)更佳。特別是在柵極串?dāng)_電壓測(cè)試中，清純的產(chǎn)品從-4V串?dāng)_至0.8V，而對(duì)比廠家產(chǎn)品則超過4V。清純產(chǎn)品因更低的串?dāng)_電壓表現(xiàn)，避免了可能的直通現(xiàn)象和能量損耗。

在開關(guān)損耗方面，清純半導(dǎo)體產(chǎn)品在相同dv/dt條件下具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能和更低的開關(guān)損耗，相較競(jìng)品可降低35%-40%的損耗，從而顯著提升產(chǎn)品效率。

近年來，工業(yè)級(jí)應(yīng)用特別是光儲(chǔ)充領(lǐng)域?qū)煽啃缘囊髽O高，普遍采用車規(guī)等級(jí)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。清純半導(dǎo)體在可靠性方面進(jìn)行了大量嚴(yán)苛測(cè)試，雙應(yīng)力測(cè)試、高壓H3TRB等項(xiàng)目均超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以90%-100%的測(cè)試要求進(jìn)行考核，并將器件的結(jié)溫考核標(biāo)準(zhǔn)提高至200度，可靠性測(cè)試時(shí)長(zhǎng)也翻倍。此外，公司還開展了動(dòng)態(tài)柵應(yīng)力DHTGB測(cè)試、負(fù)柵偏壓體二極管重復(fù)浪涌測(cè)試等，確保產(chǎn)品在高標(biāo)準(zhǔn)下的穩(wěn)定性。目前，清純半導(dǎo)體已銷售約400萬顆MOSFET，失效率低于1PPM。

國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入洗牌快車道，清純半導(dǎo)體推進(jìn)自主化進(jìn)程

“SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛，國(guó)內(nèi)在SiC材料、器件量產(chǎn)已進(jìn)入內(nèi)卷和洗牌快車道。”詹旭標(biāo)感慨到?！坝捎诟鞣N原因，SiC MOSFET在乘用車主驅(qū)應(yīng)用目前仍依賴進(jìn)口，但我相信未來2~3年后局面肯定會(huì)有大幅改善。”詹旭標(biāo)對(duì)未來SiC的自主化進(jìn)程充滿信心。

據(jù)悉，在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)方面，清純半導(dǎo)體主要關(guān)注以下三點(diǎn)：材料方面，6寸晶圓的主流趨勢(shì)是向大尺寸、低缺陷的SiC襯底及外延制備方向發(fā)展，以降低成本并提升良率；器件設(shè)計(jì)則追求更低的比導(dǎo)通電阻和更高的可靠性，接近硅基IGBT的標(biāo)準(zhǔn)；工藝上，溝道遷移率問題需加強(qiáng)研究，以推動(dòng)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)步。

清純半導(dǎo)體將產(chǎn)業(yè)發(fā)展劃分為兩個(gè)階段：第一階段是國(guó)際芯片供應(yīng)商主導(dǎo)供應(yīng)鏈，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)部分SiC材料替代；第二階段是國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)替代，國(guó)際芯片和終端企業(yè)與國(guó)內(nèi)企業(yè)展開深度合作。這一趨勢(shì)代表了國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)的逐步自主化進(jìn)程。

“激烈的競(jìng)爭(zhēng)促使國(guó)內(nèi)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品價(jià)格快速下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)大，主驅(qū)芯片國(guó)產(chǎn)替代已經(jīng)起步，并將逐步上量，最終主導(dǎo)全球供應(yīng)鏈。”詹旭標(biāo)說到。