SiC上車提速，清純半導(dǎo)體把握國產(chǎn)替代先機

綜合自中汽協(xié)、EVvolumes.com的多方數(shù)據(jù)，新能源汽車行業(yè)增長勢頭強勁。我國2021、2022、2023年新能源汽車銷量分別為350萬輛、689萬輛、950萬輛，市場占有率31.6% 預(yù)計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也乘勢而起，成為絕對主流。在近日召開的“E維智庫第12屆中國硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢峰會暨百家媒體論壇”上，國內(nèi)SiC頭部企業(yè)清純半導(dǎo)體的市場經(jīng)理詹旭標發(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》的演講，和我們剖析了SiC產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，以及中國芯片廠商的機遇所在。

新能源勢頭強勁，SiC應(yīng)用提速

正如文章開頭所言，新能源汽車行業(yè)勢頭強勁，而要實現(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，尤其是在國內(nèi)乘用車市場，SiC的應(yīng)用逐年增加。2023年，國內(nèi)公布的SiC車型已達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、價格和產(chǎn)能是推動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)增長趨勢，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。這對于電動汽車的用戶體驗和市場接受度至關(guān)重要，能夠更好地滿足消費者對續(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。消費者購買電動汽車時，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)計到2025年，單槍充電功率將超過100kWh，使電動汽車在更短時間內(nèi)獲得充足的電量，從而緩解消費者的補能焦慮。

與此同時，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，工信部等八個部門發(fā)布了關(guān)于推進公共領(lǐng)域車輛電動化的政策，計劃在2023至2025年期間，公共充電樁與新能源汽車的比例達到1:1。展望未來，到2030年，我國新能源汽車保有量將達到6000萬輛，車樁比例也將實現(xiàn)1:1的目標。隨著市場的不斷擴展，預(yù)計到2028年，充電基礎(chǔ)設(shè)施市場規(guī)模將突破1124億美元，展現(xiàn)出強勁的發(fā)展?jié)摿Α?

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

“充電模塊整個體量是非常大的，像充電行業(yè)現(xiàn)在的發(fā)展是比較迅速的，而且它也是國產(chǎn)SiC器件第一個突破口。隨著光伏儲能包括充電樁的發(fā)展，也是能帶動SiC器件整個行業(yè)的發(fā)展?！闭残駱吮硎?，“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)計及量產(chǎn)經(jīng)驗。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)水平也會跟頭部企業(yè)新一代的產(chǎn)品完全對齊。”

SiC產(chǎn)業(yè)擴張過度，卷價格更要卷技術(shù)

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

預(yù)估全球SiC市場規(guī)模到2025年將接近60億美元，年均復(fù)合增長率為36.7%。然而，目前國內(nèi)SiC器件在車規(guī)級市場的供應(yīng)主要依賴進口，2023年全球SiC市場被國外幾家龍頭企業(yè)壟斷，前五大企業(yè)的市場份額高達91.9%。

在生產(chǎn)方面，跨國企業(yè)正在加大產(chǎn)能擴張計劃，如Wolfspeed、Rohm、onsemi、Infineon、ST Micro等紛紛投資擴大生產(chǎn)線，預(yù)計未來幾年全球SiC產(chǎn)能將大幅增長。同時，國內(nèi)廠商也在積極提升產(chǎn)能，預(yù)計到2026年，國內(nèi)SiC年產(chǎn)量將達到468萬片，以滿足新能源汽車市場的需求。

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

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

對比主流廠商（如Wolfspeed、ST Micro、onsemi、Rohm、Infineon、Bosch）使用的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括平面柵和溝槽柵設(shè)計。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)計進一步提升性能。

從2012年到2023年，隨著電壓級別（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，但溝槽柵結(jié)構(gòu)在此方面暫時還未全面超越平面柵設(shè)計。

“相當(dāng)于每過3-6年的區(qū)間，國際廠商會迭代一次，并且每次迭代大概下降20%-25%的Rsp水平。主流的SiC尤其是國外的技術(shù)水平，比如1200V SiC的Rsp大概能達到2.3~2.8mΩ。而目前國內(nèi)1200V SiC MOSFET Rsp可能在2.8~3.3 mΩ。”詹旭標坦言到。

清純半導(dǎo)體SiC產(chǎn)品，對標國際一流水平

國內(nèi)SiC器件技術(shù)的進展和發(fā)展趨勢顯著。隨著主驅(qū)和光儲充等行業(yè)的快速發(fā)展，國內(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)計和代工，各個環(huán)節(jié)基本上都已具備較高水平。在各細分領(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)可以隊標國際一流水平

“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。目前跟國際巨頭最先進的技術(shù)水平是完全打平的。”詹旭標表示。

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)完全對標國際一流水平，在某些參數(shù)和可靠性方面甚至優(yōu)于國際主流廠家。

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)步推進產(chǎn)品升級。第三代產(chǎn)品計劃實現(xiàn)的比導(dǎo)通電阻為2.4 mΩ·cm2，但預(yù)計實際性能可能會更優(yōu)。

針對國際領(lǐng)先企業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域的成熟器件，清純半導(dǎo)體進行了1:1的性能對比。在相同驅(qū)動、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)_電壓測試中，清純的產(chǎn)品從-4V串?dāng)_至0.8V，而對比廠家產(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)的動態(tài)性能和更低的開關(guān)損耗，相較競品可降低35%-40%的損耗，從而顯著提升產(chǎn)品效率。

近年來，工業(yè)級應(yīng)用特別是光儲充領(lǐng)域?qū)煽啃缘囊髽O高，普遍采用車規(guī)等級的測試標準。清純半導(dǎo)體在可靠性方面進行了大量嚴苛測試，雙應(yīng)力測試、高壓H3TRB等項目均超行業(yè)標準，以90%-100%的測試要求進行考核，并將器件的結(jié)溫考核標準提高至200度，可靠性測試時長也翻倍。此外，公司還開展了動態(tài)柵應(yīng)力DHTGB測試、負柵偏壓體二極管重復(fù)浪涌測試等，確保產(chǎn)品在高標準下的穩(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。

國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入洗牌快車道，清純半導(dǎo)體推進自主化進程

“SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛，國內(nèi)在SiC材料、器件量產(chǎn)已進入內(nèi)卷和洗牌快車道?！闭残駱烁锌??！坝捎诟鞣N原因，SiC MOSFET在乘用車主驅(qū)應(yīng)用目前仍依賴進口，但我相信未來2~3年后局面肯定會有大幅改善?！闭残駱藢ξ磥鞸iC的自主化進程充滿信心。

據(jù)悉，在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢方面，清純半導(dǎo)體主要關(guān)注以下三點：材料方面，6寸晶圓的主流趨勢是向大尺寸、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的標準；工藝上，溝道遷移率問題需加強研究，以推動基礎(chǔ)技術(shù)進步。

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

“激烈的競爭促使國內(nèi)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品價格快速下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續(xù)擴大，主驅(qū)芯片國產(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?！闭残駱苏f到。