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目前国内车规级SiC产业水平落后于国外厂商,我们需加强在SiC的资金、技术等方面的投入,尽快完善SiC产业链。


作者|James    校对|Lee

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集微网消息 新能源汽车、通讯设备等产业链发展迅猛,对功率半导体需求大增,尤其是以SiC和GaN等为代表的第三代功率半导体的需求。据 Yole 指出,SiC 最大的应用市场来自汽车,利用 SiC 的解决方案可使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密。而随着SiC成本逐渐降低以及应用不断拓宽,未来市场发展前景广阔。


目前,国内SiC功率器件主要依赖进口,汽车产业链对此依赖程度尤为突出。为改变这种情况,在今年“两会”期间,民进中央提交的《关于推动中国功率半导体产业科学发展的提案》建议进一步完善功率半导体产业发展政策,要将功率半导体新材料研发列入国家计划,尽快实现功率半导体自主供给。未来我国新能源汽车产业链规模将进一步扩大,功率器件需求将迎来爆发,为此,嗅到商机的国内厂商也加快布局SiC功率半导体产业链。


车用SiC器件需求大增


新能源汽车行业存在续航和充电的“老大难”亟需解决,为此车企需要转换效率更高的功率半导体,这成了SiC功率器件市场拓展的重要驱动力。作为第三代半导体材料之一的SiC 具有更宽的禁带宽度,更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力,因而SiC 功率器件在高电压额定值、低导通电阻和快速开关速度等方面有良好的性能表现,可满足车企能源转换以及提高能效等方面的需求。


尤其是在提高能效方面,SiC器件相比其他硅基材料产品优势突出。博世汽车电子中国区总裁Georges Andary表示,碳化硅半导体能为电机带来更高的功率,将为汽车行业带来新的变革。相较于传统硅基产品,使用碳化硅产品能耗降低50%,功率也有所提升让汽车续航里程提高6%。


相较于其他硅基产品,碳化硅有更好的电导率,有更高的开关切换频率,减少能源损耗并降低成本。目前,特斯拉等主机厂已经引入了碳化硅产品。为了提高电动车驱动电机的功率和降低能耗,特斯拉Model3在电机控制器上采用了全SiC功率模块。据国外拆解分析,电控中的逆变器采用了ST的SiC 核心功率器件,整个功率模块由单管模块组成,器件耐压为650V。


以过往产品替换经验来看,在特斯拉的示范效应下其他车企将逐渐切换到SiC功率模块,未来3-5年内SiC 器件将在电动汽车传动系统中获得广泛应用。一份来自CSA Research的报告表明,2019年,新能源汽车细分市场的SiC器件应用规模(含整车和充电设施)约为4.3亿元,2024年市场规模达到16.24亿元,年均复合增长率达到30.4%。


从2019年新能源汽车销量来看,中国仍占据着全球新能源汽车市场的半壁江山,这也是国际各主要大厂加大第三代半导体SiC布局的重点市场。据了解,SiC器件市场份额主要集中在海外厂商手上,其中Infineon、ROHM、ST和Cree四家企业占据全球近9成市场份额。除了中游Cree、ROHM、Infineon等半导体厂商推出车规级SiC Mosfet产品外,下游以博世等tier 1公司为代表的企业迅猛推进车用半导体,其第三代半导体正式进入汽车供应链,与下游企业合作紧密。行业内人士向集微网表示,“汽车产业链是目前碳化硅用量最大的集中地,博世凭借全球第一tier 1公司的优势,在功率半导体器件方面出货迅猛,现已排到欧洲半导体出货量第四位。


国内企业加码发力SiC


除了国外巨头企业加大投资力度,在政策的大力支持以及汽车产业链对SiC芯片的市场推动下,国内企业积极加码布局SiC产业链。“中国功率半导体行业空间巨大、大有可为。对于背靠中国市场的国内功率半导体企业来说,可以说是不容错过的发展良机。”华润微功率器件事业群总经理李虹在接受集微网记者采访时说道。


在产线布局方面,华润微近日宣布国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。该产线能这么快实现量产,主要是华润微采取了与其他厂家不同的策略。据华润微相关人士透露,“与其他大部分公司不同,他们也许是为了做碳化硅而投资产线,从4英寸晶片开始做,工艺成熟后再往6英寸和8英寸发展,而我们是将原有的Si产线做了适配,因为我们在Si功率器件生产线丰富的经验,所以一开始就直接从6英寸着手,减少中间试错时间和成本,以较少的投资尽早完成了SiC6英寸商用生产线建设。”但对于晶片合格率和产能方面细节,该人士表示,不便透露。


据集微网了解,目前国际上SiC晶片的合格率最高可达70%-80%,而中国电科SiC产业基地,4英寸的SiC晶片的合格率可以达到65%,三年内能达到18万片/年的产能。


目前,国内SiC晶片整体合格率不高,从材料微观层面来看,主要与晶体生长结构相关。SiC单晶有多达250余种同质异构体,但用于制作功率半导体的主要是4H-SiC单晶结构。也就是说,单晶生长结构直接决定了晶片合格与否。基本半导体的魏炜向集微网表示,“在生长SiC单晶时,如果不做精确的控制,将会得到其他的SiC晶体结构,这会直接导致晶片不合格,这是我们需要极力避免出现的情况。


据了解,基本半导体目前研发覆盖碳化硅功率器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等产业全链条,先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、首款国产通过工业级可靠性测试的1200V碳化硅MOSFET、车规级全SiC功率模块等系列产品。魏炜向集微网透露,“目前,基本半导体车规级SiC器件已通过tie1供应商向国内主机厂供货。


尽管目前国内在布局车规级SiC产品的企业不少,但已经供货给主机厂的却寥寥无几。对于国内厂商而言,有没有机会“上车”,主要取决于产品能不能迈过车规级标准的门槛。对此,魏炜向集微网透露基本半导体能上车的原因,“SiC产品能不能上车与其可靠性相关。可靠性是衡量器件寿命期望值,也就是可以通过可靠性结果计算器件需要多久持续满足规范要求。工业级产品可靠性验证通常选取样品数为22,基本半导体将样本数按照汽车级的要求提高到77片,并采用AEC-Q系列汽车级认证标准对器件进行测试,只要顺利通过了测试,就能拿到上车的票。


与国内产业情况不同,国际半导体巨头单极型的600V-1700V级4H-SiC JBS和MOSFET已实现商业化,2019年,CREE宣布将建设8寸碳化硅产线。对于国内SiC产业链和国外存在的差距,魏炜表示,“目前国内车规级SiC产业水平落后于国外厂商,我们需加强在SiC的资金、技术等方面的投入,尽快完善SiC产业链。


在国外厂商加大中国SiC市场投入的背景下,国内功率半导体厂商能否跨越车规级SiC的门槛,成功“上车”?对此,行业内人士认为,“国家政策支持和资金追捧对产业发展有极大帮助,国内相关企业之间也相互支持,重视这方面的人才培养,在当下贸易摩擦以及国内重视自主化的环境下,国内SiC厂商还是有很大发展空间。



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