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【芯智驾】IDM龙头整合出击 碳化硅“上车”再提速

来源:爱集微

#芯视野#

#SIC#

2022-11-26

集微网报道(文/杜莎)全球范围内电动汽车的渗透率远超预期,也逐渐步入追求车辆整体效率的发展阶段,这也进而驱动车端对具有“三高优势”SiC的需求大规模增长,供应端以国外为主的IDM厂商现阶段都在积极扩大产能。

例如,最新的财报信息显示,英飞凌在奥地利菲拉赫进行SiC产能爬坡,预计2025年实现营收10亿欧元;ST今年10月宣布将投资7.3亿欧元于意大利卡塔尼亚新建SiC衬底制造工厂,预计2023年下半年开始生产,且将在2023年实现10亿美元的SiC收入;安森美则有望在2022年将SiC营收增加两倍。

SiC尤其是SiC MOSEFT比业内此前的预期更快实现大量装车,背后有哪些助推因素?SiC大规模上车路上还存在哪些挑战?从硅基 IGBT切换到SiC MOSEFT的时间是否会提前?未来SiC技术和产业链将如何演进?这些问题的“答案”将帮助业内深度了解SiC上车的产业化尤其是上游IDM厂商的进程以及未来的方向和趋势。

三原因成加速上车“推手”

毋庸置疑,相较硅基IGBT,SiC MOSEFT由于其电气特性,可实现更高的耐压与更低的损耗,为新能源汽车续航里程的提升和800V高压平台的落地奠定了坚实的基础。

安森美中国区汽车现场应用工程师夏超对集微网表示:“当下,SiC能比预测得更快更多上车,主要因素可从产能结构调整、供需关系、市场营销来进行分析:一是以安森美为代表的国际半导体厂商对供应链进行了高度的整合,实现了SiC器件产能的持续提升,为SiC器件的大批量上车提供了先决条件;二是安森美与众多厂商签订有长期保供协议(简称“LTSA”),可以在最大程度上保障车企客户的用料需求;三是国内新能源车型正逐步向多元化发展,中高端客户的占有率保持多年增长。碳化硅器件一方面为中高端客户提供了更为优质的驾乘体验,另一方面有效缓解了电动汽车的续航焦虑问题,因此广受新能源车企的青睐。

同时,伴随全球越来越多的车企量产800V高压平台方案,SiC功率半导体也成为必然选择。

夏超指出,800V高压平台的落地,对于SiC器件而言更多起到锦上添花的作用。相较于400V平台,800V高压平台能够更好地发挥SiC作为宽禁带半导体材料的高耐压优势,即更高的电压与更低的导通损耗。与此同时,高压平台一方面可以实现车辆的高速快充,另一方面可以降低车辆的线路传输损耗,这对于车辆续航的进一步提升具有正面意义。有数据表明,在如今普遍使用的400V电压平台下,采用SiC可提高3%-5%的效率,而在800V平台下,SiC的优势能发挥得更好,总体效率提升6%-8%。

成本不是唯一“拦路虎”

SiC大规模上车路上也有很多“拦路虎”,业内普遍认为首当其冲的是成本。

目前相对比较高端的20万元甚至30万元以上的乘用车上才会采用SiC方案。对此,Gartner相关领域的分析师对集微网表示:“成本确实是SiC落地的主要障碍。随着器件电压和电流值的变化,功率半导体器件的成本也会相应改变。对于类似的器件额定值,SiC MOSFET通常比硅基 IGBT贵4-7倍,同样SiC模块的价格比IGBT模块贵4-7倍。”

但夏超认为,从功率半导体供应商的角度来看,成本只是限制SiC大规模上车的一个很小因素更多是客户需求与SiC功率器件产能不匹配造成的结果

半导体行业的缺货现在已成常态,究其原因,很多客户在市场环境的渲染下进行了非理性地囤货行为,与半导体厂商没有形成良性信任互助关系。目前SiC上车主要受限于客户的研发能力与批产能力,因此安森美为了切实保障客户的利益,适时推出了LTSA,与客户形成深度绑定,极大地降低了客户的库存压力,安森美还会不断扩展产能,以满足不同客户的特定需求。”夏超告诉集微网。

而且,未来一长段时间内SiC MOSFET将与硅基 IGBT互补共存。夏超表示:“碳化硅MOSFET作为大功率器件,相较于硅基IGBT,更多的是起到互补作用。当前,随着产业升级的进一步推进,对于市场的划分更为精细化,碳化硅MOSFET在一些特定场景具有硅基IGBT所不具备的特性,因而填补了这一部分市场的空白,如电动汽车市场。但在太阳能等场景下,碳化硅MOSFET的优势就无法完整地展现,因此碳化硅在这些场景下更多地是以混合模块的形式出现。因此,SiC MOSFET会长期地与硅基IGBT以互补的方式相存在。所谓的冲突领域,碳化硅MOSFET更多的是作为互补单元满足细分领域的高效率低损耗需求。”

英飞凌在最近的财报会议中也指出,车载充电器会采用硅、碳化硅、氮化镓等方案,但也有一些市场,如风能、驱动、大家电等明显不需要快速开关,因此IGBT是完美的解决方案。如果市场上没有足够的碳化硅,客户可能宁愿降低效率或缩小范围来推出系统,因此,IGBT具有非常重要的战略意义。他们坚信碳化硅将在逆变器、非车载充电和太阳能的应用中占据领先地位,但IGBT的创新也还没有结束。

头部玩家加速垂直整合

汽车无疑是SiC最大的应用市场,且业内预计到2025年,汽车电子功率器件领域采用SiC技术的占比会超过20%,因此意法半导体、英飞凌、安森美等都在产能扩张、产业整合、技术创新等方面积极布局,以抢占领先地位。

例如,从技术方面来看,安森美作为一家全球性的企业,很早就在SiC方向进行了技术布局与产业整合,2016年对Fairchild半导体的收购和近期对GT Advanced Technologies (GTAT)的收购也极大地增强了安森美在SiC方向的设计与生产的能力。安森美最新一代的SiC芯片的性能参数,相较于上一代产品有着显著的提升,具有更强的抗雪崩能力。新的D3 1200 V SiC 二极管系列可实现导通损耗和开关损耗的最小化,使终端的应用能效比得到提升,1200 V M3S SiC MOSFET在电气指标等方面领先于业内。器件在开关过程中的过冲问题是设计人员的一大痛点。安森美在对SiC模块进行优化升级后,有效削弱了其在振铃期间的电压过冲。因此,器件可以在同等过冲下,获得更快的开关速度和更低的损耗,或在同等开关速度下,实现更低的损耗和更小的过冲。

众所周知,影响到SiC器件可靠性、良率的衬底部分占整个价值量将近50%。为抓住供应链的“灵魂”,并提供高效可靠的功率器件,碳化硅领域的头部玩家都纷纷加速垂直整合。夏超表示:“全球范围内,SiC这一产业链目前呈现出多极化趋势,国际大厂均通过收购等方式构建出一条从晶锭生长-晶圆外延-芯片刻蚀-电气封装的完整产业链,逐步摆脱对于单一原料来源的依赖,并在此基础上实现有序扩产。”

放眼国内市场,目前国内相关产业链供应商均投入很多精力在器件及芯片的研发上。“但半导体器件不同于互联网企业,技术壁垒高且固定资产投入比例大,要发展到一定水平还有很长的路要走。”夏超补充道。

向8英寸线转移提升产能

面对SiC上车大规模渗透,从目前的市场看来,供应端在短期内会呈现供不应求的特点。从第三代半导体方面的进展来看,安森美在SiC衬底上可以实现6英寸和8英寸的自主生产;晶圆的生产重心正逐步从6英寸向8英寸产线转移,这也代表了产业发展的方向。

那么,碳化硅器件制造从6英寸向8英寸的碳化硅晶圆过渡,究竟会带来哪些具体的优势?前述Gartner分析师表示:“未来SiC成本的下降将由8英寸衬底的引入推动。但预计不会大幅或立即显现。同时,顶级供应商增加的制造能力将降低成本。”

夏超指出,8英寸上所能切出的芯片数量相较于6英寸要增加近80%,在生长速度相似的情况下,芯片产能将得到极大的提升,这对于缓解市场缺货的现状有着极为重要的意义。为此,在SiC领域,安森美正在按照规划,逐步从原有的6英寸平台向8英寸平台迈进。

夏超预计在未来的两到三年内,SiC器件的市场主流就会从6英寸转向8英寸,这个过程不仅仅是晶体生长设备需要更新换代,后续的外延生长、晶圆刻蚀等工艺都需要同步完成升级。在制程的质量控制方面,安森美将会延续6英寸平台的高标准,并且会对相关测试进行加严,切实保障芯片的品质,从而实现客户从6英寸平台芯片向8英寸平台芯片的无缝切换。

责编: 张轶群

杜莎

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邮箱:dusha@lunion.com.cn

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无畏红尘中打滚,有破有立

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