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汽车功率半导体将迎变革,现在布局SiC还有机会吗-

简介汽车功率半导体将迎变革,现在布局SiC还有机会吗? 随着新能源汽车、通信设备等产业链的快速发展,对功率半导体的需求大幅增加,尤...

汽车功率半导体将迎变革,现在布局SiC还有机会吗?

随着新能源汽车、通信设备等产业链的快速发展,对功率半导体的需求大幅增加,尤其是以碳化硅和氮化镓为代表的第三代功率半导体。约尔认为,碳化硅最大的应用市场来自汽车,碳化硅的解决方案可以使系统更高效、更轻、更紧凑。然而,随着SiC成本的逐步降低和应用的不断扩大,未来的市场有着广阔的发展前景。

目前,国内SiC功率器件主要依赖进口,尤其是汽车产业链。为了改变这种状况,民进党中央在今年“两会”期间提交的《关于促进我国功率半导体产业科学发展的建议》中,建议进一步完善功率半导体产业的发展政策,将功率半导体新材料的研发纳入国家计划,尽快实现功率半导体的自主供应。未来,中国新能源汽车产业链的规模将进一步扩大,对动力装置的需求将会爆发。因此,嗅到商机的国内制造商也将加快SiC功率半导体产业链的布局。

汽车用碳化硅器件的需求大幅增加

新能源汽车行业长期存在电池寿命和充电问题,亟待解决。为此,汽车企业需要高效率地转换功率半导体,这已成为碳化硅功率器件市场扩张的重要驱动力。碳化硅作为第三代半导体材料之一,具有更宽的带隙、更高的击穿电场、热导率、电子饱和率和抗辐射能力。因此,碳化硅功率器件具有较高的额定电压、较低的导通电阻和较快的开关速度,能够满足汽车企业能量转换和提高能效的需要。

特别是在提高能量效率方面,碳化硅器件比其他硅基材料具有突出的优势。博世汽车电子中国区总裁乔治·安达里(Georges Andary)表示,碳化硅半导体可以给电机带来更高的功率,并将给汽车行业带来新的变化。与传统的硅基产品相比,碳化硅产品的能耗降低了50%,功率也提高了,因此汽车的续航里程增加了6%。

与其他硅基产品相比,碳化硅具有更好的导电性和更高的开关频率,从而降低了能量损耗和成本。目前,特斯拉和其他主要发动机工厂已经推出碳化硅产品。为了提高电动汽车驱动电机的功率,降低能耗,特斯拉Model3在电机控制器上采用了全碳化硅功率模块。根据国外拆卸分析,电控逆变器采用ST SiC核心功率器件,整个功率模块由单管模块组成,器件耐受电压为650伏..

根据以往产品更换的经验,在特斯拉的示范效应下,其他汽车公司将逐步转向碳化硅功率模块,碳化硅器件将在未来3-5年内广泛应用于电动汽车的传动系统。根据CSA Research的报告,2019年,碳化硅器件(包括整车和充电设备)在新能源汽车细分市场的应用规模约为4.3亿元,2024年市场规模达到16.24亿元,年均复合增长率为30.4%。

从2019年新能源汽车销量来看,中国仍占据全球新能源汽车市场的一半,这也是国际主要制造商增加第三代半导体碳化硅布局的关键市场。据了解,SiC器件的市场份额主要集中在海外制造商手中,其中英飞凌、ROHM、ST和Cree占据了全球近90%的市场份额。除了中游的Cree、ROHM、英飞凌等半导体制造商外,以博世等一级公司为代表的下游企业也在迅速推广汽车半导体,其第三代半导体已经正式进入汽车供应链,并与下游企业紧密合作。业内人士告诉王记伟,“汽车产业链是目前碳化硅最大的集中地。”博世凭借全球第一大一级公司的优势,在功率半导体器件领域迅速发货量,目前在欧洲半导体发货量中排名第四。”

国内企业增持SiC

除了国外巨头企业加大投资外,在政策的大力支持和汽车产业链向SiC芯片市场的推进下,国内企业积极加大SiC产业链的布局。“中国的功率半导体产业规模巨大,前景光明。对于得到中国市场支持的国内功率半导体公司来说,可以说这是一个不容错过的发展机遇。”华润微动力集团总经理李虹在接受王记伟记者采访时说。

在生产线布局方面,华润微最近宣布正式批量生产中国第一条6英寸商用碳化硅晶片生产线。这条生产线能这么快实现大规模生产,主要是因为华润万家采取了不同于其他制造商的策略。据华润万家相关人士透露,“与大多数其他公司不同,他们可能会投资生产碳化硅生产线,从4英寸晶圆开始,然后在工艺成熟后发展到6英寸和8英寸,但我们对原有的硅生产线进行了改造。由于我们在硅功率器件生产线上的丰富经验,我们直接从6英寸开始,减少了中间试错的时间和成本,以较少的投资尽快完成了SiC6英寸商用生产线的建设。”不过,至于芯片合格率和产能的细节,该人士表示不便透露。

据王记伟介绍,目前世界碳化硅晶片合格率可达70%-80%,而中国电子工业基地4英寸碳化硅晶片合格率可达65%,三年内产能可达18万片/年。

目前,我国碳化硅晶片的整体合格率不高,这主要与材料微观层面的晶体生长结构有关。碳化硅单晶中有250多种异构体,但4H-碳化硅单晶结构主要用于制造功率半导体。也就是说,单晶生长结构直接决定了晶片是否合格。基础半导体的魏伟告诉王记伟:“在生长sic单晶时,如果不进行精确控制,就会得到其他SiC晶体结构,这将直接导致晶片不合格,这是我们需要避免的。”

据了解,基础半导体目前正在研发涵盖碳化硅功率器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试和驱动应用的整个产业链,并先后推出了全电流、电压级碳化硅肖特基二极管、国内首个通过工业级可靠性测试的1200伏碳化硅场效应晶体管、汽车级全碳化硅功率模块等系列产品。魏伟向王记伟透露:“目前,基本的半导体汽车级碳化硅器件已经通过第一层供应商提供给国内的原始设备制造商。”

虽然在中国有相当多的公司销售车辆规格级别的碳化硅产品,但很少公司已经向主机厂提供这些产品。对于国内制造商来说,他们是否有机会“上车”主要取决于产品能否通过汽车法规标准的门槛。对此,魏伟向王记伟透露了基本半导体能够上车的原因。“SiC产品能否上市,关系到它的可靠性。可靠性是对设备预期寿命的衡量,也就是说,可以通过可靠性结果计算出设备持续满足规格要求所需的时间。工业级产品的可靠性验证通常选择22个样品,基础半导体根据汽车等级的要求将样品数量增加到77个,用AEC-Q系列汽车等级认证标准对器件进行测试。只要考试顺利通过,你就可以拿到车票上车。”

与国内产业不同,国际半导体巨头单极600伏-1700伏4H-碳化硅JBS和场效应晶体管已经商业化。2019年,CREE宣布将建造一条8英寸的碳化硅生产线。对于国内碳化硅产业链与国外的差距,魏伟表示:“目前,国内碳化硅产业水平落后于国外厂商。我们要加大对SiC资金和技术的投入,尽快完善SiC产业链。”

在国外制造商加大对中国SiC市场投资的背景下,国内功率半导体制造商能否成功跨越汽车级SiC的门槛“上车”?对此,业内人士认为,“国家政策支持和资金追求对产业发展帮助很大,国内相关企业也相互支持,重视这方面的人才培养。在当前的贸易摩擦和国内对自主性的强调下,国内SiC制造商仍有很大的发展空间空。


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