本周，日本市調(diào)機(jī)構(gòu)Fuji Keizai指出，因汽車(chē)/電子設(shè)備用需求大幅萎縮，拖累2020年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模年減3.8%，其中硅（Si）制產(chǎn)品規(guī)模萎縮4.0%，SiC等第三代化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品市場(chǎng)增長(zhǎng)9.6%。

　　Fuji Keizai表示，2020年功率半導(dǎo)體市場(chǎng)雖陷入萎縮，不過(guò)自進(jìn)入2021年以來(lái)，因車(chē)輛電子化、5G通訊相關(guān)投資增加，加上產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域需求回復(fù)，因此預(yù)估市場(chǎng)將轉(zhuǎn)趨擴(kuò)大，預(yù)估2030年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)4兆471億日元、將較2020年成長(zhǎng)44.3%，其中，預(yù)估硅制產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模將較2020年增長(zhǎng)38.0%。

　　Fuji Keizai表示，自2021年以后，在汽車(chē)/電子設(shè)備需求加持下，預(yù)估第三代化合物功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將以每年近20%的速度增長(zhǎng)，預(yù)估2030年市場(chǎng)規(guī)模將較2020年增長(zhǎng)3.8倍。其中，來(lái)自中國(guó)、北美、歐洲的需求上升，預(yù)估2030年SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至1859億日元、將較2020年增長(zhǎng)2.8倍；GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將較2020年飆增6.5倍。

　　SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，令其成為新能源汽車(chē)的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕，且結(jié)構(gòu)更緊湊。

　　在電動(dòng)汽車(chē)中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車(chē)載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言，800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于車(chē)載充電和快速充電樁，SiC功率半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過(guò)程中減少了能量損失，也減少了所需的電容和電感的數(shù)量。

　　SiC比硅更薄、更輕、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。車(chē)用半導(dǎo)體中，SiC是未來(lái)趨勢(shì)，目前，xEV車(chē)中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來(lái)電動(dòng)車(chē)需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，SiC基MOSFET將是大勢(shì)所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率，從而降低電池成本。

　　SiC行業(yè)龍頭Cree預(yù)計(jì)到2022年，SiC在電動(dòng)車(chē)用市場(chǎng)空間將快速增長(zhǎng)到24億美元，是2017年車(chē)用SiC整體收入（700萬(wàn)美元）的342倍。

　　目前來(lái)看，車(chē)用功率半導(dǎo)體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來(lái)，因?yàn)樗阅芨鼜?qiáng)，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車(chē)動(dòng)力電池包越來(lái)越大、電機(jī)最大功率/峰值扭矩越來(lái)越高，SiC基MOSFET的優(yōu)勢(shì)就越顯著。

　　要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢(shì)，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù)，以獲得更高的工作電壓、最大功率和綜合效率。目前，SiC基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率（以逆變器效率計(jì)算）約為98%，在應(yīng)用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢(shì)。

　　SiC 應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)的逆變器、OBC、DC/DC時(shí)，更低的阻抗可帶來(lái)更小的尺寸，更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸，且更耐高溫，可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，最終帶來(lái)的是系統(tǒng)級(jí)的體積縮小和成本的降低。

　　SiC用在車(chē)用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開(kāi)關(guān)損耗降低75％（芯片溫度為150° C）。在相同封裝下，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。

　　特斯拉的Model 3采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車(chē)企。2017年12月，羅姆為VENTURI車(chē)隊(duì)在電動(dòng)汽車(chē)全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E”錦標(biāo)賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器，使逆變器尺寸下降了43%，重量減輕了6kg。

　　逆變器已經(jīng)開(kāi)始使用IGBT+SiC SBD的混合方案，預(yù)計(jì)全SiC的逆變器將從2023年開(kāi)始在主流豪華車(chē)品牌中量產(chǎn)。

　　據(jù)Cree測(cè)算，SiC逆變器能夠提升5-10%的續(xù)航，節(jié)省400-800美元的電池成本（80kWh電池、102美元/kWh），與新增200美元的SiC器件成本抵消后，能夠?qū)崿F(xiàn)至少 200美元的單車(chē)成本下降。據(jù)羅姆測(cè)算，到2026年，幾乎所有搭載800V動(dòng)力電池的車(chē)型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢(shì)。

　　此外，車(chē)載OBC和DC/DC，已經(jīng)開(kāi)始采用SiC器件，比如PFC電路中二極管切換改為了SiC SBD，或者將OBC的DC/DC原邊電路MOSFET管改為SiC MOSFET。全SiC方案也有望從 2021年開(kāi)始量產(chǎn)。

　　新能源車(chē)的功率控制單元（PCU）是汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向和傳遞速度，傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過(guò)硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車(chē)最主要的電能損耗來(lái)源，而使用SiC則可大大降低這一過(guò)程中的能量損失。

　　將傳統(tǒng)PCU配備的硅二極管換成SiC二極管，硅IGBT換成SiC MOSFET，就可以降低10%的總能量損耗，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使車(chē)輛更為緊湊。

　　SiC功率器件也在加速融入車(chē)載充電器領(lǐng)域，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動(dòng)汽車(chē)充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，這一市場(chǎng)在2023年之前可保持44%的增長(zhǎng)速度。

　　主要障礙

　　目前，制約SiC功率器件大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙依然是成本，受制于上游晶圓產(chǎn)能不足、晶圓缺陷面積較大等原因，目前SiC功率器件的價(jià)格是硅的5-10倍。

　　成本問(wèn)題主要源于低效的晶體生長(zhǎng)過(guò)程，傳統(tǒng)硅晶圓制作是將多晶硅在1500℃左右融化后，將籽晶放入其中邊勻速旋轉(zhuǎn)邊向上提拉形成約2m的硅錠，再進(jìn)行切割、倒角、拋光、蝕刻、退火等操作，然后形成晶圓。而SiC晶錠的制作比硅低效很多，普遍采用PVT 法，將固態(tài) SiC加熱至2500℃升華后，在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶而成。

　　SiC晶圓的尺寸迭代與硅相比仍處于早期階段，目前Cree、ST等主流廠商都已經(jīng)量產(chǎn)6英寸晶圓，并同步進(jìn)行8英寸的研發(fā)，計(jì)劃最早于2022年量產(chǎn)8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達(dá)到6英寸的1.8倍，但同時(shí)也面臨著缺陷密度變高等難題。

　　不過(guò)，2022年有望成為SiC價(jià)格下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)橹髁骱廊A車(chē)品牌開(kāi)始量產(chǎn)采用SiC方案的車(chē)型，這將大幅提升Cree等襯底廠商8英寸線的產(chǎn)能利用率。到2025年，SiC器件價(jià)格有望下降到當(dāng)前水平的1/4-1/3，結(jié)合電池成本的節(jié)省，SiC的性?xún)r(jià)比將顯著提高。

　　產(chǎn)業(yè)鏈愈加成熟

　　Cree一直在積極擴(kuò)大其SiC襯底產(chǎn)能并將業(yè)務(wù)重心從LED向功率器件轉(zhuǎn)移，成為大眾FAST（未來(lái)汽車(chē)供應(yīng)鏈）項(xiàng)目合作伙伴，和安森美簽署了多年期協(xié)議，為其供應(yīng)6英寸襯底和外延片，并擴(kuò)大了和意法半導(dǎo)體的合作范圍，增加了訂單。

　　其它廠商方面，豐田和電裝、富士、三菱合作開(kāi)發(fā)SiC基MOSFET，博世擬用其位于羅伊特林根的半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)SiC晶圓。

　　日系廠商在SiC功率半導(dǎo)體方面具有較強(qiáng)實(shí)力，三菱電機(jī)、富士電機(jī)、東芝等3家廠商合計(jì)握有全球2成市占率。富士電機(jī)將投資約1200億日元擴(kuò)增日本國(guó)內(nèi)外工廠產(chǎn)能，增產(chǎn)功率半導(dǎo)體；東芝計(jì)劃在2023年度結(jié)束前投資約800億日元，將功率半導(dǎo)體產(chǎn)能提高3成。

　　此外，Rohm也是一支重要力量，該公司在SiC功率半導(dǎo)體的研發(fā)上居于領(lǐng)先地位，在全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占有2成市占率，和英飛凌（Infineon）、STMicroelectronics并列為全球主要供貨商之一。該公司計(jì)劃在今后5年內(nèi)投資600億日元、將使用于EV的SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)能擴(kuò)增至現(xiàn)在的5倍。而其產(chǎn)能擴(kuò)增至5倍后，全球市占率有望提高至3成。Rohm生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料已用于特斯拉的EV逆變器上。

　　在中國(guó)，華為戰(zhàn)略投資了山東天岳，北方華創(chuàng)向天岳批量供應(yīng)生產(chǎn)6英寸SiC晶圓的單晶爐，可以控制產(chǎn)品缺陷情況。此外，比亞迪也在進(jìn)行SiC基功率半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

　　整車(chē)廠方面，從特斯拉Model 3車(chē)型銷(xiāo)量反推，SiC基MOSFET單車(chē)價(jià)值約為1300美元，考慮到能效提升對(duì)同等工況續(xù)航條件下動(dòng)力電池用量的節(jié)約作用，估計(jì)使用SiC基 MOSFET比硅基IGBT總成本提升100-150美元。

　　對(duì)于定位在10萬(wàn)元及以下的車(chē)型來(lái)說(shuō)，使用SiC基MOSFET仍有一定成本壓力；對(duì)于定位在30萬(wàn)元及更高的車(chē)型而言，鑒于消費(fèi)者對(duì)工況續(xù)航、整車(chē)動(dòng)力性的要求較高，動(dòng)力電池搭載量較大，電機(jī)最大功率/峰值扭矩較高，SiC基MOSFET對(duì)整車(chē)極限性能的提升有很大幫助。

　　目前來(lái)看，Model 3是SiC基MOSFET在新能源汽車(chē)上應(yīng)用的成功案例，其電控系統(tǒng)共搭載了24個(gè)650V、100A的SiC基MOSFET功率模塊，每個(gè)模塊有兩個(gè)芯片并聯(lián)組成。

　　特斯拉在設(shè)計(jì)電控過(guò)程中，充分考慮了回路電感對(duì)開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗、電氣可靠性和功率密度的影響，使得以SiC基MOSFET為核心的高效電控系統(tǒng)成為整車(chē)低電耗的有力保障。

　　Model 3是首款逆變器采用SiC功率器件的純電動(dòng)車(chē)型，由ST定制，耐壓650V，由標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)半橋功率開(kāi)關(guān)拓?fù)錁?gòu)成，單橋臂由4顆單管的小模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊由兩個(gè)SiC die構(gòu)成。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著純電汽車(chē)的快速崛起，特別是諸多企業(yè)紛紛加入這一戰(zhàn)團(tuán)，使得市場(chǎng)規(guī)模本來(lái)就很大的汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)，進(jìn)一步拓展了增長(zhǎng)空間，這對(duì)于新興的第三代化合物半導(dǎo)體，特別是非常適合汽車(chē)應(yīng)用的SiC功率器件來(lái)說(shuō)，遇到了一個(gè)絕佳的發(fā)展風(fēng)口，前途不可限量。